助力“嫦娥”奔月
——空間推進系統的發展與應用

文/林倩 汪旭東 薛英民

▲“嫦娥四號”奔月過程示意圖

嫦娥四號探測器在2018年12月8日凌晨被送上太空后，并不是直接飛到了月球上，而是經過中途修正、近月制動、繞月飛行、環月降軌等幾個過程，到2019年1月3日上午才著陸月背。這中間隔了二十多天，“嫦娥四號”是如何靈活地完成各項指令的呢？這就要感謝它身上安裝的發動機們——空間推進系統了。

重要作用

空間推進系統是指在大氣層外空間環境中使用的推進系統，是衛星、飛船、探測器等各種航天器的重要的分系統之一。它可以為航天器的軌道轉移和定點提供推力，為深空探測航天器遠距離航行提供動力，為航天器的位置保持、姿態控制提供控制力，同時也有著其他許多重要的作用。

推進系統硬件加上所裝載的推進劑，占據了航天器相當大的比例。同步軌道衛星推進系統占整個衛星質量一半左右；星際航行探測器的推進系統占整個航天器質量的四分之三左右。

推進系統的性能好壞，直接影響到航天器的控制精度、壽命及可靠性。因此，推進系統的設計對航天器研制至關重要。

基石初定

20世紀60年代，美蘇冷戰大興航天科技，中科院積極響應中央的指示，于1958年成立力學所懷柔分部，開始開展空間發動機技術的研究。1962年，中科院自動化所成立氣動、液動控制研究室——406室，原定于麻省理工回國的專家未及時到位，暫時由407室主任陸元九兼任。1968年，中國科學院力學所懷柔分部18名科技人員調至406室，在國內首次開展衛星冷氣推進技術的研究。

同年，自動化所正式劃歸第五研究院，之后又被授予第502所番號。1969年9月，502所改編成連隊建制，406室改編成三連五班、六班，負責衛星控制系統執行機構的研制，由齊汝先擔任三連指導員兼主任主持工作。其中，五班主要從事冷氣推進系統的研制，六班主要負責東方紅二號單組元推進系統的工作。

當時美蘇對我國的空間推進系統研制技術全面封鎖，老一輩航天人自力更生，立志一定要獨立研制出我國自己的衛星推進系統。帶著這股勁頭，通過30多年自強不息的艱苦奮斗，我國實現了衛星冷氣推進系統、單組元推進系統、雙組元推進系統三重技術突破，奠定了如今我們航天大國的堅實基礎。

冷氣推進系統雖然比沖較低，但系統結構簡單、安全可靠、姿態控制精確，因此，首先在技術上得到了突破。

1975年7月，冷氣推進系統首次應用于我國技術試驗衛星。這是我國第一顆使用推進系統的衛星，是衛星推進系統應用的重大突破。在后續型號的應用過程中，冷氣噴氣推進系統逐步得到改進，產品可靠性不斷提高，廣泛應用于返回式遙感、科學試驗衛星上，均工作正常并圓滿完成飛行任務。

在航天技術飛速發展的今天，冷氣推進系統由于其結構簡單、高可靠、高分辨率、精度高在一些航天器上仍有著廣泛應用。2018年6月，我國第一顆采用固體冷氣推進系統在微納光學衛星上得到首飛應用，完成在軌飛行控制。

單組元推進系統的比沖遠高于冷氣系統，且系統的可靠性高、壽命長、成本低，較冷氣推進系統有著明顯的優勢。隨著1981年9月實踐二號衛星的成功發射，我國成功突破了單組元推進系統技術。

▲綠色無毒推進系統

此后，單組元推進系統在我國東方紅二號、東方紅二號甲、風云系列、遙感系列等衛星上得到了廣泛應用。該系統以高可靠性著稱，是目前我國應用最多的衛星推進系統……

航天器系統一直有1克質量貴過10克黃金的比喻，追求高比沖一直是航天推進人追求的目標。1994年，設計壽命8年的東方紅三號衛星成功發射，標志著我國衛星推進技術又一次實現了巨大飛躍，雙組元推進系統得到了正式應用。

雙組元推進系統具有性能優越、系統復雜、研制難度大的特點，比沖較單組元系統高。該推進系統的成功應用標志著我國衛星推進系統的研制能力達到了國際先進水平，此后雙組元推進系統以高性能優勢在我國衛星領域得到了廣泛應用。

百花齊放

在新的應用背景下，各種推進系統由于其自身特點得到了廣泛應用。

2000年以后，單組元推進系統首次應用于我國發射的第一顆小衛星海洋一號，開啟了推進系統的小衛星應用時代。

2007年10月，嫦娥一號衛星發射成功，雙組元統一推進系統首次應用于深空探測領域，推進系統成功完成軌道轉移、調整和近月制動，實現了中國航天的新跨越。

2018年12月8日，發射成功的“嫦娥四號”就是采用的從十幾牛到幾千牛不同推力量級的雙元發動機分別進行姿態控制、軌道控制及降落月球時的速度控制。

冷氣推進系統也由于其高精度，將應用在天琴計劃、重力場測量衛星等有著無拖曳要求的航天器上。此外，推進系統的研制隨航天器開始向民用化、國際化以及深空應用方向發展。

新的征程

近年來，我國不僅研發了傳統化學推進技術的新應用，同時電推進技術蓬勃發展，碩果連連，更在一系列的新型推進技術上取得了新突破，包括無毒推進、在軌加注等等。2019年預備發射的“寧夏一號”也將采用1N ADN無毒推力器。

電推進系統比沖可達到普通化學推進的十倍到數十倍，使得航天器對推進劑的需求量大大減少，有著極大的優勢。

2012年10月，電推進系統首次在實踐九號A星上進行了飛行驗證，在軌運行穩定，實現了我國電推進技術的重大突破。

2016年11月，1.5kW級磁聚焦霍爾電推進系統在實踐十七號衛星上完成了在軌飛行驗證，這也是世界上第一套完成在軌飛行驗證工作的磁聚焦霍爾電推進系統，標志著我國具備了自主研制第二代更高性能霍爾電推進系統的能力，將為我國后續新型衛星平臺提供更高性能的電推進系統，大幅提升我國衛星總體技術的競爭力。

隨著電推進技術的成熟，未來兩年，離子電推進系統、霍爾電推進系統、電弧電推進系統將在以“鴻雁星座”為代表的大型星座上使用。

同時，“實踐十七號”還搭載了我國首套無毒推進系統，其在軌驗證圓滿成功，樹立了我國衛星推進技術發展的又一重大里程碑，我國成為世界上第二個深入掌握無毒推進技術在軌應用的國家。

縱觀空間推進系統五十余年的發展歷程，經過幾代空間推進系統研制人員的不懈努力，克服重重困難，打破封鎖、自力更生、從無到有，實現了從冷氣推進到空間核推進技術的臺階式發展。未來，我國的空間任務的需求在不斷增加，我國的空間推進技術也將不斷向前發展，不斷地研究新型推進系統，如微推進、核推進、激光推進、電帆推進等，相信不久的將來，我國的空間推進系統技術將會百花齊放，推動我國的航天事業更上一層樓。