美國發布2018年新版《綠色推進技術發展路線圖》

● 上海空間推進研究所 黃振芝 苗思薇 劉 俊

2018年10月，美國正式發布了《綠色推進技術發展路線圖》（以下簡稱“2018版《路線圖》”），其在2016年版《綠色推進路線圖》的基礎上做了進一步完善，由美國國家航空航天局（NASA）綠色推進工作組（GPWG）在NASA化學推進子能力管理部（CPSM）的領導下研究制定。其目的是為NASA的各任務理事會、研究中心、項目組的技術研發與投入提供指導，也為其他部門和承包商提供參考。2018版《路線圖》論述了綠色推進技術的研究目的、范圍、背景、發展領域及項目應用等內容。本文重點介紹2018版《路線圖》的制定過程、依據、主要內容，以及對我國綠色推進技術發展的參考意義。

一、綠色推進的定義

綠色推進劑與肼類有毒推進劑相比，具有易于處理、無毒、無污染、環境友好等特點。當前，各類航天器的化學推進系統大部分依賴于有毒推進劑。隨著各國對環保的重視程度越來越高，人們的環保意識逐漸增強，發展綠色推進技術來代替肼類有毒推進技術將成為未來航天器推進系統的發展趨勢。因此，許多國家對航天器的無毒推進系統開展了廣泛的研究。

美國在2018版《路線圖》中主要關注的是可替代肼類推進劑的綠色推進劑及其相關技術（如催化劑、推力器等）。綠色推進劑包含硝酸羥胺基（HAN）、二硝酰胺銨基（ADN）等各種推進劑配方，這些液體在習慣上統稱為單組元推進劑，因為它們在催化劑表面會發生反應，類似于傳統的肼或過氧化氫（H2O2）。單組元推進劑的應用是2018版《路線圖》關注的焦點，也是美國大部分研發活動的重點；此外，NASA持續關注綠色推進劑在雙組元推進系統中的應用，其技術需求同樣受到重視。

二、GPWG成立的背景和職責

NASA能力領導組（CLT）下設的化學推進子能力管理部（CPSM）認識到，需要有一個更加明確的發展路線圖和投資戰略目標，來進一步推動這些綠色推進技術的發展。CPSM于2017年4月組建了一個新的機構——GPWG，其具體任務是為NASA制定2018版《路線圖》，指導綠色空間推進技術的研發和應用。GPWG主要由NASA馬歇爾航天飛行中心、格林研究中心和戈達德航天飛行中心的成員組成。主要職責包括：制定和維護2018版《路線圖》，以應對綠色空間推進技術領域的挑戰；列出工作組各成員所屬中心、機構的綠色推進技術研發項目清單；識別、評估NASA各中心綠色推進試驗設施和研發能力。圖1為NASA能力領導組框架下的GPWG關系圖。

圖1 NASA能力領導組框架下的GPWG關系圖

鑒于NASA其他一些中心也在開展綠色推進劑的研究項目，GPWG也可以擴展其成員單位，將更多感興趣的成員涵蓋進來。另外，GPWG還在積極尋求與其他政府部門和商業實體的合作，共享知識和經驗，以便更好地實時跟進綠色推進領域的發展現狀。

三、GPWG的戰略目標

為了使NASA在綠色推進技術領域研發投入的回報達到最大化，GPWG制定了以下戰略目標。

（一）制定NASA綠色推進愿景

過去，NASA系統內沒有一個定義清晰的綠色推進愿景。NASA各任務理事會、研究中心，以及通過個人資助和商業合作（如SBIR項目）等形式無重點地開展了各種推力量級的綠色推進技術研發，其技術發展進程大都止步于“飛行驗證”階段，缺乏后續研究。雖然這些研發推動了相關前沿技術的發展，并帶來了一定的發展效益，但是由于NASA內部沒有一個清晰的、前瞻性的研發愿景，使得每個技術研發項目不能很好地延續下去，甚至還存在項目重疊或重復研發的情況，導致綠色推進技術進展緩慢。所以，2018版《路線圖》的制定就是為了解決這一問題。

（二）為資源的集中使用提供指導

近年來，人們越來越關注綠色推進技術的研發。許多研究機構和商業伙伴都想加入推動綠色推進技術發展的行列。如果沒有統一、有效的研發監管機構，就會出現重復投入、資源浪費的現象。設立GPWG的初衷是持續監管綠色推進技術的研發活動，并提供咨詢和指導服務。此外，GPWG還將為NASA任務理事會、規劃局、各研究中心、各項目辦等部門提供指導，以實現對現有資源利用率的最大化。

（三）知識的歸檔、分發和利用

目前，綠色推進技術領域已經輸出了大量的研究成果，積累了大量的文獻資料和報告，其中不僅包括技術報告和文獻，還包含政策規定、最佳實踐、事故報告及評價等。如果相關的研發人員能獲得這些豐富的知識數據，就可以減少重復研發和資源浪費。因此，有必要對現有的文獻資料進行整理并建立共享知識庫，以便于知識數據在NASA內部、衛星和火箭承包商之間得到有效傳遞和充分利用。GPWG將承擔起綠色推進技術知識庫的建設、持續更新與維護的工作職責，使知識庫成為該領域的首選知識源。

四、2016年版《綠色推進路線圖》

2015年，JANNAF（美國陸軍-海軍-空軍-NASA聯席會議）組織了一個主題為“替代肼的綠色單組元推進劑（GMAH）”的技術交流會。會上，來自政界和商界的代表研討了綠色推進技術的發展現狀，以及所面臨的技術攻關、項目應用等雙重挑戰問題。同時，又召開了一個僅限于政府代表參加的小型會議，會上對已識別的綠色推進技術差距進行了確認，并確定了優先發展順序。會后，跨部門工作組根據會議內容制定了一個非正式的《技術發展路線圖》，明確了以下9項技術差距，并將前3項技術列為最高優先級。

（1）點火功率和工藝技術。催化劑系統往往比非催化劑系統質量大，需要使用大功率推力器。

（2）推進劑消耗量。與肼推力器相比，對使用綠色推進劑的推力器所做的壽命試驗較少。更高的燃燒溫度、急劇的熱瞬變及燃燒過程中產生的腐蝕性中間物都會縮短整個推力器和催化劑的壽命。

（3）羽流建模。連續流和稀薄流的效應對推力器的推進劑尾氣，以及航天器表面的影響都是未知的。

（4）材料性能。缺乏銥、錸及其他難熔性金屬材料的熱性能數據，特別是綠色推進劑推力器要經受的高溫條件下的相關數據。材料的相容性特別是與非金屬的相容性是未知的。

（5）反應時間。目前，與肼推力器相比，綠色推進劑推力器要求的預熱時間和點火延遲時間更長。

（6）新推進劑的配方。目前正在研發更高性能的綠色推進劑配方，還沒有與AF-M315E和LMP-103S進行同級別的推進劑評估測試。如何通過改變推進劑混合比方法，在燃燒溫度（影響推力器/催化劑壽命）和性能之間如何權衡取舍還是未知的。

（7）制造工藝和成本。綠色推進系統目前使用的材料價格昂貴且難以獲得，其制造方法較之肼推力器系統也更昂貴。

（8）推進劑性能建模。缺乏能夠更準確地預測并分析推進劑性能和分解/燃燒過程的分析程序。

（9）推進劑供應。目前的綠色推進劑配方或所含成分原產地都不是美國，無專用的后勤供應鏈。

明確了上述技術差距后，跨部門工作組將需求按優先順序進行排序，明確了急需發展的主要技術領域，以解決一個或多個技術差距。另外，工作組考慮采用漸進式的發展途徑，確認近期發展目標，并賦能下一步發展計劃。發展目標按優先順序分為近期、中期和長期任務，分別對應0～3年、3～7年、7～10年的任務時間。此外，高、中、低優先級任務也大致適用于推力級的劃分，例如，高優先級（近期）研制的推力器在22N以內，中期任務的推力器在110N以內，長期任務的推力器在440N內。表1為2016版《綠色推進路線圖》中明確的幾個主要技術發展領域。

表1 2016年簡化版《綠色推進路線圖》

五、2018版《路線圖》技術發展領域概述

GPWG審查了2016版《綠色推進路線圖》，一致認為其確定的技術差距和發展領域對綠色推進技術的發展仍然具有相關性和必要性。2016版《綠色推進路線圖》列出了各類技術發展領域，對于已識別的技術差距，確定了符合邏輯的漸進式技術發展途徑，并且支持潛在的公-私合作機會。因此，GPWG建議采納2016版《綠色推進路線圖》作為NASA需求的基準，再增補一些新內容，形成2018版《路線圖》。雖然2016版《綠色推進路線圖》明確了技術需求的大致時間表，但是在2018版《路線圖》中，提出了需要更早啟動且需要花費更長時間的一些研發項目。

2018版《路線圖》中，將技術發展目標分解為技術發展領域，領域內劃分為近期、中期、長期子目標。同時，確定以下4個技術發展領域。

（一）推力器硬件研制

關于推力器硬件研制，GPWG提出下述發展方向：提高推進劑消耗量（近期）；降低點火功率需求（近期）；研制支持硬件（近、中期）；改進制造工藝及降低成本（中期）。

（二）建模及工具研發

計算模型和工具可以讓工程師預測推力器性能，分析、診斷系統異常，并且能為合作方提供設計工具，降低整體研制成本。GPWG建議研發以下模型和工具：羽流模型（近期）；催化劑及分解化學（近期）；瞬態熱分析（近期）；推進劑性能建模/縮比建模（中、長期）。

（三）材料特性及兼容性

深入了解材料特性及兼容性問題很重要，不僅能夠降低系統成本，還有助于全面評估設計結構的局限性。GPWG提議創建和改善下述數據庫：確認并增強系統材料相容性數據庫，包括可相容的非金屬，如密封件等（近、中期）；創建一個綠色推進技術數據庫，將數據加進NASA材料工藝技術信息系統（MAPTIS）數據庫（中期）；識別高輻射通量對系統組件的影響（遠期）。

（四）綠色推進劑研制

為了獲得穩健的技術，需要全面、徹底地理解推進劑本身的特性。盡管綠色推進劑經過了多次物理性能和熱性能測試，但還是有許多重要特性數據尚未掌握，這些數據有助于任務規劃者在搭建系統框架時識別影響任務成敗的潛在風險，也有助于建立在“建模及工具研發”中提到的計算模型。另外，供應鏈源頭若無進一步的研發投入，就目前的推進劑供應基地的供應情況來看，尚不能滿足長期提供大量推進劑需求的能力。GPWG針對推進劑研發和供應現狀，提議進行以下方面的評估：改善并發展推進劑供應基地（近期）；量化并擴展推進劑特性數據庫（近、中期）；研制新推進劑的配方（中、長期）。

六、路線圖與其他技術戰略規劃的一致性

NASA在論證太空技術投資戰略途徑時，會參考許多政策性文件，包括《NASA太空技術戰略投資規劃（2012）》《NASA 2018戰略規劃》《NASA技術路線圖（2015）》。這些文件作為NASA發展太空技術的戰略參考，在論證新技術研發項目時常常被引用，甚至成為NASA招投標時必須引用的文件，以表明其符合NASA的戰略目標和規劃。除了NASA內部的文件外，還有其他外部文獻也提出了太空技術發展規劃，尤其針對綠色推進提出了特別建議，對路線圖的制定具有重要的參考價值。例如，國家研究委員會（NRC）制定了《NASA太空技術路線圖和優先事項：恢復NASA技術優勢，為太空新紀元鋪平道路》；Robert L Sackheim等人在《推進與動力》上發表文章《綠色推進的進展：挑戰成熟單元肼推進劑》。GPWG在調研并綜合以上文獻資料的基礎上，制定了2018版《路線圖》，以確保其與這些戰略規劃的一致性。

七、綠色推進項目的應用

與所有NASA的技術研發項目一樣，綠色推進技術的目標是將該技術應用到太空飛行任務中。任務應用幾乎和技術研發一樣艱難，面臨諸多挑戰，因為業界和任務規劃者通常不愿意接受新技術帶來的風險，除非某次任務指定必須使用該項新技術。

2018版《路線圖》實施的成果之一是NASA資助的“綠色推進劑演示驗證項目”（GPIM）。該項目的技術試驗衛星BCP-100于2019年6月發射升空，驗證了HAN基無毒推進技術。此外，綠色推進技術可能會應用到NASA的一些重點任務及小衛星（SmallSat）、立方星（CubeSat）任務中。對這些任務而言，適合的推力器主要是100mN～22N推力級，其中，100mN推力器適用于立方星和小衛星任務，22N推力器適用于中到大型科學任務（包括ESPA級別和更大型任務）。

需要注意的是，美國國防部和其他一些政府部門也高度重視綠色推進技術，由此給綠色推進帶來了難得的技術應用機遇。然而，美國國防部和NASA對任務需求有著明顯的差別。一般來說，美國國防部的任務持續時間較短（數小時到數月），其重點關注快響應、高比沖機動能力；而NASA的任務持續時間較長（數月到數年），其關注的重點是長壽命、長期在太空飛行的能力。因此，NASA需要穩健的技術，具有不依賴地球的即時制導與控制就可以正常運行的能力。

NASA過去的研發投入主要集中在特定的推進劑配方上， NASA認為這些在研的綠色推進技術中并不存在“對的”解決方案，因為推進系統及其推進劑的選擇取決于任務因素（如項目限制、技術風險、成本、時間表、相容性等），而NASA對推進劑的關注始終是其可獲得性和是否便于技術轉化，而不是特定的技術方案。GPWG將綠色推進看作是未來飛行任務的可行替代方案，因此，建議對系統方案和推進劑開展大范圍的類似替代研究，以滿足NASA的任務需求。這將給任務策劃者提供更大范圍的可選技術，從而帶來更多的應用機會。

八、結束語

NASA發布的2018版《路線圖》制定依據清晰，內容詳實，對未來的綠色推進技術研發具有切實的指導意義。同時，NASA將根據技術發展現狀定期對2018版《路線圖》進行審查與更新，確保其在美國各地開展的研究活動中發揮引領作用，這充分體現了美國對綠色推進技術發展的重視。美國的2018版《路線圖》的制定過程、依據和漸進式發展路徑規劃對我國如何推進綠色推進技術發展具有重要的參考和借鑒意義。

2020年5月5—8日，我國采用綠色推進技術的新一代載人飛船試驗船成功進行了飛行試驗。新飛船的返回艙使用的HAN基400N單組元發動機是我國目前研制的最大推力無毒單組元發動機。此次飛行試驗的成功將極大地推進我國各類航天器從常規肼類有毒推進技術向綠色環保、無毒化應用轉化的進程。