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电推进技术如何提升中国航天竞争力?

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2015年01月02日,由中国航天科技集团公司五院自主研制电推进系统取得重要成果,具备了确保卫星在轨可靠运行15年的能力。其实早在2012年,实践9号A星就已经携带离子电推进系统升空,这也是国内第一次在卫星上使用离子电推进系统。该系统由510所自主研制,据称基本性能和欧美国家相当。随着电推进系统全面迈入工程应用阶段,中国航天的竞争力将大幅提升。

中国以往出口通信卫星大都依赖于国家间的友好关系,少量出售给一些第三世界国家,如委内瑞拉、尼日利亚等国。这些国家对通信卫星的容量要求不高,对价格比较敏感。中国通常采取微利模式,还提供贷款,所以这些合同的商业价值不高。利润丰厚的商业卫星市场仍然被美欧大公司垄断。

动力系统一直是中国卫星的短板,目前国际市场上的通信卫星多数采用混合动力,即包括常规化学燃料和电推进系统。空间转移轨道时用化学推进剂,进入静止轨道后改用电推进保持轨道和控制姿态。电推进系统能大幅减少卫星燃料携带量,这样就可以携带更多有效载荷,达成商业价值最大化。

传统推进技术是利用化学能将运载器送入预定空间轨道和实现航天器在轨机动的技术,主要是指液体和固体化学推进。电推进是由太阳能或核能经转换装置获得电能,利用电能加热推进剂或电离推进剂,加速工质使其形成高速射流喷出而产生推力推进航天器飞行,常见的有离子推力器、电弧推力器和霍尔推力器(稳态等离子体推力器),特别适用于各类航天器的姿态控制、轨道修正、轨道转移、动力补偿等任务。

电推进并非什么新鲜技术。目前飞的最远的人造航天器旅行者1号(1977年9月5日发射)在飞行过程中的轨道机动和姿态调整就是利用电推进技术实现的。1998年美国发射的深空1号则是首个以电推进为主推进系统的空间探测器。低功率(5kW以下)电推进商业化应用已经比较成熟,逐渐从辅助推进进入到卫星主推进领域。离子发动机的功率近期将提高50kW级,并与空间核电源结合,执行大型航天器的轨道维持和载人火星探测。

目前国内开展离子电推进技术研究的单位包括510所(离子推力器)、801所(霍尔推力器)、502所(霍尔推力器)、哈尔滨工业大学、西北工业大学、北京航空航天大学、国防科大、上海交大等,多数距离实际应用尚有一定距离。好消息是,510所的LIPS-200+离子电推进系统不久将应用于我国首次小行星探测航天器,完成主推进任务。未来的东方红3B、4号、5号、7号等通讯卫星和空间站上都将使用离子电推力推进器。如果能顺利达成上述目标,国产通信卫星的市场竞争力将有较大幅度提升,深空探测等项目上与发达国家的差距也将大幅缩小。

北纬40°作者赐稿 文 | 东风

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