國產(chǎn)霍爾電推進(jìn)器樣機(jī)
衛(wèi)星在太空中飛行時，并非一帆風(fēng)順。中低軌道衛(wèi)星會受到太空中稀薄的大氣、地球磁場以及太陽輻射等的影響，逐漸偏離運(yùn)行軌道，甚至掉下來;高軌道衛(wèi)星則會受到星球攝動(由于受到天體的影響在軌道上產(chǎn)生偏差)等影響引起軌道偏離。因此，航天工程師需要給衛(wèi)星配備輕巧、靈活的“翅膀”——推進(jìn)系統(tǒng)，來進(jìn)行位置的保持。
推進(jìn)系統(tǒng)包括傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)、先進(jìn)的電推進(jìn)系統(tǒng)等。傳統(tǒng)的推進(jìn)系統(tǒng)將壓縮氣體噴出或通過化學(xué)燃燒加熱燃燒產(chǎn)物噴出產(chǎn)生反沖推力，從而將衛(wèi)星“推回”預(yù)定軌道。
雖然衛(wèi)星在太空中飛行時受到的干擾力很小，但時間一長，仍會產(chǎn)生很大的作用。為了讓衛(wèi)星始終保持在預(yù)定軌道，其推進(jìn)系統(tǒng)需要攜帶大量推進(jìn)劑，使得衛(wèi)星變得非常笨重。要將笨重的衛(wèi)星運(yùn)送到太空中，火箭需要花費(fèi)更大的力氣。
有沒有辦法給衛(wèi)星“瘦身”呢?當(dāng)然有，那就是安裝高比沖的離子電推進(jìn)系統(tǒng)。電推進(jìn)系統(tǒng)消耗電能加熱電離推進(jìn)劑并加速噴出產(chǎn)生推力，雖然它的推力很小，只有幾十到幾百毫牛，但是它的比沖很高。
比沖是衡量發(fā)動機(jī)性能的一個重要參數(shù)，定義為單位推進(jìn)劑的量所產(chǎn)生的沖量，比沖越高，代表糾正軌道所消耗的推進(jìn)劑越少。
電推進(jìn)的比沖是傳統(tǒng)推進(jìn)的幾倍甚至十幾倍，而離子電推進(jìn)系統(tǒng)的比沖相比傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)更是要高至少一個量級。
配備了這種先進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)的衛(wèi)星需要攜帶的推進(jìn)劑大大減少。例如，歐洲通信衛(wèi)星公司生產(chǎn)的Ka頻段通信衛(wèi)星，如果使用化學(xué)推進(jìn)，整個衛(wèi)星包括燃料的重量將達(dá)到7000千克;而使用電推進(jìn)，衛(wèi)星的重量將會降低到4100千克，“瘦身”效果十分明顯。目前，高比沖、微小推力的離子電推進(jìn)系統(tǒng)越來越多地被用在了執(zhí)行衛(wèi)星軌道南北位置保持、軌道維持等任務(wù)。
電推進(jìn)具有推力小、比沖高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，代表了未來推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展方向，世界各國的航天機(jī)構(gòu)都在積極進(jìn)行研發(fā)，我國更是走在了前列。
近期，由蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的LHT—100自勵磁霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)搭載實(shí)踐十七號衛(wèi)星完成在軌試驗(yàn)，標(biāo)志著該所成為國際唯一一家同時開展離子電推進(jìn)和霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)品研制及在軌飛行試驗(yàn)應(yīng)用的單位，為后續(xù)我國在新型通信衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星、科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星等衛(wèi)星上的應(yīng)用積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。
沒有推進(jìn)系統(tǒng)，衛(wèi)星將不能在太空穩(wěn)定飛行，從某種意義上說推進(jìn)系統(tǒng)就是衛(wèi)星的“翅膀”。諸如離子電推進(jìn)系統(tǒng)、霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)和微小功率及高功率電推進(jìn)系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)，如同一雙雙輕靈的“薄翼”，讓宇航探索事業(yè)展翅翱翔。
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專家稱中國航天器
即將邁入“電推進(jìn)時代”
中國首臺200毫米離子電推進(jìn)系統(tǒng)11月1日出現(xiàn)在第十一屆中國國際航空航天博覽會現(xiàn)場。專家表示，中國航天器即將邁入“電推進(jìn)時代”。
離子電推進(jìn)系統(tǒng)被形象稱為“電火箭”。相比以往航天器用燃燒化學(xué)燃料排出熾熱氣體的推進(jìn)方式，離子電推進(jìn)技術(shù)采用的是噴出帶電粒子或離子的新方式，能夠大幅減少推進(jìn)劑燃料，并且操控更靈活、定位更精準(zhǔn)、推進(jìn)速度增量更高。
中國航天科技集團(tuán)五院510所所長、電推進(jìn)項(xiàng)目總指揮張偉文說，以往航天任務(wù)中，航天器需攜帶大量燃料，不僅占用空間，還大大增加了自身重量。
他以中國目前通信衛(wèi)星主要采用的中等容量衛(wèi)星平臺為例，衛(wèi)星重量達(dá)到4.8噸，其中燃料占大部分，需要兩個1400升的貯箱來容納。但如果采用離子電推進(jìn)系統(tǒng)，可節(jié)省80%的燃料，使衛(wèi)星“瘦身”至1.8噸。
張偉文介紹，510所自主研制的200毫米離子電推進(jìn)系統(tǒng)，已具備在軌可靠穩(wěn)定運(yùn)行15年以上的能力，計(jì)劃在2017年上半年搭載發(fā)射，實(shí)現(xiàn)國內(nèi)首次電推進(jìn)系統(tǒng)在軌應(yīng)用。
綜觀當(dāng)前國際電推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用日益廣泛，比如美國完成了全電推進(jìn)平臺“波音702SP”的設(shè)計(jì)，日本“隼鳥”太空探測器和歐洲“智能1號”太空船也對電推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了空間試驗(yàn)。2015年，飛行了49億公里的美國“黎明號”探測器抵達(dá)谷神星，該探測器裝配有離子電推進(jìn)器。
離子電推進(jìn)系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星大容量、長壽命、更經(jīng)濟(jì)、更高效，也將影響深空探測活動的進(jìn)程。
張偉文說，自2014年啟動300毫米離子電推進(jìn)系統(tǒng)以來，現(xiàn)已完成工程樣機(jī)的研制，達(dá)到國際同類產(chǎn)品的技術(shù)水平，為轉(zhuǎn)入正式應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，“這款系統(tǒng)適用于深空探測主推進(jìn)任務(wù)”。
針對未來應(yīng)用，510所還已研發(fā)100毫米離子電推進(jìn)系統(tǒng)、400毫米離子電推進(jìn)系統(tǒng)和多級高功率電推進(jìn)等產(chǎn)品，可滿足近地軌道及深空探測等多個領(lǐng)域的不同需求。
