电推进技术现状(转)

电推进技术现状 传统的航天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。从1926年美国人戈达德(Goddard R. H.）研制成以液氧/汽油为推进剂的液体火箭发动机至今，化学推进已经有近80年的发展历史，目前其理论体系和应用技术基本成熟，发射基地和地面测控系统等配套设施健全。化学推进最突出的特点是可以提供大推力，一直以来是航天领域使用最多的推进技术，而且在可预见的将来仍是重要的航天推进技术。 喷气推进技术之父，美国科学家和工程师罗伯特-戈达德 随着人类利用和探索宇宙空间的范围和深度大大拓展，各国竞相出台新太空政策，人类又掀起了新一轮以深空探测为标志的太空探索热潮，而传统的化学推进已经无法满足未来空间探索特别是深空探测的需要。它最主要的不足是能量密度低，目前单纯依靠化学推进来提高喷气速度加速航天器的方法，已经接近了极限。由于能量密度低，利用化学推进需要携带大量的燃料。目前液体和固体火箭发动机所携带的燃料，要占到总重量的90%以上，而有效载荷只占1%~1.5%，将1千克的载荷送入轨道的费用达上万美元。同时，现在的运载工具需要有2~3级火箭持续加速才能将航天器送入轨道，这样就导致了化学推进效费比低、系统可靠性降低等。化学推进需要消耗大量燃料，且不能将航天器加速到足够的速度，这是无法满足深空探测要求的。 新型推进技术是相对传统的化学推进技术而言的，是指航天推进基本原理或能源方式不同于化学推进的非化学推进。目前，世界各国正在竞相研究各种新型推进技术，以满足未来太空探索的需要，而电推进就是目前各国开发的重点之一。 其实电推进的理论研究始于20世纪初。1906年戈达德就提出了用电能加速带电粒子产生推力的想法，之后和他的学生进行了初步的试验。1911年，俄国科学家齐奥尔科夫斯基也设想用电能获得高速运动的粒子作为火箭的动力。从1940年代中期到1950年代中期，美国和苏联科学家各自提出了多种类型的电推进器方案和理论，不但初步从理论上完善了电推进理论，还论证了电推进的可行性。由于当时受到航天器上电源的限制以及冷战期间苏美两国将更多的注意力放在了传统化学火箭发动机上，电推进并没有进入工程研制阶段，直到1955年后，美苏开始竟相研制电推进技术，使得电推进技术开始登上航天大舞台。 现代航天学和火箭理论的奠基人康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基。正是由于他的杰出贡献和影响，使苏联在世界航天事业中占有重要地位。 在人类航天历史上，有三位科学家的名字将被永远铭记，他们是：俄国的康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基（Konstantin E.Tsiolkovsky)、美国的罗伯特·戈达德（Robert Hutchings Goddard）和德国的赫尔曼·奥伯特（Hermann Oberth）。 一、电推进系统组成 电推进系统主要由三部分组成：电源处理系统（Power Processor Unit, PPU）、推进剂储存与供给系统和电推力器，其典型配置如图所示。 典型电推进系统示意图 电源处理系统调节来自太阳能电池板或者其它电源的电流，并按照要求输送到推力器和航天器上其它用电系统。由于电源处理系统在电推进系统中担当着重要的角色，其体积和质量通常比较大，也是电推进系统中比较复杂的分系统。前面提到，电推进发动机的推力一般较小，因此，在不降低电源处理系统性能的前提下，如何减小其体积和质量是摆在科研人员面前的一个重要课题。 推进剂储存于供给系统与传统的冷气推进系统及单组元推进系统相近，包括推进剂储箱、电磁阀、过滤器、和管路系统等。电推进系统的推进剂流量通常情况下较小而连续供给的时间很长，这给电磁阀的流量控制和防泄漏带来了困难，也增加了地面试验时流量测量的难度。 电推进器将电源处理系统输送过来的电能通过一定的方式转化为推进剂的动能，能量转化率以及性能是衡量某个推力器优劣的重要指标。 二、电推进分类及特点 根据电推进系统中将电能转化为推进剂动能方式的不同，大致可将电推力器分为3类：电热型、静电型和电磁型。 电推进分类及其典型推力器 电热型推进系统利用电能加热推进剂，是最早在实验室中进行研究的电推进类型，也经常通过传统的化学火箭发动机改装而来。被加热的推进剂经拉瓦尔喷管加速喷出发动机，产生推力。电热型推进器是几种电推进中比冲较小的，和传统化学火箭发动机比冲相当，但其优点是结构简单、价格便宜、安全可靠、操作和维护方便等。典型的电热型推进系统有电阻加热喷气推进器（Resistojet）和电弧加热喷气推进器（Arcjet）。

典型电热型推进系统原理图：左：电阻加热喷气推进器；右：电弧加热喷气推进器 静电型推进系统将推进剂气体原子电离为等离子体状态，再利用静电场将等离子体中的离子引出并加速，高速喷出的离子束流对推力器的作用力即为推进系统的推力，此外，有的静电型电推进系统利用静电场加速带电液滴或液态金属离子产生推力。静电型推进器特点是比冲高、结构紧凑、质量轻以及技术成熟等。典型的静电型推进系统有霍尔效应推进器（Hall Effect Thruster, HET。霍尔效应推进器还被称为稳态等离子体推力器，Stationary Plasma Thruster, SPT）和离子推进器（Ion Thruster, IT）。 典型静电型推进系统原理图：左：霍尔效应推进器；右：离子推进器 电磁型推进系统利用电场和磁场交互作用来电离和加速推进剂，产生推力。在电磁型推进系统中，推进剂离子的加速不是通过单独的电场来完成的，因此，喷出的离子束不受空间电荷的限制，即在等离子体中，通过磁作用比通过静电作用能获得更大的能量密度。电磁型推力器的特点是比冲高、技术成熟、寿命长等。典型的电磁型推进系统有脉冲等离子体推进器（Pulsed Plasma Thruster, PPT）和磁等离子体推进器（MagnetoPlasmaDynamic Thruster, MPDT）。 典型电磁型推进系统原理图 左：脉冲等离子体推进器；右：磁等离子体推进器 电推进中推进剂喷出推力器时的动能是由电源的能量也就是功率决定的，因此理论上来说，只要电源系统的功率足够大，电推进系统的比冲可以远大于传统的化学推进发动机。实际上，电源系统始终是制约电推进发展的一个关键要素，当前应用的电源系统大部分为太阳能电池板，其功率较小。几种典型电推进推进器的性能如表所示。 三、发展水平 在电推进技术的发展历程中，由于冷战时代的太空竞赛，以美国、苏联的发展最为迅速，处于世界领先水平。 电推进器的工程研究从20世纪50年代末才开始。早在1955年，苏联就已经开始试验道轨式和同轴式脉冲等离子体推进器。1958年8月，美国的福雷斯特在火箭达因公司运行了第一台铯接触式离子推进器，同年，苏联也试验了这种推进器。1960年，美国NASA的Kaufman研制了第一台电子轰击式离子推进器，因此这种推力器也被称为Kaufman推进器。同年，德国吉森大学的勒布试验了第一台射频离子推进器。苏联库哈托夫原子能研究所的莫罗佐夫教授在1966年试验了第一台SPT推进器。此后，各类电推进器的工程研究得到了迅速发展。 1955年毕业于莫斯科大学的阿列克谢-莫罗佐夫（Алексея Морозова） “关于建立等离子体电火箭发动机的可能性”的文章，从此开始了等离子推进器技术的研究，并因在SPT方面的研究而成为该领域的国际权威之一 50年代苏联科学家扎列诺夫提出的等离子源设计图 美国福雷斯特的第一台铯接触式离子推进器 早期的Kaufman推力器

从20世纪60年代开始，电推力器进入了实际应用的时代。PPT是最早应用的电推进器。1962年，苏联首次将PPT用于卫星的阻力补偿任务，此后又在其向金星发射的星际空间探测器上使用了6台PPT推进器，1968年，美国在其地球同步通讯卫星上成功地应用了PPT。当前，各航天大国及相关单位对脉冲等离子体的研究方兴未艾。一些发展中国家也与发达国家合作开展了对脉冲等离子体推力器的相关研究，如巴西和英国的科研人员对高频短脉冲PPT（High Frequency Pulsed Plasma Thruster, HFB-PPT）进行了研究和测试。 苏联用于金星探测器上的PPT推进器草图 苏联/俄罗斯研制的PPT性能参数 美国NASA研制的EO-1PPT推进器 60年代后，苏联随着SPT推进器的发明开始重点研究SPT，并取得了巨大成就，其中苏联“火炬”试验设计局（EDB“FAKEL”，注意此“火炬”不是研制生产S-300导弹的“火炬”设计局）、凯尔德什设计局、库尔恰托夫研究所及中央机械制造科学研究所（TsNIIMASH）成为苏联研制电推进器的主要单位，其中的“火炬”的成就最为显著。 俄罗斯电视台采访“火炬”设计局 该设计局位于俄罗斯处于德国、波兰中间的飞地-加里宁格勒州，成立于1955年，是苏联科学院推进实验室下属企业，1962年升级成为设计局，目前隶属俄罗斯航天局。成立50多年来一直从事电推进技术研究开发，是苏联和俄罗斯研制开发SPT实力最雄厚的单位。 设计局50周年纪念册 火炬设计局69年设计的SPT推进器 EOL-1型SPT推进器部件 EOL-2型SPT推进器部件

1971年，苏联首次将SPT应用于METEOR航天器上，用于轨道保持任务。从1977年到1997年，前苏联进行了一系列关于SPT系列推进器的地面试验和飞行测试。其中包括用于KOSMOS、LUCH、COUPON和YAMAL-100航天器上的SPT-70推进器，用于GALS和EXPRESS航天器上的SPT-100推进器，用于SESAR和YAMAL-200航天器上的SPT-100推进器地面试验等。这些SPT推力器的功率范围为0.7-2.5kW，推力在10-150mN之间。

左：SPT-25；右：SPT-35