电推进系统

一种不依赖化学燃烧就能产生推力的设备

电推进系统，也称电火箭发动机，是一种不依赖化学燃烧就能产生推力的设备。它的优点是不再需要使用固体或液体燃料，省去了复杂的储罐、管道、发动机燃烧室、喷管、相应冷却机构等，能大幅减少航天器的燃料携带量

系统简介

电推进系统利用太阳能转化为电能，然后电能转化为机械能。传统的化学推进系统则是通过化学反应将化学能转化为机械能。

电推进系统一般分为三个部分：电源处理单元、推进剂工质贮存与供应单元、推力器。

系统特点

电推进主要特点有：

（1）比冲高。比冲是单位质量的推进剂所产生的冲量，是评价火箭推进剂性能优劣的技术参数，量纲是km/s，也可以是s。化学推进剂的比冲一般为2-4km/s，氢氧推进剂的比冲一般为4-5.5km/s，而电推进系统中的电磁式和静电式推进剂一般为10-100km/s。

（2）寿命长。由于比冲高，效率高，省去化学系统中复杂的推进设备，可以携带更多的有效载荷或减少携带的燃料，可以延长推进系统和卫星的寿命。

（3）小推力。由于电推进能源来源于太阳能，功率有限，产生的速度大，推力小，但是可以长时间航行。推进系统引起的振动小，控制精度高。

应用

（1）静止轨道通信卫星位置保持

欧洲泰雷兹-阿莱尼亚公司在空间客车－4000C（Space Bus－4000C）卫星平台上应用SPT-100霍尔电推进系统完成南北位保任务，发射卫星数量6颗。

（2）深空探测航天器主推进任务

美国的“黎明号”小行星探测器、日本的“隼鸟号”小行星探测器。

（3）静止轨道卫星的轨道转移任务

2015年3月发射的ABS-3A和欧洲通信卫星115西B，采用XIPS-25离子电推进系统，完成全部轨道转移和位置保持。

（4）科学观测与试验航天器任务

2009年欧洲发射的“地球重力场和海洋环流探测卫星”（GOCE）应用2台T5离子电推进系统完成240km高度轨道飞行的大气阻尼精确补偿（无拖曳控制），在2年内绘制出了高精度的全球重力场分布图。

（5）其他应用及飞行试验

用于姿态控制。

分类

按照工质加速的方式，电推进一般可分为电热式、电磁式和静电式三种类型。

电热式推力器是利用电能加热工质并使其气化，经喷管膨胀加速喷出产生推力。一般可分为电阻加热式、电弧加热式和微波加热式。其中，电阻加热的原理是利用电阻加热器加热工质，常用工质为肼。

电磁式推力器是利用电能使工质形成等离子体，在外加电磁场洛伦兹力作用下加速从喷管喷出。霍尔推进系统是电磁式推进系统一种，也是当前热门的两种电推进之一。霍尔推力器的原理是将电子约束在磁场中，并利用电子电离推进剂，加速离子产生推力，并中和羽流中的离子。霍尔推力器的电离区和加速区在同一处，和离子推力器相比，技术简单但比冲低。

静电式推力器是利用电能在静电场中离解工质，形成电子和离子，并使离子在静电场作用下加速排出。静电式推力器又称离子推力器，和霍尔推力器是当前热门的两种电推进系统。离子推力器电离区和加速区分开，比冲高但技术复杂。

国内外发展

美国

1906年，戈达德提出电推进概念。

2007年发射的“黎明”号小行星探测器使用使用离子推力器作为主发动机探测灶神星和古神星。

2010年发射的“先进极高频卫星”1号最后依靠电推进完成轨道转移任务。

2015年，由美国制造的世界首批全电推进商业通信卫星成功发射，并使用离子推力器完成轨道转移和位置保持任务。

俄罗斯

1902年，齐奥尔科夫斯基提出电推进概念。

1982年，SPT-70霍尔电推进系统首次成功应用于GEOO卫星Kosmas1366东西位保任务。

欧洲

2001年发射的“阿特米斯”卫星最后依靠电推进系统进入预定轨道。

2003年欧洲发射的“灵巧”1号月球探测器使用霍尔推力器完成欧洲首次探月任务。

日本

2003年发射的“隼鸟号”小行星探测器最后使用离子推力器完成任务并返回。

中国

1978年，中国航天科技集团五院510所成功研制LIPS-80离子推力器。

2010年在东方红-3B卫星平台应用电推进完成南北位置保持。

2013年LIPS-200和HET-40电推进成功完成空间飞行试验验证。

2014年发射的实践－9A卫星离子电推进首次完成飞行试验。

2015年，中国航天科技集团五院510所成功研制200mm离子电推进系统。

2019年12月27日，中国航天科技集团五院510所自主研制的LIPS-300电推进系统，搭载实践二十号卫星由长征五号遥三火箭发射升空。LIPS-300电推进系统以其大功率、高性能、长寿命、多模式等诸多优点，向世界宣示中国电推进研制水平成功跻身国际领先行列。

2020年1月，中国航天科技集团六院801所研制的我国首款20千瓦大功率霍尔推力器成功完成点火试验，性能指标达到国际先进水平。该推力器的成功研发，实现了我国霍尔电推力器推力从毫牛级向牛级的跨越。

发展趋势

电推进系统发展趋势有以下几个方面：

（1）大功率、大推进。

（2）低功率、微小推力、宽功率范围推力持续可调。

（3）高比冲、长寿命、多模式。

推进剂

推进剂，就是电推进中的工质，按照物质形态可以分为三类。

（1）固体：聚四氟乙烯（脉冲式等离子体常用工质，推进剂利用率和推进效率低）、聚乙烯、尼龙-6、锌、锂、镉。

（2）液体：肼、氨、水、乙醇、液体汞（有毒，污染）、铯（有毒、污染）、甘油、碘化钠。

（3）气体：氮气、氢气、一氧化二氮、氩气、氙气、氪气。

但是，到现在为止，应用最广泛的推进剂是氙。

研究历史

早在1903年，俄罗斯著名科学家齐奥尔科夫斯基就发表了著名的论文《通过反作用设备实现宇宙飞行的研究》，该论文被视为现代宇宙探索事业的起点。当时的人们已经认识到，用克鲁克斯放电管可以把电子加速到很高的速度。到了1924年，他又在论文中指出：“电的力量是无限的，可以产生强有力的氦离子流，用于宇宙飞船。”科学巨匠的前瞻能力令人叹服，不过在这个问题上，齐奥尔科夫斯基慢了一步。

在大洋彼岸，还有一位火箭先驱，和齐奥尔科夫斯基相比，他是真正的科班出身，这就是美国人戈达德。1913年，戈达德制造出一台设备，可以产生“带电粒子”，并获得了专利。1917年，戈达德再次获得专利，这次他发明的东西称为“产生带电气体射流的方式方法”。此后，又有多位科学家对电火箭的原理和工程实现做了深入的研究。

电火箭发动机的主要问题是推力太小。对于航天发射来说，目前还没有它的用武之地。但作为卫星、飞船、星际探测器的姿态、轨道控制的推力器，电火箭发动机的优势无可比拟。因此，航天界也从来没有忘记电火箭发动机，一直在设法让它实用化。

1964年7月20日，电火箭终于得到了一试身手的机会，美国宇航局发射了名为“空间电火箭试验”的卫星，它被火箭发射到远地点4002公里的高度，然后启动了两台电火箭发动机。其中，第一台发动机采用了电子轰击原理产生离子流，工作了31分16秒，第二台发动机没能启动。4年之后，美国宇航局又发射了“ 空间电火箭试验-II”卫星，进入了高1000公里的极轨道。两台电火箭发动机分别累计工作了2011小时和3781小时，重新启动300次。

目前，离子推进器已经在星际航行中证明了自己的性能与可靠性。例如，2003年5月9日，日本发射了“隼鸟号”小行星探测器。“隼鸟号”在两年多的飞行期间，一直使用氙离子发动机航行，直到2005年8月28日才接近小行星。“隼鸟号”的离子发动机已经累计工作了25800小时，产生了1400米/秒的速度增量，消耗氙气22公斤。在完成采样并回航时，“隼鸟号”的几个化学燃料姿态推力器全都发生了故障，只能依靠离子发动机。

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