（中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100094）

1 引言

電推進(jìn)是一種新型航天動(dòng)力系統(tǒng)，是航天器推進(jìn)系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。它利用在軌獲取的電能高速驅(qū)動(dòng)工質(zhì)產(chǎn)生推力，相對(duì)于化學(xué)推進(jìn)具有比沖高的突出優(yōu)勢(shì)。美國(guó)、日本、俄羅斯、歐洲等國(guó)家和地區(qū)從20世紀(jì)90年代開始廣泛采用電推進(jìn)來提升其航天器性能，以增加有效載荷能力，延長(zhǎng)航天器的使用壽命，精確控制、消除指向誤差，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)模式等［1-8］。

當(dāng)前，電推進(jìn)的應(yīng)用已逐漸由地球靜止軌道（GEO）的南北位置保持向包含南北位置保持、軌道轉(zhuǎn)移等任務(wù)在內(nèi)的更深化應(yīng)用轉(zhuǎn)變［9-10］。在軌位置保持和軌道轉(zhuǎn)移對(duì)電推進(jìn)系統(tǒng)的需求重點(diǎn)不同。在軌位置保持需要在相對(duì)較小的輸入功率條件下產(chǎn)生一定的推力；軌道轉(zhuǎn)移則要求較大的推力，以縮短軌道轉(zhuǎn)移時(shí)間，軌道轉(zhuǎn)移期間有效載荷不工作，整星提供給電推進(jìn)系統(tǒng)的功率較大。多任務(wù)模式電推進(jìn)技術(shù)能較好地適應(yīng)上述任務(wù)需求，利用大功率輸出模式實(shí)現(xiàn)大推力控制，利用小功率輸出小推力，從而滿足不同階段的不同需求。此外，多任務(wù)模式電推進(jìn)技術(shù)可用于深空探測(cè)器的姿態(tài)調(diào)整，也可與其他推進(jìn)系統(tǒng)聯(lián)合作為主推進(jìn)系統(tǒng)；還可用于空間站姿態(tài)軌道控制及軌道維持任務(wù)。

本文介紹了多任務(wù)模式電推進(jìn)的特點(diǎn)及應(yīng)用，分析了相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，最后提出了發(fā)展多任務(wù)模式電推進(jìn)應(yīng)解決的關(guān)鍵技術(shù)。

2 多任務(wù)模式電推進(jìn)的發(fā)展

目前，電推進(jìn)技術(shù)比較成熟的應(yīng)用是高軌衛(wèi)星的位置保持任務(wù)。高效的在軌位置保持要采用高比沖的電推進(jìn)，其推力功率比大，能夠適應(yīng)小推力和少耗電的要求。該技術(shù)已應(yīng)用在波音公司的波音衛(wèi)星系統(tǒng)-601（BSS-601）平臺(tái)和BSS-702平臺(tái)，洛馬公司的A2100平臺(tái)，勞拉空間系統(tǒng)公司的LS3000平臺(tái)，阿斯特里姆公司的歐洲星-3000（Eurostar-3000）平臺(tái)，歐洲航天局的“阿特米斯”（Artemis）平臺(tái)，以及俄羅斯的“快訊”（Express）和Seset等通信衛(wèi)星平臺(tái)。國(guó)內(nèi)目前主要是在新平臺(tái)上開展電推進(jìn)系統(tǒng)的工程化應(yīng)用。

在兼顧軌道保持及軌道轉(zhuǎn)移等多任務(wù)需求方面，由于受到變軌時(shí)間等限制，對(duì)電推進(jìn)要求較高，從低軌到GEO的軌道轉(zhuǎn)移需求來看，在衛(wèi)星入軌質(zhì)量1500～5000kg、速度增量1900m／s、轉(zhuǎn)移周期6個(gè)月的限定條件下，需要的電推進(jìn)推力范圍為268～893mN。波音公司的BSS-702HP和BSS-702MP平臺(tái)配置兩套完全冗余的離子電推進(jìn)系統(tǒng)，在滿足南北、東西位置保持任務(wù)的同時(shí)，已具有實(shí)現(xiàn)變軌和動(dòng)量輪卸載的備份功能。洛馬公司基于A2100M 平臺(tái)研制的新一代“先進(jìn)極高頻”（AEHF）軍用通信衛(wèi)星，已率先采用5千瓦級(jí)多模式霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)，執(zhí)行發(fā)射后的部分軌道提升和在軌位置保持任務(wù)，使有效載荷的質(zhì)量提高了908kg［1］。2012年，AEHF衛(wèi)星在遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)失效的情況下，使用電推進(jìn)成功實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星救援，充分說明了多任務(wù)模式電推進(jìn)的卓越性能。另外，波音公司在BSS-702平臺(tái)的基礎(chǔ)上開發(fā)了BSS-702SP全電推進(jìn)平臺(tái)。該平臺(tái)不配置遠(yuǎn)地點(diǎn)化學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)，采用全電推進(jìn)實(shí)現(xiàn)變軌和位置保持等多種任務(wù)，有效地降低了平臺(tái)質(zhì)量，從而可提高有效載荷的質(zhì)量，或降低發(fā)射成本。阿斯特里姆公司正在開展全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)的開發(fā)，勞拉空間系統(tǒng)公司也會(huì)推出全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)。俄羅斯Fakel設(shè)計(jì)局的SPT-100霍爾推力器，目前已經(jīng)形成一系列產(chǎn)品型譜，用于軌道保持任務(wù)，新型的推力器SPT-140可以滿足軌道機(jī)動(dòng)要求。Fakel設(shè)計(jì)局還計(jì)劃實(shí)現(xiàn)大功率、大推力霍爾電推進(jìn)，用于軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)。可見，多國(guó)都在后續(xù)的航天計(jì)劃中拓展電推進(jìn)的應(yīng)用能力和水平。目前，我國(guó)的電推力器遠(yuǎn)不能滿足軌道轉(zhuǎn)移的需求，因此有必要加緊開展多任務(wù)模式電推進(jìn)技術(shù)的研究。

多任務(wù)模式電推進(jìn)系統(tǒng)基于同一套硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過改變系統(tǒng)工作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同模式的切換，一般可分為雙模式、多模式和連續(xù)可調(diào)模式三類。雙模式電推力器的代表產(chǎn)品為美國(guó)的XIPS-25 離子推力器和BPT-4000霍爾推力器［2］；多模式電推力器的代表產(chǎn)品為美國(guó)的NSTAR-30、NEXT-40離子推力器和T-140霍爾推力器，俄羅斯的D-80霍爾推力器；連續(xù)調(diào)節(jié)模式以英國(guó)Qinetiq公司的T-6離子推力器為代表。國(guó)內(nèi)的多任務(wù)模式應(yīng)用起步較晚，還處于原理樣機(jī)階段。具體多任務(wù)模式電推進(jìn)的研究情況見表1和表2。

表1 霍爾電推進(jìn)的主要性能及應(yīng)用Table 1 Main performances and applications of Hall electrical propulsion

表2 離子電推進(jìn)的主要性能及應(yīng)用Table 2 Main performances and applications of Ion electrical propulsion

3 多任務(wù)模式電推進(jìn)的特點(diǎn)及應(yīng)用

3.1 特點(diǎn)

未來衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的要求是，既要實(shí)現(xiàn)小推力、高比沖、長(zhǎng)壽命的應(yīng)用，又要滿足大推力、大功率的應(yīng)用任務(wù)。從任務(wù)角度來看，電推進(jìn)系統(tǒng)可以分為電推進(jìn)一體化獨(dú)立系統(tǒng)和混合兼容系統(tǒng)。電推進(jìn)一體化獨(dú)立系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多種任務(wù)模式的轉(zhuǎn)換及優(yōu)化組合，能夠完全支持全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)及后續(xù)新型高軌機(jī)動(dòng)衛(wèi)星平臺(tái)的轉(zhuǎn)移軌道變軌、位置保持及姿態(tài)調(diào)整等任務(wù)，即在GTO 至GEO 的轉(zhuǎn)移階段，或者特殊的機(jī)動(dòng)階段，使用大推力工作模式，在衛(wèi)星定點(diǎn)后全生命期間的位置保持任務(wù)，則使用高比沖、小推力的電推進(jìn)模式?；旌霞嫒菹到y(tǒng)是通過雙組元化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)、單組元化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)和電推進(jìn)系統(tǒng)有機(jī)集成，在優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上形成的能夠適應(yīng)復(fù)雜任務(wù)需求的先進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)［10］。混合兼容系統(tǒng)可以在面對(duì)不同的任務(wù)需求時(shí)采用最合適的推進(jìn)模式：需要大推力、大速度增量、短時(shí)間軌道轉(zhuǎn)移時(shí)，采用大推力雙組元化學(xué)推進(jìn)和大推力電推進(jìn)互為備份或聯(lián)合工作來實(shí)現(xiàn)；需要快速軌道機(jī)動(dòng)時(shí)，采用中等推力雙組元或單組元化學(xué)推進(jìn)來實(shí)現(xiàn)；需要高效率軌道提升、在軌維持或者空間巡航時(shí)，采用高比沖、小推力電推進(jìn)獨(dú)立系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

3.2 應(yīng)用

開展多任務(wù)模式電推進(jìn)技術(shù)研究，是在有限航天器功率條件下實(shí)現(xiàn)電推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用效益最大化的必然選擇。以高軌衛(wèi)星軌道抬升為例，參考BSS-702平臺(tái)和A2100M 平臺(tái)電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移策略。第一階段，使用化學(xué)推進(jìn)和電推進(jìn)聯(lián)合變軌：首先，利用化學(xué)推進(jìn)490N 發(fā)動(dòng)機(jī)使衛(wèi)星進(jìn)入GTO＋軌道（近地點(diǎn)高度在10 000～36 000km），且衛(wèi)星傾角近似為0；然后，利用電推進(jìn)使衛(wèi)星從GTO＋軌道進(jìn)入GEO。第二階段的電推進(jìn)工作又可分為：①電推進(jìn)每圈點(diǎn)火幾十分鐘到幾小時(shí)，使衛(wèi)星傾角為0并抬升近地點(diǎn)，軌道周期為24h；②電推進(jìn)連續(xù)點(diǎn)火，抬升近地點(diǎn)，降低遠(yuǎn)地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星GEO 注入。通過設(shè)置GTO＋軌道參數(shù)，可以調(diào)整化學(xué)推進(jìn)和電推進(jìn)的任務(wù)分配比例。當(dāng)GTO＋軌道與GEO 重合時(shí)，軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)將全部由電推進(jìn)完成。

軌道抬升對(duì)軌道轉(zhuǎn)移時(shí)間的要求較高，要權(quán)衡比沖和推力。質(zhì)量提升與電推進(jìn)變軌時(shí)間、電推進(jìn)比沖、電推進(jìn)推力等相關(guān)［9］，從表3可以看出，入軌質(zhì)量的增加，意味著衛(wèi)星平臺(tái)裝載有效載荷能力的提升。電推進(jìn)的推力需求達(dá)到360 mN 以上，才能更好地縮短變軌時(shí)間。此外，對(duì)于軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)，電推進(jìn)的工作功率一般應(yīng)達(dá)到9000W 以上。對(duì)于電推進(jìn)一體化獨(dú)立系統(tǒng)，推力應(yīng)為50～360mN，變軌比沖不小于1500s，效率不低于50%，功率為4～9kW；位置保持的比沖不低于3000s，效率不低于50%，功率為1.5～2kW。對(duì)于混合兼容系統(tǒng)，化學(xué)推進(jìn)的推力為490N，比沖為315s，電推進(jìn)的推力為50～270mN，比沖不低于3000s。

表3 電推進(jìn)變軌時(shí)間與入軌質(zhì)量、速度增量的關(guān)系Table 3 Time of orbit transfer with injection mass and velocity increment by using electrical propulsion

從電推進(jìn)的比沖、推力、效率、輸入功率之間的關(guān)系可知，除非輸入更大的功率來提高比沖和增加推力，否則在功率一定的情況下，要使電推力器同時(shí)獲得大推力功率比和高比沖是非常困難的。針對(duì)這一不可克服的電推進(jìn)內(nèi)在限制條件，開始研究和發(fā)展在同一電推力器上實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或更多的工作模式，以適應(yīng)大推力或高比沖的工作要求。

4 關(guān)鍵技術(shù)分析

雖然單一任務(wù)模式的電推進(jìn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了性能的穩(wěn)定和優(yōu)化，如高比沖的離子推力器和大推力的霍爾推力器，但要在同一推力器上實(shí)現(xiàn)兩個(gè)工作參數(shù)差別很大的任務(wù)模式兼容，并確保工作性能，實(shí)現(xiàn)相對(duì)較高的效率，面臨的新技術(shù)問題還很多，難度也較大，目前在國(guó)外也沒有完全解決?，F(xiàn)將多任務(wù)模式電推進(jìn)要解決的關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)如下。

4.1 電推進(jìn)系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)用技術(shù)

電推進(jìn)系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)用策略優(yōu)化，不僅涉及到任務(wù)需求分析和系統(tǒng)性能分配，還涉及到整星的功率分配、包絡(luò)限制等總體因素。通過系統(tǒng)及資源配置優(yōu)化、平臺(tái)的布局優(yōu)化等措施，實(shí)現(xiàn)電推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用集成；通過電推進(jìn)系統(tǒng)使用策略優(yōu)化分析，確定軌道機(jī)動(dòng)、小推力連續(xù)軌道轉(zhuǎn)移、在軌維持等典型任務(wù)的優(yōu)化計(jì)算模型；通過電推進(jìn)系統(tǒng)故障檢測(cè)、隔離及恢復(fù)（FDIR）技術(shù)，解決軌道轉(zhuǎn)移及在軌過程控制中必要的補(bǔ)償技術(shù)、電源及控制耦合技術(shù)等，更好地優(yōu)化電推進(jìn)的可靠性和安全性；通過電推進(jìn)羽流試驗(yàn)及仿真等途徑，解決羽流與整星相互影響的技術(shù)問題。具體包括以下幾點(diǎn)。

4.1.1 平臺(tái)的優(yōu)化技術(shù)

推力器的布局要考慮在實(shí)現(xiàn)軌道位置保持時(shí)，南北位置保持與東西位置保持的耦合盡可能小，同時(shí)，在最優(yōu)使用效率的前提下，在布局上盡量避免星載光學(xué)姿態(tài)敏感器和太陽翼等受到羽流的污染損害，并使羽流對(duì)太陽翼附加的干擾力矩盡量小。電推進(jìn)的供給系統(tǒng)則要結(jié)合現(xiàn)有化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)管路布局，進(jìn)行小型化和集成化設(shè)計(jì)；另外，供給系統(tǒng)進(jìn)行熱控時(shí)，除考慮材料本身的耐高低溫能力外，還必須同時(shí)考慮推進(jìn)劑的物理特性（在軌工作狀態(tài)下氙氣不得發(fā)生液化），而且應(yīng)保證氙氣瓶中的氙氣壓力小于氙氣瓶的最大工作壓力。同時(shí)，根據(jù)貯供流量模塊的工作特性要求，應(yīng)保證氙氣進(jìn)入小流量控制器前的溫度低于小流量控制器的控制溫度，以避免流量控制的失效。而且，在熱控過程中還應(yīng)盡量減少2個(gè)氙氣瓶質(zhì)量不均勻造成的整星質(zhì)心偏斜。

4.1.2 多任務(wù)控制策略

一方面，南北位置保持及東西位置保持任務(wù)要結(jié)合整星需求和控制能力，確定每次矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的調(diào)整時(shí)間，考慮光壓、干擾力矩等影響下的控制策略和故障模式下必要的電推進(jìn)工作參數(shù)調(diào)整策略。在控制策略方面，衛(wèi)星要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期在軌工作，對(duì)電推進(jìn)系統(tǒng)的長(zhǎng)壽命要求最高；電推進(jìn)的姿態(tài)控制策略主要是為整星控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提供姿態(tài)調(diào)整的輸入依據(jù)，即采用電推進(jìn)進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，消除電推進(jìn)工作過程中可能產(chǎn)生的干擾力矩，干擾源主要來自于離子推力器的推力矢量偏心及羽流效應(yīng)。電推進(jìn)的變軌策略研究需要通過優(yōu)化設(shè)計(jì)確定最佳變軌推力、變軌時(shí)間和推進(jìn)劑消耗量的關(guān)系，同時(shí)開展自主變軌控制策略研究，以及各種干擾影響下的小推力連續(xù)軌道轉(zhuǎn)移仿真。

另一方面，在利用電推進(jìn)實(shí)施軌道抬升中，由于電推力器的推力小，因此軌道抬升的弧段損失、軌道控制弧段的測(cè)控是否可見、變軌時(shí)間與燃料消耗的綜合評(píng)價(jià)等軌道設(shè)計(jì)問題，因每圈次電推進(jìn)變軌耗時(shí)長(zhǎng)、弧段可見性復(fù)雜而產(chǎn)生的星上自主定軌問題，以及變軌過程需要供配電、熱控、測(cè)控的系統(tǒng)協(xié)調(diào)等問題，均是多任務(wù)模式電推進(jìn)控制中必須解決的。

4.1.3 電推進(jìn)系統(tǒng)的FDIR 策略

電推進(jìn)在衛(wèi)星平臺(tái)上應(yīng)用，要解決系統(tǒng)的FDIR策略。故障檢測(cè)是通過硬件和軟件檢測(cè)，將故障相關(guān)參數(shù)和數(shù)據(jù)保存于故障歷史記錄緩存中，根據(jù)需要下傳至地面。故障隔離是通過系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)推力器的切換隔離，對(duì)貯供子系統(tǒng)支路的選擇切換，以及對(duì)電源處理單元中故障模塊的隔離防護(hù)等。故障恢復(fù)是通過最優(yōu)主備重組策略等方式，根據(jù)故障的嚴(yán)重等級(jí)制定故障恢復(fù)方法。通過系統(tǒng)層面的FDIR 設(shè)計(jì)，提高分系統(tǒng)單機(jī)相關(guān)軟件和硬件的檢測(cè)能力，更有效地隔離故障部件或?qū)⑵漭敵鲂盘?hào)在控制回路中斷開，使故障不會(huì)影響衛(wèi)星正常的控制任務(wù)；同時(shí)，通過恢復(fù)策略設(shè)計(jì)，優(yōu)化系統(tǒng)備份設(shè)計(jì)和單機(jī)的冗余設(shè)計(jì)。

4.1.4 電推進(jìn)應(yīng)用的羽流防護(hù)技術(shù)

羽流等離子體特性包括羽流中高速的氙離子、低速的交換電荷離子中的氙和鉬離子的密度及能量特性，氙原子和鉬原子等中性原子的運(yùn)動(dòng)參數(shù)特性及電子參數(shù)特性（包括電子密度、溫度特性）等。研究這些粒子的分布、電勢(shì)、能量特點(diǎn)，有助于深入研究掌握羽流等離子的分布規(guī)律，掌握等離子羽流對(duì)衛(wèi)星的影響規(guī)律，進(jìn)而能更好地評(píng)估離子推力器的工作性能，羽流等離子體環(huán)境對(duì)太陽翼的充放電影響，以及羽流濺射刻蝕及污染效應(yīng)。

4.1.5 系統(tǒng)長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)技術(shù)

長(zhǎng)壽命、高可靠技術(shù)也是保證高軌衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)。離子電推進(jìn)正是滿足高比沖、長(zhǎng)壽命需求而廣泛應(yīng)用于高軌衛(wèi)星的位置保持任務(wù)。目前，國(guó)外霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)的最長(zhǎng)驗(yàn)證壽命還不到8000h，而離子電推進(jìn)系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到35 000h。未來，多任務(wù)模式電推進(jìn)技術(shù)在變軌和南北位置保持中的工作時(shí)間更長(zhǎng)，且沒有化學(xué)推力器作為備份，要求具備長(zhǎng)壽命和高可靠性，因此要進(jìn)行電推進(jìn)系統(tǒng)的延壽設(shè)計(jì)。

4.2 多任務(wù)模式推力器技術(shù)

4.2.1 離子電推進(jìn)技術(shù)

（1）多任務(wù)模式設(shè)計(jì)。離子電推進(jìn)的大推力工作模式可以縮短衛(wèi)星的轉(zhuǎn)移周期，減少經(jīng)歷輻射帶的次數(shù)；小推力、高比沖工作模式則有利于衛(wèi)星在GEO 運(yùn)行階段最大限度地節(jié)省推進(jìn)劑消耗。對(duì)離子推進(jìn)系統(tǒng)而言，這兩種模式的比沖相對(duì)變化不大，變化主要體現(xiàn)在推力上，可通過調(diào)整電功率和流量來實(shí)現(xiàn)。雙模式設(shè)計(jì)要重點(diǎn)解決兩種模式下的效率問題和推進(jìn)劑的利用率問題。

（2）柵極組件設(shè)計(jì)。柵極磨損是影響離子推力器壽命的主要原因之一。雙核離子及截獲電子對(duì)柵極組件的濺射腐蝕影響和熱變形影響，都是導(dǎo)致柵極結(jié)構(gòu)性失效的重要因素。推力器的延壽設(shè)計(jì)要避免柵極的結(jié)構(gòu)性失效，實(shí)現(xiàn)大面積鉬柵抗震性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)，突破柵板成型、柵孔刻蝕工藝設(shè)計(jì)，以及高溫工況下柵極熱形變控制方案設(shè)計(jì)等。

（3）放電室設(shè)計(jì)。放電室設(shè)計(jì)主要是磁場(chǎng)構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括磁極布局、磁路形位的優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外，為了實(shí)現(xiàn)多任務(wù)模式工作，還要進(jìn)行工作點(diǎn)參數(shù)的匹配、優(yōu)化，其中包括減小放電損耗、提高等離子體均勻性方面的設(shè)計(jì)等。在仿真分析方面，目前要進(jìn)一步開展放電室電離穩(wěn)定性的研究，以及濺射腐蝕對(duì)壽命的影響研究。

（4）空心陰極長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)。陰極技術(shù)研究主要是對(duì)鋇鎢空心陰極和六硼化鑭陰極的應(yīng)用研究。目前，浸漬鋇鎢空心陰極的研究已經(jīng)有一定的基礎(chǔ)，但要根據(jù)新的工作條件要求進(jìn)行陰極結(jié)構(gòu)改進(jìn)，增強(qiáng)發(fā)射體抗離子的轟擊能力，以提高陰極的可靠性及壽命。六硼化鑭陰極具有發(fā)射能力適中、濺射率低、抗中毒能力強(qiáng)、能長(zhǎng)期暴露在大氣中和壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，但是其工作溫度高，會(huì)給加熱器帶來不利影響，要在工程上應(yīng)用，須進(jìn)一步通過工藝優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證來保證陰極的長(zhǎng)壽命要求。同時(shí)，還要仿真研究空心陰極內(nèi)部放電規(guī)律，掌握多種工況下陰極電子的發(fā)射規(guī)律。

4.2.2 霍爾電推進(jìn)技術(shù)

（1）多任務(wù)模式設(shè)計(jì)?；魻栯娡七M(jìn)多任務(wù)模式是在保持總功率不變的前提下，通過調(diào)整推力和比沖來實(shí)現(xiàn)的。其技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑為：通過雙極化設(shè)計(jì)分離出電離級(jí)和加速級(jí)，或者改變放電室的設(shè)計(jì)，也可以提高電源處理單元的輸出效率。從技術(shù)上來說，霍爾推進(jìn)系統(tǒng)比離子推進(jìn)系統(tǒng)更容易適應(yīng)大功率工況，未來可為10 千瓦級(jí)的衛(wèi)星提供6～7kW的功率（單臺(tái)）。

（2）磁聚焦優(yōu)化技術(shù)。磁路和磁場(chǎng)拓?fù)湓O(shè)計(jì)是推力器實(shí)現(xiàn)高性能的關(guān)鍵，要針對(duì)推力器特定工作條件下的磁場(chǎng)形狀和強(qiáng)度要求進(jìn)行優(yōu)化（包括優(yōu)化放電電壓），以更好地實(shí)現(xiàn)磁聚焦來提高效率。另外，電推力器非正常工作情況下的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)，將是電推力器設(shè)計(jì)中的又一個(gè)難題。

（3）電離分布控制技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)霍爾推力器的多任務(wù)模式輸出，就要總體設(shè)計(jì)磁場(chǎng)構(gòu)型，以達(dá)到在一定供氣流量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較小的低頻振蕩、最優(yōu)的放電電壓和磁場(chǎng)梯度。

（4）陰極技術(shù)。陰極的長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)技術(shù)是電推進(jìn)的共性問題。

（5）壁面材料優(yōu)化。磁通道材料要具有較高的二次電子發(fā)射特性，且絕緣，還應(yīng)有較強(qiáng)的抗離子濺射侵蝕能力，并在高溫下導(dǎo)電。因此，應(yīng)開展相應(yīng)的抗等離子體侵蝕性能評(píng)估及熱物理性能測(cè)試等研究。

4.3 可變功率電源轉(zhuǎn)換及控制技術(shù)

大功率電源處理單元內(nèi)部含有多路功率電源，包含高壓大功率恒壓源、大功率恒流源和脈沖點(diǎn)火電源等，結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜。因此，大功率電源需要攻關(guān)的項(xiàng)目包括：適應(yīng)大功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的反饋隔離技術(shù)，輸入輸出濾波技術(shù)，高壓絕緣處理技術(shù)，大功率電源的反饋控制技術(shù)，不同電源的合成技術(shù)，以及電源處理單元的備份等。

4.4 流量控制技術(shù)

流量控制技術(shù)的主要難點(diǎn)是微小流量控制，包括控制精度及系統(tǒng)多余物的控制?？刂凭仁芟抻诹髁靠刂破鳒囟冗b測(cè)采集精度，同時(shí)反饋控制算法受限于硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在多余物控制方面，電推進(jìn)為微小流量輸出，多余物敏感需求度高。目前執(zhí)行的潔凈度控制，對(duì)直徑小于5μm 的粒子通常不作要求，但電推進(jìn)流量控制器的毫克級(jí)流量控制，要求縫隙尺寸為2～10μm，5μm 以下的粒子有可能污染到產(chǎn)品。因此，多余物高度敏感需求就要求產(chǎn)品具有較高的過濾精度，或者通過“迷宮”設(shè)計(jì)降低流量控制器對(duì)多余物的敏感度。此外，可變流量調(diào)節(jié)技術(shù)還要解決溫度遙測(cè)采集精度和控制精度等問題。

4.5 多自由度、大角度矢量調(diào)節(jié)技術(shù)

矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的多自由度、寬范圍調(diào)整能力，是保證電推進(jìn)系統(tǒng)多任務(wù)模式工作的必要條件。目前，國(guó)際通用機(jī)構(gòu)多數(shù)以步進(jìn)電機(jī)＋諧波齒輪的傳動(dòng)方式，測(cè)角要采取旋轉(zhuǎn)變壓器或者光學(xué)編碼器提高控制精度，同時(shí)增加硬機(jī)械限位設(shè)計(jì)避免超調(diào)。電推進(jìn)應(yīng)用的矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，一般具有分辨率高、測(cè)角精度高、輸出力矩大和承載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，并且擺動(dòng)范圍可通過機(jī)械限位設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，可滿足電推進(jìn)對(duì)擺動(dòng)角度、分辨率、負(fù)載能力的需求。目前，在工程應(yīng)用上應(yīng)重點(diǎn)解決冗余輕型化設(shè)計(jì)，多任務(wù)模式需求的大范圍錐角調(diào)整能力設(shè)計(jì)（不低于90°），以及記憶合金低沖擊解鎖分離技術(shù)等。

4.6 地面測(cè)試驗(yàn)證及診斷技術(shù)

從系統(tǒng)集成、性能評(píng)估和整星兼容性三方面開展測(cè)試驗(yàn)證及診斷，進(jìn)行全面、充分的驗(yàn)證。具體的地面測(cè)試驗(yàn)證及診斷技術(shù)包括：電推進(jìn)系統(tǒng)整星試驗(yàn)技術(shù)；電推進(jìn)羽流測(cè)試及在軌診斷技術(shù)；電推進(jìn)微小流量測(cè)試與標(biāo)定技術(shù)；電推進(jìn)系統(tǒng)聯(lián)試模擬器技術(shù)；電推進(jìn)系統(tǒng)電磁兼容性測(cè)試技術(shù)；電推進(jìn)系統(tǒng)集成測(cè)試技術(shù)；電推進(jìn)地面微小推力及微小沖量測(cè)量技術(shù)；推力器放電室等離子體診斷技術(shù)；推力器推力在軌實(shí)時(shí)非接觸測(cè)量技術(shù)；電推進(jìn)系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)評(píng)價(jià)技術(shù)；系統(tǒng)壽命試驗(yàn)與預(yù)測(cè)技術(shù)。

5 結(jié)束語

電推進(jìn)系統(tǒng)在長(zhǎng)壽命GEO 衛(wèi)星上的應(yīng)用已經(jīng)成熟，而且顯示出巨大的經(jīng)濟(jì)利益，成為衡量衛(wèi)星先進(jìn)性的一個(gè)重要指標(biāo)。從高軌衛(wèi)星電推進(jìn)應(yīng)用需求出發(fā)，未來電推進(jìn)技術(shù)要突破解決多任務(wù)模式電推進(jìn)技術(shù)、小推力變軌策略、電推進(jìn)大功率電源變換和管理等關(guān)鍵技術(shù)，研究形成新型多任務(wù)模式電推進(jìn)系統(tǒng)，支持全電推進(jìn)及后續(xù)新型高軌機(jī)動(dòng)衛(wèi)星平臺(tái)的轉(zhuǎn)移軌道變軌、位置保持及姿態(tài)調(diào)整等多種任務(wù)，可為大幅提高衛(wèi)星的性能提供技術(shù)儲(chǔ)備。

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