肖應超

摘 要 推進系統(tǒng)是航天器的動力之源，隨著近幾十年來人類在太空探索中的不斷深入，航天器推進系統(tǒng)也在不斷完善與進步，從最早的冷氣推進到化學推進，再到電推進以及未來將會采用的核推進，推進系統(tǒng)的發(fā)展也隨著航天器任務的變化朝著質(zhì)量更輕、效率更高、比沖更大、成本更低的方向發(fā)展。電推進技術由于其更高的效率和更大的比沖，必將成為未來航天器推進系統(tǒng)的主流。本文簡述了電推進技術的發(fā)展歷史，對現(xiàn)階段的電推進系統(tǒng)的分類與特點進行了介紹，并指出了現(xiàn)階段電推進技術的發(fā)展趨勢。

關鍵詞 航天器 推進系統(tǒng) 電推進系統(tǒng)

中圖分類號：V439 文獻標識碼：A

1背景

航天技術水平作為衡量一個國家綜合國力的重要指標，成為世界大國競相發(fā)展的重要領域之一。而深空探測作為航天技術發(fā)展的重要組成部分，引起了各國的重點關注。推進系統(tǒng)是深空探測的關鍵技術之一，直接關系到探測任務能否順利完成。隨著探測任務難度的不斷增加，對推進系統(tǒng)的要求也不斷增加。工作穩(wěn)定、比沖高、功率變化范圍大等要求成為推進系統(tǒng)設計必須考慮的問題。傳統(tǒng)的化學發(fā)動機噴射工質(zhì)的速度較低，必須攜帶大量推進劑以保證完成任務，而這對于深空探測來說將會極大降低探測效率。電推進系統(tǒng)工質(zhì)的出口速率可以達到化學系統(tǒng)的十倍以上，其可以大幅增加航天器的有效載荷率，并且由于其可重復啟動、質(zhì)量輕、壽命長，再加上近年來電推進技術的不斷發(fā)展以及在深空探測器上的成功使用，電推進系統(tǒng)已經(jīng)逐漸成為深空探測的主要推進系統(tǒng)。

2電推進系統(tǒng)的發(fā)展歷史

電推進的理論開始于20世紀初期。1906年美國科學家便提出了用電能加速帶電粒子產(chǎn)生推力的思想，1911年，著名的俄國科學家齊奧爾科夫斯基也曾設想利用帶電粒子作為空間噴氣的推進劑。隨后的30、40年時間，全世界的科學家提出了多種電推力器的方案和理論，并且進行了大量的演示實驗，論證了空間電推進的可行性。從20世紀50年代末開始，電推力器進入到了工程研究階段。1958年，美國人成功運行了第一臺銫接觸式離子推力器，1960年，NASA運行了第一臺電子轟擊式離子推力器，蘇聯(lián)也于1966年試驗了第一臺靜態(tài)等離子體推力器。至今，全世界大約有200多顆地球軌道衛(wèi)星和深空探測器，使用過近500臺電推進系統(tǒng)。電推進系統(tǒng)的發(fā)展方興未艾。

3電推進技術的分類

電推進技術的種類多種多樣，目前常見的可將電推進分為四類：電熱式、電磁式、靜電式、混合式。電熱式有電阻加熱、電弧加熱、微波加熱等形式。電阻加熱是利用電阻加熱器對工質(zhì)加熱使其膨脹噴出。電弧加熱通過電弧放電加熱氣體工質(zhì)，溫度可以達到10000-20000K，其可獲得更高的能量。微波加熱是通過振蕩的電磁場加熱工質(zhì)。電磁式有脈沖等離子推進和磁等離子推進等，電磁式主要利用電能電離工質(zhì)并產(chǎn)生磁場，被電離的工質(zhì)在磁場中受到洛倫茲力而加速噴出，形成推力。靜電式有磁效應推進、離子推進等形式，其原理是利用靜電場電離工質(zhì)并加速帶電工質(zhì)。兼顧不同方式的技術，稱為混合式，典型的有霍爾效應推進，霍爾效應推進器是目前一種技術比較成熟的推進系統(tǒng)，它兼具有電磁式或靜電式的特點，帶電離子在電場中加速，而電場則是由等離子體與磁場的相互作用產(chǎn)生的。

4目前典型的電推進航天器

4.1全電推進衛(wèi)星平臺

全電推進衛(wèi)星是指星箭分離后完全依靠電推進系統(tǒng)變軌進入工作軌道，且入軌后位置的保持也采用電推進系統(tǒng)的衛(wèi)星。2012年，波音公司首次推出了全球首款全電推進衛(wèi)星平臺，拉開了全電推進衛(wèi)星平臺研制的序幕。

4.2深空探測器的應用

日本隼鳥任務的目標是探測S類近地小行星絲川并采樣返回地球，而離子電推進系統(tǒng)承擔的任務主要是巡航階段的主推進，此外，在其他的一些階段還承擔軌道偏心修正、姿態(tài)調(diào)整和位置保持等任務。美國黎明號則是一次真正意義上的利用電推進系統(tǒng)完成探測任務的航天器。在整個任務中，離子電推進系統(tǒng)提供發(fā)射后的速度增量，以滿足衛(wèi)星在行星之間的軌道轉(zhuǎn)移。

5電推進系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

從電推進理論建立到試驗的成功進行再到真正的應用，目前已經(jīng)實施或者計劃實施的采用電推進作為主推進的航天器仍然是屈指可數(shù)的，但每一個采用電推進系統(tǒng)的航天器都受到了全球各個國家的關注。在航天大國，電推進也已經(jīng)被列為21世紀關鍵的航天技術。從大推力高比沖的航天器發(fā)展方向來看，電推進必將是一個重要的研究方向。按照目前狀態(tài)來看，其發(fā)展必將經(jīng)歷小、中、大功率三個階段。kW級的小功率太陽能電推進，應用在小型探測器，在改善航天器性能以及節(jié)省工質(zhì)等方面具有優(yōu)勢。10-100kW級中功率太陽能電推進，應用于中型探測器，可以獲得更好的飛行性能，但其還處于論證階段。100kW以上級大功率太陽能或核能推進，其還處于設想階段。隨著人們對深空探測要求的不斷增強，人們對于大推力高比沖的推進系統(tǒng)要求將會更加嚴格。就目前的技術條件來看，如果說化學推進還可以替代中小功率的太陽能電推進技術，但是大推力的核電推進則是化學推進難以替代的，核電推進系統(tǒng)幾乎是實現(xiàn)大推力高比沖要求的唯一途徑，因此，電推進系統(tǒng)也必將朝著核電推進系統(tǒng)發(fā)展。

6結語

隨著空間技術的不斷發(fā)展，深空探測成為眾多航天大國重視的方向。為了完成既定的任務，需要不斷完善推進系統(tǒng)。電推進系統(tǒng)正是在這樣的背景下迅速發(fā)展起來的。從試驗到正式應用，電推進系統(tǒng)將在深空探測和星際航行中發(fā)揮其獨特的優(yōu)勢。雖然現(xiàn)階段電推進系統(tǒng)還沒有廣泛的應用到航天器上，但相信隨著各種關鍵技術的不斷發(fā)展與成熟，未來的電推進技術必將大有用武之地。

參考文獻

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[2] 鄂鵬，于達仁.航天器電推進技術研究進展及發(fā)展方向[J].深空探測研究，2007.