李永，丁鳳林，周成

（北京控制工程研究所，北京 100094）

0 引 言

深空探測是航天器重要的應用領域，推進技術是制約航天器深空探測能力的重要因素。深空探測任務牽引了多種推進技術的發(fā)展，推進技術的進步也為深空探測任務的拓展提供了更多選擇。

由于深空探測在對象選擇、探測方式等方面都存在多樣性，使其對推進系統(tǒng)的要求也呈現(xiàn)出多樣化。從探測對象來看，在太陽系以內，探測范圍包括各類行星、衛(wèi)星、彗星等所有物質和現(xiàn)象，在太陽系以外，更是存在廣袤的宇宙空間。從探測方式來看，常見的方式包括環(huán)繞巡查、穿越探測、制動著陸、采樣返回等，不同的探測方式對航天器的需求以及對推進系統(tǒng)的需求有很大差異。

盡管深空探測任務存在多樣性，但對這些任務進行總結，可以提煉出該類任務對航天器推進系統(tǒng)的共性需求。

首先，要求推進系統(tǒng)具有較高的比沖。深空探測任務需要擺脫各類星體的引力，這就要求探測器具備較高的速度增量，而這個速度增量獲得的渠道有兩個：一是由行星間的借力飛行提供，另一個是由航天器自帶的推進系統(tǒng)提供。前者需要滿足諸多約束條件，且往往以更多的時間花費為代價；后者則要求推進系統(tǒng)具備較高的總沖，在發(fā)射重量受限、推進劑攜帶量受制約的情況下，總沖的提高只能依靠較高的比沖來實現(xiàn)。

其次，要求推進系統(tǒng)能夠提供合適的推力。對于需要快速軌道調整、快速制動、在探測對象上受控著陸、或者需要進行采樣后起飛返回等類型的任務，均需要航天器能夠提供足夠大的推力，來滿足上述探測任務需求，具體所需的推力大小，根據(jù)任務特點和引力情況來確定。

再次，要求推進系統(tǒng)對能源具有一定的適應能力。很多深空探測任務在整個探測周期中，航天器與太陽的距離會發(fā)生較大變化，對于依靠外界能源的推進系統(tǒng)，尤其是太陽能電推進系統(tǒng)，必須要具備適應能源變化的能力，使發(fā)動機能夠在不同的功率范圍內都能夠正常工作。

為了滿足上述需求，深空探測類航天器推進系統(tǒng)往往是由多種類型組合而成的，在不同的工作階段，采用不同的推進技術，使其能夠發(fā)揮最大的優(yōu)勢。下面對幾種典型的深空探測航天器推進系統(tǒng)的應用情況和研究進展進行介紹。

1 混合模式推進系統(tǒng)在深空探測的應用

混合模式推進系統(tǒng)是指由不同的推進形式組合而成的推進系統(tǒng)，它是深空探測任務中應用最為廣泛的推進類型。混合模式推進系統(tǒng)通常由雙組元化學推進、單組元化學推進、電推進中的兩種或三種組合而成，它能夠在不同的任務階段，采用不同類型的推進系統(tǒng)工作，充分發(fā)揮各類系統(tǒng)的優(yōu)勢。

1.1 單雙元混合推進系統(tǒng)

單雙元混合推進系統(tǒng)是深空探測領域里應用較為廣泛的推進類型，它能夠利用單組元可靠性高，雙組元推力大、比沖相對較高的優(yōu)勢，在探測器不同工作階段分別發(fā)揮作用。

“卡西尼號”（Cassini）是由美國國家航空航天局（NASA）、歐洲空間局（ESA）和意大利空間局（ASI）聯(lián)合研制的木星探測器[1]，于1997年10月發(fā)射升空，2004年7月進入木星軌道。該探測器旨在對木星及其光環(huán)、衛(wèi)星和磁場進行探測。該探測器發(fā)射重量為5.712 t，攜帶化學推進劑2.978 t，采用了兩套獨立的推進系統(tǒng)，一套是雙組元軌控推進系統(tǒng)，推進劑為甲基肼（MMH）和四氧化二氮（NTO），包括兩臺445 N推力器（1主1備）；另一套是單組元姿控推進系統(tǒng)，推進劑為無水肼（N2H4），包括8臺1 N推力器（4主4備），圖1所示為該系統(tǒng)的結構圖。

圖1 “卡西尼號”探測器推進系統(tǒng)Fig.1 Propulsion system of Cassini

采用該類型推進系統(tǒng)與此次探測任務的特點密切相關。在任務前期，按照軌道策略，采用行星借力的方式脫離地球引力，探測器在軌飛行約7年后到達木星，通過快速減速制動方式進入環(huán)木星軌道。按照這種飛行策略，前期僅需采用單組元推進系統(tǒng)進行姿態(tài)調整和軌道修正；到達木星后，再采用雙組元系統(tǒng)，通過主發(fā)動機點火實現(xiàn)快速制動工作。若采用純雙組元系統(tǒng)，需要在系統(tǒng)接通7年后才使用軌控發(fā)動機點火制動，與傳統(tǒng)的雙組元系統(tǒng)入軌后即接通并馬上進行軌控發(fā)動機點火的模式有很大變化，可能會給航天器帶來額外的風險。而前期采用落壓式單組元系統(tǒng)工作，后期在需要時才接通雙組元系統(tǒng)的工作模式會穩(wěn)妥得多。既充分發(fā)揮了單組元高可靠，雙組元推力大、性能較高的優(yōu)勢，又降低了雙組元系統(tǒng)接通后長期待機再啟動的風險。

“朱諾號”（Juno）是由美國洛馬公司研制的木星探測器，于2011年8月5日發(fā)射。該探測器在木星上空5 000 km軌道運行，探測木星是否存在水和固體內核，并研究其內部構造、大氣、極光和磁場。該探測器發(fā)射重量為3.65 t，所采用的推進系統(tǒng)是典型的由雙組元和單組元組成的混合推進系統(tǒng)，該系統(tǒng)的供給部分是一體的，整套系統(tǒng)配備兩臺635 N的雙組元發(fā)動機和12臺12 N的單組元發(fā)動機[2]。探測器在軌飛行5年后，到達木星，通過減速制動進入環(huán)木星軌道，約有80%的推進劑在制動階段消耗。該混合模式推進系統(tǒng)充分繼承了洛馬公司的優(yōu)秀傳統(tǒng)，推進劑采用NTO和N2H4，能夠兼顧雙組元和單組元的需求，且作為雙組元使用時，軌控發(fā)動機性能優(yōu)于采用NTO和MMH體系的發(fā)動機性能。該系統(tǒng)同樣是在前期采用單組元系統(tǒng)進行姿態(tài)調整和軌道修正，到達木星軌道后，再采用雙組元系統(tǒng)進行減速制動，圖2所示為“朱諾號”探測器示意圖。

圖2 “朱諾號”探測器示意圖Fig.2 View of Juno mission

1.2 電化混合推進系統(tǒng)

在深空探測航天器中，對電推進和化學推進組合的混合推進系統(tǒng)的應用非常廣泛，電推進以其高比沖的優(yōu)勢，在重量受限的情況下，能夠提供較高的總沖，而化學推進可以通過多個推力器的合理組合實現(xiàn)姿態(tài)控制，并利用其推力大的優(yōu)勢實現(xiàn)快速軌道捕獲、制動、著陸和起飛。

“智慧1號”（Smart-1）是ESA地平線2000科學計劃項目，它于2003年9月27日發(fā)射，是歐洲第一個月球探測器，發(fā)射重量380 kg，采用了電化混合推進系統(tǒng)，即單組元推進系統(tǒng)和霍爾電推進系統(tǒng)[3]。其中，單組元推進系統(tǒng)采用了8臺1 N推力器，為航天器提供姿態(tài)控制；霍爾電推進為主推進，用于緩慢變軌，實現(xiàn)環(huán)月探測，并最終實現(xiàn)了月面撞擊。圖3所示為“智慧1號”探測器示意圖。

圖3 “智慧1號”探測器示意圖Fig.3 View of Smart-1 mission

“隼鳥號”（Hayabusa）是日本宇宙航空研究開發(fā)機構（JAXA）研制的近地小行星探測器，它于2003年5月9日發(fā)射，發(fā)射重量為510 kg，采用了電化混合推進系統(tǒng)，其中，化學推進系統(tǒng)為雙組元推進系統(tǒng)，采用了12臺20 N雙組元發(fā)動機，電推進系統(tǒng)采用了微波離子發(fā)動機[4]。在進行小行星制動著陸和采樣返回時，使用推力較大的雙組元系統(tǒng)工作，在長期飛行過程中，采用電推進工作以節(jié)約推進劑。圖4所示為“隼鳥號”探測器實物圖。

“黎明號”（Dawn）是美國發(fā)射的小行星探測器，用于開展灶神星（Vesta）和谷神星（Ceres）的探測，它于2007年9月27日發(fā)射，發(fā)射重量為1 218 kg，采用了電化混合推進系統(tǒng)，其中化學推進系統(tǒng)為單組元推進系統(tǒng)，共有12臺0.9 N單組元推力器，為探測器提供姿態(tài)控制；電推進系統(tǒng)采用了3臺離子發(fā)動機，作為主動力[5]。圖5所示為“黎明號”探測器推進系統(tǒng)布局圖。

1.3 小 結

混合模式推進系統(tǒng)兼顧了雙組元大推力、單組元高可靠、電推進高比沖的優(yōu)勢，在深空探測領域中被廣泛采用。在星際間變軌、制動、著陸、起飛時采用雙組元推進系統(tǒng)提供大推力，在姿控時靠單組元提供精確沖量和小推力；星際間長期飛行時靠電推進提供高比沖。

圖4 “隼鳥號”探測器實物圖Fig.4 Hayabusa craft

圖5 “黎明號”探測器推進系統(tǒng)布局圖Fig.5 Propulsion system of Dawn

2 太陽能電推進系統(tǒng)在深空探測的應用

電推進是利用電能加熱、電離和加速推進劑形成高速射流而產生推力的推進技術，其比沖一般比化學推進高1個數(shù)量級。由于其具有比沖高的獨特優(yōu)勢，采用有限的推進劑即可獲得較高的總沖，故而在深空探測任務中，得到了廣泛應用。目前應用的電推進系統(tǒng)，通常都是由太陽能提供能源，隨著探測距離的變化，太陽能所能提供的能源大小也在不斷變化，這就要求這類電推進系統(tǒng)應具備適應能源變化的能力。

2.1 應用情況介紹

前面在電化混合推進系統(tǒng)介紹中，簡要提到了幾種電推進系統(tǒng)在深空探測應用的例子，在此針對電推進部分進一步做詳細介紹。

“智慧1號”使用的電推進系統(tǒng)是霍爾電推進系統(tǒng)，由法國Snecma公司研制，采用了一臺PPS-1350霍爾電推力器，為探測器提供軌道轉移服務。單臺電推力器的工作功率為0.4～3 kW，推力范圍為38～160 mN，比沖范圍為1 600～2 900 s。圖6所示為“智慧1號”所使用的霍爾電推力器。

圖6 “智慧1號”使用的霍爾電推力器Fig.6 Hall engine of Smart-1

“黎明號”探測器采用的電推進系統(tǒng)是離子電推進系統(tǒng)，由美國噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）研制，采用3臺30 cm直徑離子推力器進行軌道轉移，單臺功率范圍為0.4～2.3 kW，推力范圍為19～92 mN，比沖范圍為1 814～3 127 s。圖7所示為“黎明號”所使用的離子電推力器。

圖7 “黎明號”使用的離子電推力器Fig.7 Ion engine of Dawn

“隼鳥號”探測器采用的電推進系統(tǒng)是微波離子電推進系統(tǒng)，由JAXA和日本電氣公司（NEC）公司共同研制，該系統(tǒng)采用4臺微波離子推力器，單臺額定推力為8 mN，比沖為3 200 s，功率為350 W，工作模式分為4檔：100%、90%、80%、65%，可以適應太陽能功率變化的情況。圖8所示為“隼鳥號”所使用的微波離子推力器。

圖8 “隼鳥號”使用的微波離子推力器Fig.8 Microwave discharge ion engine of Hayabusa

“深空探測1號”（Deep-space1）是美國研制的深空探測器，其主要任務是對包括電推進技術在內的多項新技術進行驗證，除此之外再開展科學探測任務。該探測器于1998年10月24日發(fā)射，采用可變功率的離子推進系統(tǒng)作為主推進，離子推力器具有16級調節(jié)能力，功率范圍為0.5～2.3 kW，推力范圍為20～92 mN，比沖范圍為1 900～3 100 s。圖9所示為“深空探測1號”所使用的離子推力器[6]。

圖9 “深空探測1號”使用的離子推力器Fig.9 Ion engine of Deep space-1

2.2 小 結

電推進由于具有高比沖的突出優(yōu)勢，能極大地降低航天器燃料消耗，提高載荷的攜帶量，適合承擔深空探測主推進任務。目前深空探測應用的電推進主要依靠太陽能提供能源，離子和霍爾電推進技術應用最為廣泛，適應于不同的任務需求，各有優(yōu)勢。由于深空探測的特殊需求，太陽能電推進應能夠適應太陽帆板輸出功率變化的特點，能夠在不同功率下可靠工作。

3 空間核電推進技術在深空探測的研究進展

空間核電推進技術是將空間核電源產生的熱能轉換為電能，為大功率電推進提供能源，為航天器提供高比沖、大推力的動力，能夠使航天器擺脫對太陽能的依賴，可產生高于太陽能電推進幾個數(shù)量級的推力[7]?？臻g核電推進技術在遠距離深空探測領域具有廣泛的應用前景，目前主要航天強國均在大力開展該技術的研究工作。

3.1 空間核電推進系統(tǒng)方案研究進展

2003年，NASA開展了“普羅米修斯”研究計劃，該計劃由JPL負責，40余家美國研究機構參與，計劃研制200 kWe級空間核電推進系統(tǒng)并首先用于“木星冰覆衛(wèi)星軌道飛行器”（JIMO）探測任務。該項目已經(jīng)完成了空間核電源初步設計和部分材料研發(fā)與試驗，大功率電推力器已經(jīng)完成原理樣機的研制。圖10所示為“木星冰覆衛(wèi)星軌道飛行器”構想圖。

圖10 “木星冰覆衛(wèi)星軌道飛行器”構想圖Fig.10 Diagrammatic sketch of JIMO

2009年俄羅斯總統(tǒng)正式批準研發(fā)MWe級核電推進系統(tǒng)的航天器，其中核電推進系統(tǒng)由科爾德什研究中心和尼凱葉特研究院聯(lián)合設計，使用1個3.5 MWt熱功率的核反應堆，產生約1 MWe電功率；使用10～20個（含備份）電磁推力器，單臺的功率為50 kWe、推力約為0.8 N、比沖7 000 s。圖11所示為俄羅斯的核電推進航天器構想圖。

2015年EAS為實施其龐大的深空探測計劃，提出了DiPoP（顛覆性空間動力與推進技術）項目和MEGAHIT（兆瓦級高效空間動力系統(tǒng)）計劃。DiPoP項目重點對30 kWe星表前哨站電源系統(tǒng)和200 kWe核電推進系統(tǒng)進行研究。MEGAHIT計劃主要用于確定兆瓦級核電推進系統(tǒng)的技術路線圖。

3.2 空間核電推進核心單機研究進展

空間核電推進系統(tǒng)主要由五大子系統(tǒng)構成：空間核反應堆子系統(tǒng)、熱電轉換子系統(tǒng)、大功率空間熱排放子系統(tǒng)、電源管理與分配子系統(tǒng)和大功率電推進子系統(tǒng)，其中空間核反應堆子系統(tǒng)和大功率電推進子系統(tǒng)最為關鍵。

在空間核反應堆方面，美國先后實施了“SNAP計劃”“SP-l100計劃”“熱離子驗證計劃”“普羅米修斯計劃”和“星球表面基地裂變電源”等多個研發(fā)計劃，形成了雄厚的技術儲備。俄羅斯（含前蘇聯(lián)）開發(fā)了Romashka、BUK、Topaz-Ⅰ、Topaz-Ⅱ和兆瓦級核反應堆等電源型號，共向太空發(fā)射了37顆空間核反應堆電源[8]。表1所示為國外空間核反應堆電源研發(fā)情況列表。

在大功率電推進技術方面，存在多種技術路線，包括大功率離子、大功率霍爾、磁等離子體推力器（MPDT）、可變比沖磁等離子體推力器（VASIMR），目前來看，霍爾、離子推力器受工作原理的限制，其功率很難突破100 kW。當推力器功率大于100 kW時，國外的選擇主要有MPDT和VASIMR兩種類型，而VASIMR的技術成熟度相對較低。目前，美國、歐洲以及俄羅斯主要選擇MPDT作為未來空間大功率電推進的主推力器。2015年NASA發(fā)布的空間推進技術發(fā)展路線圖中，對未來20年內各類空間推進技術的發(fā)展情況進行了預測，其中關于大功率電推進技術的預測結果如表2所示。

圖11 俄羅斯的核電推進航天器構想圖Fig.11 Diagrammatic sketch of NEP craft in Russian

表1 國外空間核反應堆電源研發(fā)情況Table 1 List of space nuclear reactors

表2 大功率電推進技術發(fā)展預測Table 2 Development perspectives of high power electric propulsion

3.3 小 結

空間核電推進由于具有大功率、高比沖、大推力的優(yōu)勢，是人類開展遠距離大規(guī)模深空探測任務的最佳選擇，能夠實現(xiàn)太陽系內天體的快速探測，也適合未來系外天體探測。

以美俄為代表的航天強國已經(jīng)開展空間核電推進研究30余年，在核電推進系統(tǒng)設計、空間核反應堆和大功率電推進等關鍵子系統(tǒng)方面均開展了實質性研究工作，并提出了未來發(fā)展規(guī)劃。

4 帆類推進技術在深空探測的應用

空間帆推進是利用太陽光或太陽風攜帶的能量，通過與航天器的動量交換獲得推力的推進技術。按照技術分類，可以分為太陽帆、電帆、磁帆等類型。帆類推進技術能夠提供非常微小的推力，適用于推力要求低的特種深空探測任務。

4.1 太陽帆的應用

太陽帆是使用巨大的薄膜材料，將太陽光以及太陽射出的高速氣體粒子的輻射壓通過動量轉換的方式產生推力。目前日本和美國均成功發(fā)射了太陽帆探測器。

“伊卡洛斯號”（Ikaros）是由JAXA研制的太陽帆探測器，于2010年5月21日發(fā)射，是世界上首個用于深空探測的太陽帆航天器，用于開展金星探測。太陽帆為邊長14 m的正方形，厚度僅為7.5 μm，由能夠承受太空環(huán)境的聚酰亞胺制成，重量約15 kg。帆面邊緣貼了液晶元件，用于改變光壓分布，產生控制力矩[9]。該探測器的展開效果圖如圖12所示。

圖12 “伊卡洛斯號”太陽帆展開效果圖Fig.12 View of Ikaros mission

“納米帆-D”是由美國NASA研制的太陽帆航天器，于2010年11月19日發(fā)射，是首個進入地球近地軌道飛行的太陽帆航天器?！凹{米帆”衛(wèi)星是一顆小立方星，搭載在FASTSAT衛(wèi)星上發(fā)射，展開后的太陽帆面積為9.29 m2[10]。該探測器的展開效果圖如圖13所示。

圖13 “納米帆-D”太陽帆展開效果圖Fig.13 View of Nano Sail-D mission

4.2 電帆的應用

電帆是2004年芬蘭科學家Pekka Janhunen提出的。電帆利用空間帶正電導線的電場，使太陽風中的質子在電場發(fā)生偏轉，通過動量交換的方式使航天器獲得推力。由于電帆沒有固定帆面，其質量比太陽帆又有大幅降低，特別適合深空探測任務。電帆推進系統(tǒng)由展開機構、導線、電源調節(jié)模塊和電子槍4部分組成[11]。

ESTCube-1衛(wèi)星是由愛沙尼亞研制的電帆試驗立方星，2013年5月發(fā)射，運行軌道為600～800 km軌道，目的是測試地球低軌道下通過地球電離層的電帆效應。電帆長度為10 m，通過自旋展開，自旋周期為20 s，電子槍電壓為500 V。圖14為該探測器的效果圖。

圖14 ESTCube-1衛(wèi)星效果圖Fig.14 View of ESTCube-1 mission

4.3 磁帆的研究進展

磁帆由Andrews和Zubrin于1988年首次提出。磁帆是利用太陽輻射出的帶電粒子在固定磁場中偏轉，而將部分動量傳遞給航天器以獲得加速度的一種推進技術[12-13]。磁帆需要使用超導材料產生巨大的磁場，所需超導線圈的直徑極大，重量成本很高，工程應用難度大，國外的研究也只是停留在理論研究階段，技術成熟度僅為2級。

4.4 小 結

空間帆類推進技術是深空探測領域一種新型的推進技術，它自身無需攜帶推進劑，僅依靠太陽光壓或太陽風就可以獲取動能，可以得到較高的速度增量，適用于執(zhí)行特種深空探測任務。

5 總 結

對國外深空探測推進技術的應用和研究進展進行總結，可以對我國深空探測推進技術的發(fā)展和應用提供參考，具體如下：

1）深空探測由于任務的多樣性，牽引了多種推進技術的發(fā)展，其中混合推進、太陽能電推進、核電推進及帆類推進具有廣泛的應用前景。

2）混合模式推進適用于具有快速軌道轉移、快速制動、著陸和采樣返回類型的探測任務需求，是應用較多的推進類型。

3）太陽能電推進能夠用較少的推進劑產生較大的速度增量，但由于推力較小，需長時間持續(xù)加速，適用于任務周期較長的深空探測任務，且需要具備適應能源變化的能力。

4）空間核電推進具有比沖高、推力大、能源不受限制的優(yōu)點，適用于大規(guī)模深空探測任務，是未來需要重點發(fā)展的推進技術。

5）帆類推進技術屬于特種推進類型，自身無需攜帶工質，為深空探測任務提供了更多的方案選擇，可以承擔一些獨特的深空探測任務。