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電推進技術如何提升中國航天競爭力?

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2015年01月02日,由中國航天科技集團公司五院自主研制電推進系統取得重要成果,具備了確保衛星在軌可靠運行15年的能力。其實早在2012年,實踐9號A星就已經攜帶離子電推進系統升空,這也是國內第一次在衛星上使用離子電推進系統。該系統由510所自主研制,據稱基本性能和歐美國家相當。隨著電推進系統全面邁入工程應用階段,中國航天的競爭力將大幅提升。

中國以往出口通信衛星大都依賴于國家間的友好關系,少量出售給一些第三世界國家,如委內瑞拉、尼日利亞等國。這些國家對通信衛星的容量要求不高,對價格比較敏感。中國通常采取微利模式,還提供貸款,所以這些合同的商業價值不高。利潤豐厚的商業衛星市場仍然被美歐大公司壟斷。

動力系統一直是中國衛星的短板,目前國際市場上的通信衛星多數采用混合動力,即包括常規化學燃料和電推進系統。空間轉移軌道時用化學推進劑,進入靜止軌道后改用電推進保持軌道和控制姿態。電推進系統能大幅減少衛星燃料攜帶量,這樣就可以攜帶更多有效載荷,達成商業價值最大化。

傳統推進技術是利用化學能將運載器送入預定空間軌道和實現航天器在軌機動的技術,主要是指液體和固體化學推進。電推進是由太陽能或核能經轉換裝置獲得電能,利用電能加熱推進劑或電離推進劑,加速工質使其形成高速射流噴出而產生推力推進航天器飛行,常見的有離子推力器、電弧推力器和霍爾推力器(穩態等離子體推力器),特別適用于各類航天器的姿態控制、軌道修正、軌道轉移、動力補償等任務。

電推進并非什么新鮮技術。目前飛的最遠的人造航天器旅行者1號(1977年9月5日發射)在飛行過程中的軌道機動和姿態調整就是利用電推進技術實現的。1998年美國發射的深空1號則是首個以電推進為主推進系統的空間探測器。低功率(5kW以下)電推進商業化應用已經比較成熟,逐漸從輔助推進進入到衛星主推進領域。離子發動機的功率近期將提高50kW級,并與空間核電源結合,執行大型航天器的軌道維持和載人火星探測。

目前國內開展離子電推進技術研究的單位包括510所(離子推力器)、801所(霍爾推力器)、502所(霍爾推力器)、哈爾濱工業大學、西北工業大學、北京航空航天大學、國防科大、上海交大等,多數距離實際應用尚有一定距離。好消息是,510所的LIPS-200+離子電推進系統不久將應用于我國首次小行星探測航天器,完成主推進任務。未來的東方紅3B、4號、5號、7號等通訊衛星和空間站上都將使用離子電推力推進器。如果能順利達成上述目標,國產通信衛星的市場競爭力將有較大幅度提升,深空探測等項目上與發達國家的差距也將大幅縮小。

北緯40°作者賜稿 文 | 東風

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