進入黃金時代的電推進技術(shù)

□ 王彬若 楊磊

2015年7月5日至10日，中國宇航學(xué)會組織代表團赴日本參加第30屆國際空間科學(xué)技術(shù)研討會、第34屆國際電推進研討會和第6屆納衛(wèi)星研討會，代表團成員為來自中國運載火箭技術(shù)研究院、中國空間技術(shù)研究院等單位的領(lǐng)導(dǎo)、專家和科技工作者。

國際空間科學(xué)技術(shù)研討會是日本主導(dǎo)的引領(lǐng)國際空間技術(shù)的大會。旨在為日本研究人員，尤其是年輕學(xué)者和學(xué)生提供參加國際交流活動的平臺，促進日本空間科學(xué)技術(shù)研究，本次會議的主題是“空間探索——促進更好的地球生活”。隨著世界空間研究活動的發(fā)展，目前該研討會議已不僅局限于日本，而是發(fā)展成為關(guān)于航天技術(shù)、航天醫(yī)藥和法律等研究領(lǐng)域的世界第二大國際性空間科學(xué)技術(shù)交流會。

國際電推進研討會是世界航天器電推進研究領(lǐng)域的技術(shù)交流論壇，為電推進技術(shù)的學(xué)者和工程師提供了世界范圍內(nèi)的交流平臺，在技術(shù)交流、信息共享方面發(fā)揮了重要的作用。

納衛(wèi)星研討會是日本東京大學(xué)組織、Hodoyoshi項目支持的學(xué)術(shù)交流活動，主要對微小衛(wèi)星的技術(shù)發(fā)展和實踐應(yīng)用情況進行交流，會議議題涵蓋了微衛(wèi)星、納衛(wèi)星和皮衛(wèi)星的各研究領(lǐng)域。

值得一提的是，今年是上述三個研討會首次聯(lián)合舉辦，吸引了多個國家和地區(qū)相關(guān)研究機構(gòu)的1000余名代表參會，盛況空前。

會上，來自德國、法國、韓國、美國、日本五國航天局的代表，分別介紹了各自國家航天項目的發(fā)展情況和成就，以及本國未來的航天重點工程項目和計劃。

德國未來宇航探索面臨的挑戰(zhàn)：建立更強大的國際空間站合作關(guān)系；在人機合作關(guān)系下如何來定義科學(xué)導(dǎo)向活動；為所有合作伙伴開拓可持續(xù)發(fā)展道路。

法國國家空間研究中心的五大空間戰(zhàn)略計劃：國家防御、太空科學(xué)、宇航產(chǎn)品對大眾的應(yīng)用、進入太空、地球環(huán)境和氣候。

韓國的太空探索活動及實現(xiàn)外層空間探索的夢想：將在10年內(nèi)完成月球軌道飛行器和登陸車，20年內(nèi)完成月球返回飛行器的樣品及火星軌道飛行器和登陸車，30年內(nèi)完成小行星返回飛行器的樣品和外層空間的任務(wù)。

美國的空間任務(wù)規(guī)劃：重點逐漸轉(zhuǎn)向火星探測，計劃于2016年再發(fā)射一顆火星軌道器，然后分別于2016年年底、2018年和2020年發(fā)射無人火星著陸器進行火星生命以及其他科學(xué)探測。

日本的太空探索活動：制定了近地軌道、載人登月以及載人火星探測等各類型的航天任務(wù)，并認(rèn)為人類未來50年航天任務(wù)的終極是實現(xiàn)載人火星探測。計劃今年12月7日發(fā)射金星氣候軌道飛行器，用于觀察金星大氣層，并與地球進行對比研究。未來太空探索創(chuàng)新的關(guān)鍵點：利用產(chǎn)業(yè)知識和技能建立一套本土化系統(tǒng)；聚集各個領(lǐng)域的工程師和科學(xué)家來協(xié)力合作；邀請海外知名研究人員在亞洲范圍內(nèi)設(shè)立一個太空探索研究中心；吸引各領(lǐng)域人才。

目前，電推進技術(shù)的空間應(yīng)用越來越廣泛。電推進系統(tǒng)可顯著增加航天器的有效載荷、延長其使用壽命、降低發(fā)射成本，可廣泛應(yīng)用于航天器的姿態(tài)控制、位置保持、阻力補償、軌道提升、修正及轉(zhuǎn)移、深空探測和星際航行等任務(wù)。在本屆國際電推進研討會上，日本、歐空局、俄羅斯、美國等國家介紹了各自在電推進技術(shù)方面的所取得的最新進展和成果。

日本都立大學(xué)的竹原教授介紹了日本電推進技術(shù)的發(fā)展。繼“隼鳥”號之后，日本宇宙探索局又開發(fā)了使用微波離子推進器的“隼鳥”2號，該探測器將進一步鞏固日本在深空探測領(lǐng)域的地位。此外，日本眾多大學(xué)也開展了各種空間電推進器的探索性研究，包括東京大學(xué)研發(fā)的離子推進器、脈沖等離子體推進器，大阪理工大學(xué)的PROITERES納星及其搭載的脈沖

用于DubaiSat-2衛(wèi)星的霍爾效應(yīng)推進器及其微波放電中和器等離子體推進器等。

歐空局的電推進部門主管Jose Gonzalez del Amo先生從通訊、導(dǎo)航等領(lǐng)域系統(tǒng)地介紹了歐空局近年來關(guān)于電推進方面的發(fā)展。重點介紹了歐洲大型通信衛(wèi)星平臺——Alphabus平臺的開發(fā)情況：研發(fā)Alphabus平臺的首要目標(biāo)是確保歐洲衛(wèi)星制造業(yè)在世界范圍提供有效載荷功率在12千瓦以上超大型通信衛(wèi)星的競爭力，平臺使用霍爾效應(yīng)推進器，這是歐洲在大型通信衛(wèi)星平臺上首次使用電推進系統(tǒng)。此外，歐空局“伽利略”導(dǎo)航系統(tǒng)的全新升級——“伽利略”2G項目計劃在2020年啟動。該項目將采用電推進系統(tǒng)來承擔(dān)衛(wèi)星從入射軌道（近地軌道或地球同步轉(zhuǎn)移軌道)轉(zhuǎn)移至目標(biāo)軌道（中地球軌道或傾斜地球同步軌道)的任務(wù)，目前備選的電推進系統(tǒng)包括離子推進器、霍爾效應(yīng)推進器等。

來自俄羅斯電推進研究的核心單位——莫斯科航空研究所的Khartov先生重點介紹了莫斯科航空研究所在電推進領(lǐng)域的研究成果。其中，在大電流等離子體推進器、靜電推進器、等離子體熱物理以及航天器發(fā)電系統(tǒng)等方面，均取得了新的突破。而如何處理發(fā)電系統(tǒng)與電推進系統(tǒng)在航天器的集成問題也是莫斯科航空研究所今后重點研發(fā)的方向。

近年來，俄羅斯的應(yīng)用力學(xué)與電動力學(xué)研究所一直致力于研制可用于同步衛(wèi)星南北位置保持的高性能脈沖等離子體推進器。Antropov教授重點介紹了APPT-95M型脈沖等離子體推進器在IONOZOND星座中的應(yīng)用。該星座包括4顆IONOSFERE衛(wèi)星和1顆ZOND衛(wèi)星，ZOND衛(wèi)星的軌道修正系統(tǒng)采用APPT-95M推進器來實現(xiàn)軌道相位的保持。相比于其他電推進器，脈沖等離子體推進器微牛級的沖量且結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)勢使其更適宜低功耗近地軌道衛(wèi)星的精準(zhǔn)姿控。

美國空間系統(tǒng)/羅拉公司的Delgado先生介紹了該公司通信衛(wèi)星電推進分系統(tǒng)的情況。該電推進分系統(tǒng)主要基于SPT-100平臺，包括4臺霍爾效應(yīng)推進器SPT-100、8個氙氣流量控制器、2個功率調(diào)節(jié)單元、2個氙氣儲箱及推進劑管理裝置。SPT-100平臺是俄羅斯法克爾設(shè)計局霍爾效應(yīng)推力器商業(yè)應(yīng)用的典范。20世紀(jì)末美國空間系統(tǒng)/羅拉公司與俄羅斯法克爾設(shè)計局等公司合作經(jīng)銷霍爾效應(yīng)推進器。法國的“宏聲”通訊衛(wèi)星和美國航宇局的“中型探測器”都將其作為輔助推進系統(tǒng)。目前，SPT-100已經(jīng)應(yīng)用在空間系統(tǒng)/羅拉公司的17顆地球同步軌道衛(wèi)星上，累計工作時間超過4萬小時。超過十年在軌運行的成功經(jīng)驗表明：SPT電推進分系統(tǒng)的在軌運行不會影響衛(wèi)星系統(tǒng)諸如太陽能電池陣列、通訊系統(tǒng)及姿態(tài)控制等的正常性能。Delgado先生還介紹了尚在建造中的15顆搭載SPT電推進分系統(tǒng)的衛(wèi)星，其中一顆衛(wèi)星將使用更大功率的SPT-140子系統(tǒng)平臺。

會議期間，代表團還參觀訪問了神戶大學(xué)綜合研究中心、理化學(xué)研究所先進科學(xué)計算研究所、空客直升機日本有限公司等機構(gòu)，并與國際宇航聯(lián)合會、日本宇宙探索局、日本宇航學(xué)會、日本火箭學(xué)會等多家航天國際組織進行了會面，在此基礎(chǔ)上建立關(guān)系并進一步推進雙方的合作。