霍爾電推進(jìn)技術(shù)促成10年后去火星

（上海空間推進(jìn)研究所電推進(jìn)事業(yè)部）

霍爾電推進(jìn)技術(shù)促成10年后去火星

Hall Electric Propulsion Technologies Help Go to Mars 10 Years Later

張敏（上海空間推進(jìn)研究所電推進(jìn)事業(yè)部）

日前，中國(guó)航天科技集團(tuán)公司五院502所研制的“磁聚焦霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)”在實(shí)踐—17衛(wèi)星上完成了全部在軌飛行驗(yàn)證工作，這是世界首套完成在軌飛行驗(yàn)證的“磁聚焦霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)”。“磁聚焦霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)”采用新一代霍爾電推進(jìn)技術(shù)，代表著國(guó)際上目前的主流發(fā)展方向，可廣泛應(yīng)用于我國(guó)新一代通信、全電推進(jìn)等衛(wèi)星平臺(tái)。相比我國(guó)目前廣泛采用的化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)，“磁聚焦霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)”技術(shù)比沖高出6倍以上，對(duì)于同樣的宇航任務(wù)，電推進(jìn)消耗的推進(jìn)劑約為化學(xué)推進(jìn)的1/6，甚至更少，可顯著提升航天器有效載荷，延長(zhǎng)航天器在軌壽命，降低航天器發(fā)射成本。

霍爾電推進(jìn)技術(shù)是采用電能來(lái)加速推進(jìn)劑從而產(chǎn)生推力，具有比沖高，壽命長(zhǎng)，效率高等顯著特點(diǎn)。這一新型推進(jìn)技術(shù)必將成為下一代空間推進(jìn)的主角，推動(dòng)人類空間技術(shù)的飛躍發(fā)展。霍爾電推進(jìn)技術(shù)在空間探測(cè)領(lǐng)域具有巨大的優(yōu)勢(shì)，未來(lái)更多的霍爾推力器產(chǎn)品將會(huì)被用于空間探測(cè)器的主推進(jìn)系統(tǒng)，為不同航天器提供源源不斷的動(dòng)力，推動(dòng)人類探索空間技術(shù)的飛速發(fā)展，屬于霍爾電推進(jìn)的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。

1 X3等離子推進(jìn)器

據(jù)報(bào)道，美國(guó)航空航天局（NASA）計(jì)劃在2025年前將人類送往小行星，在2030-2035年期間向火星運(yùn)送航天員。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，美國(guó)航空航天局正在積極進(jìn)行等離子推進(jìn)器項(xiàng)目的研發(fā)，該項(xiàng)目以較低的能源損耗，可以將航天員成功送往火星。目前密歇根州立大學(xué)NextSTEP項(xiàng)目的工程師們已經(jīng)成功研制出了X3等離子推進(jìn)器，它也是洛克·達(dá)因公司（Aerojet Rocketdyne）XR-100推進(jìn)系統(tǒng)的核心部分，該系統(tǒng)計(jì)劃在10年內(nèi)應(yīng)用于宇宙飛船。

XR-100的基礎(chǔ)是噴射式等離子體，這是一種電子和帶電原子共存的物質(zhì)形態(tài)，等離子體從推進(jìn)器尾部噴出形成推進(jìn)力量。X3等離子推進(jìn)器設(shè)計(jì)功率為200kW，體積較小，質(zhì)量較輕，具有一定優(yōu)勢(shì)。它含有的3個(gè)通道相互嵌套于同心環(huán)內(nèi)，該嵌套使等離子推進(jìn)器能夠以200kW的功率運(yùn)行，這臺(tái)推進(jìn)器的耗能僅是傳統(tǒng)化學(xué)火箭的1/108，它將成為探索火星、小行星以及太陽(yáng)系周邊空間的理想工具。

X3等離子推進(jìn)器的核心技術(shù)是霍爾電推進(jìn)技術(shù)。典型的“霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)”組成包括電推力器（產(chǎn)生推力）、推進(jìn)劑貯供系統(tǒng)（提供推進(jìn)劑）、功率處理單元（提供電能）、電推進(jìn)控制單元（用于控制）等關(guān)鍵組件。霍爾推力器作為“霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)”的關(guān)鍵組件之一，其工作原理是利用霍爾效應(yīng)原理。霍爾推力器的電子發(fā)射源是空心陰極，其發(fā)射的電子一部分進(jìn)入放電室供霍爾推力器引弧并維持放電，另一部分進(jìn)入霍爾推力器噴流以維持等離子體羽流的電中性；磁極與內(nèi)外磁線圈組成“磁路系統(tǒng)”，在放電室內(nèi)部形成徑向磁場(chǎng)；陽(yáng)極/氣體分配器上施加高電壓，形成放電室內(nèi)部軸向加速電場(chǎng)；放電室是推進(jìn)劑電離和加速的場(chǎng)所，氣體推進(jìn)劑由推進(jìn)劑輸送管路和陽(yáng)極/氣體分配器進(jìn)入放電室，并在其中完成電離和加速的過(guò)程。

X3等離子推進(jìn)器

霍爾電推進(jìn)技術(shù)工作原理

2 我國(guó)霍爾電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展歷程

20世紀(jì)60年代，在“中國(guó)航天之父”錢學(xué)森的支持下，我國(guó)開(kāi)始開(kāi)展電推進(jìn)技術(shù)研究。由于多方原因，20世紀(jì)80年代中期到90年代中期，電推進(jìn)發(fā)展基本處于停滯狀態(tài)。此時(shí)，上海空間推進(jìn)研究所面對(duì)嚴(yán)峻形勢(shì)，充分調(diào)研國(guó)外電推進(jìn)發(fā)展和應(yīng)用情況后，于1994年率先啟動(dòng)了霍爾電推進(jìn)技術(shù)研究，自主研發(fā)霍爾推力器樣機(jī)，并成功實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定點(diǎn)火。

20世紀(jì)90年代末到21世紀(jì)初，在國(guó)際電推進(jìn)系統(tǒng)正式商業(yè)應(yīng)用的大背景下，我國(guó)重新啟動(dòng)電推進(jìn)研究項(xiàng)目。1999年3月18日，原中國(guó)航天工業(yè)總公司科技局在北京召開(kāi)以任新民為組長(zhǎng)的“電火箭研究立（開(kāi)）題及技術(shù)方案論證評(píng)審會(huì)”，會(huì)議明確了霍爾電推進(jìn)技術(shù)對(duì)我國(guó)未來(lái)空間技術(shù)發(fā)展的重大意義，并決定由上海空間推進(jìn)研究所率先對(duì)霍爾電推進(jìn)技術(shù)展開(kāi)攻關(guān)并逐步實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。

“十五”期間，上海空間推進(jìn)研究所完成了“霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)”的工程化樣機(jī)的前期研發(fā)工作，為我國(guó)電推進(jìn)空間飛行試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。“十一五”期間到“十二五”初，該所成功開(kāi)展了“霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)”樣機(jī)產(chǎn)品的研制工作，并實(shí)現(xiàn)了我國(guó)電推進(jìn)空間飛行驗(yàn)證零突破。隨后國(guó)內(nèi)電推進(jìn)需求呈現(xiàn)出井噴趨勢(shì)，為我國(guó)電推進(jìn)的發(fā)展帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇。2000年后，該所突破了“霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)”的主要關(guān)鍵技術(shù)。

2012年，上海空間推進(jìn)研究所研制的HET-40霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)以實(shí)踐-9A衛(wèi)星為載體，開(kāi)展了國(guó)內(nèi)霍爾電推進(jìn)首次空間在軌飛行試驗(yàn)。實(shí)踐-9A衛(wèi)星于2012年10月發(fā)射，至2013年底，“霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)”通過(guò)一年多的在軌試驗(yàn)，完成了各項(xiàng)預(yù)定的試驗(yàn)任務(wù)，在軌標(biāo)定的技術(shù)指標(biāo)與國(guó)際同類產(chǎn)品具有同等水平。國(guó)內(nèi)首次霍爾電推進(jìn)在軌飛行試驗(yàn)的圓滿成功，對(duì)于我國(guó)霍爾電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展意義十分重大，這代表著我國(guó)的霍爾電推進(jìn)技術(shù)正式邁入工程應(yīng)用階段。

我國(guó)自主研發(fā)的霍爾推力器產(chǎn)品

上海空間推進(jìn)研究所電推進(jìn)研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)數(shù)十年的科研創(chuàng)新、攻堅(jiān)克難，目前已取得了以5kW推力器、場(chǎng)發(fā)射電推進(jìn)（FEEP）等為代表的一大批國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)甚至國(guó)際領(lǐng)先的研究成果，包括：①國(guó)內(nèi)首次開(kāi)展40mN推力器完成2500h地面長(zhǎng)壽命試驗(yàn)；②80mN推力器完成5kh地面試驗(yàn)驗(yàn)證；③2～4.5A空心陰極地面長(zhǎng)壽命試驗(yàn)突破24kh大關(guān)；④5kW推力器完成磁屏蔽、長(zhǎng)期工作熱穩(wěn)定性等重大技術(shù)突破；⑤微牛推力測(cè)量裝置完成攻關(guān)研制和試驗(yàn)；⑥國(guó)內(nèi)首次開(kāi)展超聲波電噴推進(jìn)技術(shù)和場(chǎng)發(fā)射電推進(jìn)技術(shù)研究；⑦開(kāi)展30kW級(jí)大功率霍爾推力器技術(shù)研究。

霍爾電推進(jìn)技術(shù)將應(yīng)用于火星探測(cè)

3 全電推進(jìn)引領(lǐng)電推進(jìn)創(chuàng)新發(fā)展

國(guó)際近年來(lái)新提出一種具有劃時(shí)代意義的地球靜止軌道（GEO）航天器平臺(tái)——全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)。全電推進(jìn)平臺(tái)是我國(guó)為了適應(yīng)未來(lái)通信衛(wèi)星市場(chǎng)需求，打造的新一代高承載比、高綜合性能指標(biāo)、可靈活柔性配制、支持“一箭雙星”發(fā)射的公用衛(wèi)星平臺(tái)。該平臺(tái)取消傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)，采用電推進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星轉(zhuǎn)移軌道變軌和地球靜止軌道的位置保持、姿態(tài)控制任務(wù)。與化學(xué)推進(jìn)相比，電推進(jìn)具有比沖高、效率高、省燃料、振動(dòng)小、成本低、壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用到航天器上可顯著減少推進(jìn)劑攜帶量，從而降低衛(wèi)星質(zhì)量，減少發(fā)射成本，或增加有效載荷，提高質(zhì)量增益。

全電推進(jìn)系統(tǒng)是目前世界最先進(jìn)的空間推進(jìn)技術(shù)。雖然化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)和電推進(jìn)系統(tǒng)都要消耗推進(jìn)劑，但這2種推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)劑消耗量區(qū)別很大，兩者的效率高達(dá)10倍。據(jù)悉，我國(guó)未來(lái)發(fā)射的新型通信衛(wèi)星將搭載電推進(jìn)系統(tǒng)出征太空，并在我國(guó)航天器上全面應(yīng)用。同時(shí)，我國(guó)2020年建設(shè)的空間站也將使用新型電推進(jìn)技術(shù)來(lái)進(jìn)行軌道維持，這樣每年可以減少幾十噸靠飛船天地往返運(yùn)輸?shù)娜剂稀Ｈ娡七M(jìn)系統(tǒng)平臺(tái)是在現(xiàn)有技術(shù)條件的限制下，最大限度提升航天器有效載荷承載能力的一種新型推進(jìn)方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

電推進(jìn)系統(tǒng)是一種全新的發(fā)展思路，有望進(jìn)一步激發(fā)全球衛(wèi)星制造業(yè)降低研制成本的競(jìng)爭(zhēng)，將對(duì)未來(lái)通信衛(wèi)星的制造和技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)生重要影響。該系統(tǒng)可廣泛用于地球靜止軌道衛(wèi)星位置保持和軌道轉(zhuǎn)移、空間探測(cè)器和載人深空探測(cè)的主推進(jìn)、低軌衛(wèi)星的軌道維持等。目前，電推進(jìn)系統(tǒng)的電能是由太陽(yáng)能經(jīng)轉(zhuǎn)換裝置獲得的，所以功率有限，未來(lái)希望由核能提供，從而研制出大功率的電推進(jìn)系統(tǒng)，用于打造核動(dòng)力載人火星飛船，從而大大縮短飛往火星的時(shí)間。現(xiàn)在看來(lái)，“10年后去火星”不是夢(mèng)，更不是電影畫面，成熟應(yīng)用霍爾電推進(jìn)技術(shù)，借助X3等離子推進(jìn)器也許真的可以實(shí)現(xiàn)去火星上種土豆！