太陽能電推技術：目標直指載人深空任務

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▲勞拉公司的第三代（300kw級）太陽能電推方案，用于大型的載人深空探索任務

化學火箭是人類進入太空的唯一途徑，但在太空中可就不一樣了，雖然火箭發動機仍然是衛星和飛船主要的動力系統，但空間太陽能電推自幾十年前蹣跚學步開始，現在已經得到了越來越廣泛的應用。太陽能電推技術蓬勃發展，空間系統公司（SSL）將其大致劃分為三代，它在商業通信衛星、深空探測器乃至空間站上都將大顯身手。

電推的由來和優勢

電推技術并不是一個新概念，1906年美國航天先驅戈達德就提出了電推發動機的想法，那時他還只是一個24歲的青年，而他親手制作的人類歷史上第一枚液體火箭，還要再過20年才會發射。盡管如此，電推發動機從概念變為現實，已經是1960年的事情，NASA劉易斯研究中心制造了第一臺實用電推發動機，1964年兩臺靜電式電推發動機發射升空，進行了第一次太空工作試驗。美國的靜電式離子推進器比沖高，早期就能做到3000秒，但結構復雜、可靠性差，而且需要高壓供電，這都制約了它的實用化。霍爾效應電推發動機結構簡單運行可靠，更早的走向實用化，但實用的霍爾電推發動機比沖較低，比如俄國的SPT-100霍爾電推發動機比沖只有1500秒左右。

太陽能電推技術有很多劣勢，它需要大面積高效率的太陽翼發電，需要高壓配電系統，需要使用高價的稀有氣體如氙作為工質，電推發動機的帶電粒子噴流不僅會造成通訊電波的衰減，羽流污染也是衛星設計需要考慮的問題。總而言之，電推發動機用起來相當麻煩。話雖如此，太陽能電推技術還是得到了越來越多的青睞，盡管它缺點不少，但它的比沖優勢實在太大了！

以我國的嫦娥一號月球探測器為例，它的發射質量為2350千克，但其中燃料就有1200千克，而有效載荷僅有8種24件，總計130千克。“嫦娥一號”使用東方紅三號衛星平臺，而使用這個平臺的通信衛星載荷重量也僅有約220千克。全化學推進的衛星平臺，一般地說燃料質量占比為55%，平臺質量36%，而載荷質量為9%左右。“嫦娥一號”使用普通化學火箭發動機，比沖僅有約300秒，而電推發動機的比沖提高了一個數量級，比如我國實踐九號A衛星就攜帶了一臺比沖3000秒的LIPS-200電推發動機，還有一臺比沖1500秒的HET-40霍爾電推發動機。

當然，電推發動機不僅有高比沖的優勢，也有小推力的劣勢，比如LIPS-200離子電推發動機的推力只有40毫牛，對比傳統的490牛化學火箭發動機，推力僅為后者的不到萬分之一！通信衛星也好，飛船探測器也罷，變軌飛行時仍會受到引力影響，變軌的一部分能量要用于克服引力，變軌時間越長能量損失越大，同樣從轉移軌道到地球同步軌道，使用化學火箭發動機需要約1800米/秒的速度增量，而用電推發動機需要的速度增量大致翻倍。對此工程師們想到一個好辦法：既然小推力的電推發動機用于變軌燃料損失太大，變軌時間又太長，那用于通信衛星南北位置保持，不就揚長避短了么？這就是第一代電/化學混合推進衛星概念，勞拉公司使用SPT-100電推進技術制造了數十顆第一代混電衛星。

不過話說回來，即使電推發動機有這樣那樣的問題，但它的比沖優勢太大，仍將衛星有效載荷提高到空前的水平！以使用俄國1.5千瓦的SPT-100霍爾電推發動機為例，混電通信衛星的化學推進劑質量比降低為45%，電推發動機工質和發動機占比4%，而載荷質量比提高到16%！考慮到通信衛星的單位質量發射成本1千克就上萬美元，有效載荷比例提高這么多，這對商業公司都是流水般的錢。正因為如此，現在商業通信衛星不使用電推系統，都不好意思標榜自己的先進性了。

▲ 嫦娥一號月球探測器

二代電推系統的應用

商業通信衛星市場的領頭羊勞拉公司不僅使用俄羅斯法克爾設計局的霍爾電推制造了第一代混電通信衛星，它還繼續引進俄羅斯更先進的霍爾電推技術，研制了使用第二代電推發動機的新一代混電衛星，衛星性能上又有很大的提高。

上文提到，電推發動機推力小會帶來能量損失，通俗的說就是克服引力做功消耗了更多燃料，那么加大推力不就可以降低損耗嗎？勞拉公司的第一代混電衛星使用10千瓦/100伏特的太陽翼，配電系統可為電推系統提供1.5千瓦/300伏特的電力供應，而SPT-100電推發動機只能達到83毫牛的平均推力和1500秒的平均比沖。現在勞拉公司使用推力更大的SPT-140電推發動機，同時又改進了太陽翼和配電系統，第二代太陽能電推系統的性能可謂今非昔比。

勞拉公司的第二代太陽能電推系統包括25千瓦/100伏特的太陽翼，功率4.5千瓦/電壓300伏特的大功率高壓配電系統，電推也升級為SPT-140發動機，這臺發動機雖然平均工作比沖約為1800秒，但推力可達0.25牛/250毫牛，推力提高3倍的同時，氙工質攜帶量也從170千克增加到500千克甚至600千克。第二代混電衛星的電推除了用于衛星南北位置保持，還可承擔部分或主要的軌道提升（EoR）工作，得益于SPT-140電推更大的功率和推力，第二代混電衛星中只有29%的重量是化學推進劑，另有6%用于太陽能電推系統，而載荷質量比達到了30%。相比傳統的全化學推進通信衛星，第二代混電衛星的載荷質量比提高了3倍還多！

霍爾電推并不是只能在一個推力下工作，通過調節輸入功率它的推力調節范圍也不小。SPT-140霍爾電推在0.3到4.5千瓦功率下，推力范圍為15到270毫牛，這帶來了更靈活的使用方式，它不僅能用于通信衛星的升軌操作和南北位置保持，也在深空探測器上得到了應用。美國未來的靈神星號探測器將探索位于小行星帶的16號小行星靈神星，它使用勞拉公司的SSL1300衛星平臺，推進系統就是SPT-140大功率霍爾電推發動機。

▲深空門戶站預定2022年發射第一個能源推進模塊（PPE）

▲美國未來的靈神星號小行星探測器，推進系統使用了SPT-140大功率霍爾電推發動機

深空任務的第三代電推系統

美國的勞拉公司使用俄羅斯的SPT系列霍爾電推，電推系統的核心技術受制于人，這有蘇聯在霍爾電推上率先突破和實用化的因素。當然美國并不怕俄羅斯人卡脖子，美國的霍爾電推已經迎頭趕上，勞拉公司應用美國技術正在研制和推銷第三代太陽能電推系統。

美國Busek公司專注衛星推進領域，研制了一系列霍爾電推發動機。2006年12月16日，使用BHT-200電推的戰術星2號小衛星發射升空，這也是美國第一臺在軌試驗的霍爾電推發動機。BHT-200作為試驗型霍爾電推性能指標很低，電推全系統凈重約8.5千克，功率約200瓦，只有約1400秒的比沖和13.5毫牛的推力，但Busek公司后續研制的BHT-4000霍爾電推發動機可就強多了，它的功率達到了4千瓦，推力可達270毫牛，該公司還完成了BHT-8000霍爾電推的研制。Busek公司授權Aerojet公司生產BHT-4000霍爾電推，用于先進極高頻（AEHF）衛星，無巧不成書，第一顆AEHF衛星的遠地點發動機就出了故障，但使用BHT-4000電推順利完成了升軌。

美國宇航局劉易斯研究中心早已改名為格倫研究中心，它也在繼續從事電推的研制工作，并研制了一系列高比沖長壽命的霍爾電推：50千瓦級別的NASA-457M V1原理樣機。這臺50千瓦功率的霍爾電推使用100安培的電流，試驗演示中達到了63%的效率，推力可達2.3牛同時比沖超過了2500秒。改進的NASA-457M V2原理樣機使用氪作為工質時，曾達到64千瓦的功率，在1100伏特電壓下獲得了4700秒的高比沖！Busek公司也在研制新一代大推力霍爾電推，更強大的BHT-20K和BHT-50K等大功率霍爾電推發動機正在研制中，其中BHT-20K電推20千瓦功率下推力可達1牛，比沖約為2700秒，BHT-50K電推功率進一步提高到50千瓦。

電推發動機的功率大幅度提高，配電和發電能力也得跟上。美國已經在軌試驗了革命性的ROSA柔性太陽能陣列，大大降低了太陽翼的體積和重量，提高了航天器的發電能力。勞拉公司正在研制的第三代太陽能電推系統，就使用了ROSA柔性太陽翼發電，實現300伏特/75千瓦的發電能力，同時配電系統的供電能力也提高到15千瓦/600伏特，發動機使用Busek公司的新一代大功率霍爾電推，單臺推力可達0.8牛比沖約為3000秒。勞拉公司提出了基于商業電推的深空探索電推構想，使用SSL1300平臺外加單側25千瓦ROSA太陽翼，整個平臺的電推功率可達到50千瓦；大型的MegaRosa太陽翼更可以達到75千瓦的單側功率，讓總功率提高到150千瓦；勞拉公司更進一步提出了300千瓦的太陽能電推系統計劃，用于行星際的貨物運輸任務。

勞拉公司的50千瓦太陽能電推系統攜帶10噸氙工質，150千瓦系統攜帶16噸氙工質，還有更大的300千瓦功率的行星際運輸航天器。勞拉公司的野心并非空穴來風，美國宇航局的小行星重定向任務（ARM）任務已經取消，但它在月球軌道深空門戶站（LOP-G）上借尸還魂。深空門戶站預定2022年發射第一個能源推進模塊（PPE），它幾乎就是ARM的衍生版，核心就是大功率太陽能電推方案。美國宇航局去年發布了PPE模塊的信息征詢書，今年將競標確定它的基本設計，盡快完成研制工作。

勞拉公司雄心勃勃地提出第三代太陽能電推系統，突出大功率的特色，目標就是競爭PPE模塊的合同。深空門戶站可不只有PPE模塊，第二階段的深空運輸器（DST）將用于載人火星探索，勞拉公司的300千瓦太陽能電推方案，瞄準的也正是這塊大蛋糕。美國宇航局只為PPE模塊分配了5.42億美元的研制預算，PPE的研制不可能片面追求高端先進，那么勞拉公司從商業通信衛星的太陽能電推系統出發，平滑過渡到PPE乃至DST的第三代太陽能電推路線圖，無疑具有不小的競爭優勢。

▲ NASA的小行星重定向（ARM）任務

▲ SPT-140霍爾電推發動機

▲ 深空運輸器（DST）

▲ 深空門戶站