國內外航空電推進技術發展現狀及趨勢

龍 丹，鄭 茜，劉 暢，尤浩琦，杜 婷，劉佩佩

(中國民航大學 天津 300300)

電推進技術是一種先進推進技術，目前已發展出混合電推進、霍爾電推進、離子電推進等多項技術，主要應用于飛行器、超低軌道衛星、深空探測器等多類航空器，其通過能源轉化的方式使電推進系統產生推力。相比于其他推進技術，電推進技術比沖高、推力小且精確可調、壽命長，可以使航天器的運轉更高速、更長期可靠，同時可克服較小的阻力，滿足新型航天任務的需求。此外，以傳統煤油為燃料的發動機在減排降噪上的潛力十分有限，電推進是一種新能源技術，在節能減排上有著較大的潛力，有利于促進當今社會的可持續發展。

電推進技術憑著技術先進、環境友好等優勢正躍居為近年來在空間推進領域發展和應用最為迅速的技術，且越來越受到社會各界的重視。

1 電推進技術的重要發展方向

近年來，隨著航空事業的迅速發展，電推進技術逐漸成為航空業的焦點。2019年巴黎航展上，多家飛機制造商、發動機制造商和機載系統制造商的專家共同強調了電推進技術發展的重要性，他們將電推進技術稱為航空業“第三時代”的重要標志。電推進技術憑借其降低運行噪音、便于操控和航行、節能環保、系統能效更高等優勢運用在航空的多個領域，本文主要介紹混合電推進、霍爾電推進和離子電推進這3項技術的發展現狀和方向。

1.1 混合電推進技術的發展

混合電推進技術就是利用渦輪發電、燃料電池、鋰電池等不同形式能源系統搭配組合，同時利用電能傳輸的便捷與控制靈活等特點使得推進系統與飛行器能夠按照需要融合設計的一種技術。按照飛行器的工作環境和方式可分為三大類：航天器、航空器、火箭和導彈。當前主要有2類飛行器采用電動機驅動：一類是采用電機螺旋槳驅動的固定翼飛機，主要用于滿足起飛重量大、航程遠的需求，以X-57麥克斯韋飛機為例，這是第一架全電動試驗飛機的早期版本；而另一類是可實現垂直起降的旋翼飛機，如直升飛機，主要用于垂直起降和實現空中懸停[1]。

1.1.1 應用于電力飛機

空客公司研發的E-Fan1.2是混合電推進運用于飛機上的典型例子，見圖1。E-Fan1.2是E-Fan1.1的升級版本，它首次亮相是在2016年的EAA AirVenture會展上，空客公司還介紹了該項目的全新混合動力推進系統是與合作伙伴西門子一起開發的。

圖1 E-Fan 1.2在EAA AirVenture 2016上首次亮相Fig.1 E-Fan 1.2 debuted at EAA AirVenture 2016

升級版的E-Fan1.2與純電動的E-Fan1.1相比在飛機駕駛艙的后部增加了一個活塞發動機，該發動機能夠提供飛機航行在最大巡航速度時平飛所需的動力，同時可為鋰離子電池充電。該飛機所加裝的活塞發動機選用的是德國的Solo2625-02i(50kW)直列雙缸水冷電噴發動機，曾獲得多家航空公司的超輕型飛機認證，重量只有24kg[2]。

升級的E-Fan1.2比E-Fan1.1的續航能力更強，E-Fan1.1先前的續航時間僅30min左右，但在加裝活塞發動機后，E-Fan1.2續航能力能夠延長至2h15min。但這個項目的研發是一個極具挑戰性的任務，同時因為各種其他因素，2020年4月，空客公司與羅羅公司已決定終止該項目。

1.1.2 應用于支線客機

混合電推進飛機與傳統的燃油飛機相比具有節能環保的優勢，在當今全球民航運輸業越來越重視綠色和環保的時代，其低噪聲、低排放的優勢對民用飛機極具吸引力。美國Zunum航空很好地將混合電推進技術運用于支線客機，是混合電推進支線客機的積極推動者。Zunum公司研發的ZA10支線客機如圖2所示。

圖2 Zunum公司ZA10支線客機Fig.2 Zunum ZA10 regional airliner

美國Zunum公司于2017年創立，是波音和捷藍(Jetblue)航空投資的初創企業，現已獲得波音HorizonX和捷藍技術投資機構的風險投資。該企業于2018年正式開展了12 座的 ZA10 支線飛機的研究。該支線飛機沒有采用傳統的內燃機引擎，而是采用電池發電機和渦輪發電機2個動力驅動引擎，可以共同驅動2個500kW的電動涵道風扇產生動力，其中飛機機載電池組提供500kW的功率，渦輪發電機系統則提供另外500kW的功率[3]。

ZA10支線飛機內部使用的發動機是賽峰集團提供的Ardiden3Z(阿蒂丹3Z)渦軸，該發動機用于驅動發電機發電。ZA10的渦輪發電機系統安裝在機體后部的2個涵道風扇中間，機載電池組則是安裝在機體、機翼和短艙中[4]。另外，Zunum公司還選取了賽峰集團的阿蒂丹3直升機推進系統作為ZA10支線飛機的動力裝置。Zunum公司之所以將ZA10飛機稱為混合電推進飛機，是因為其推進系統的模塊化設計，即電池和渦輪-發電機是2個相對獨立的模塊，它們能夠獨立工作、互不干擾。飛機的電池是可以更替的，并且能夠隨著科技的發展而不斷升級，同時飛機航程隨著電池能量密度提升有望由2020年的1126km 提高至2030年的1609km。

與此同時，Zunum公司還計劃開發一款12座級的混合動力支線客機ZA12。由于ZA12支線客機的電池重量很小，不到飛機最大起飛重量的20%，同時飛機上還攜帶了363kg的燃料供燃氣渦輪發動機使用，能夠大大增加飛機的航程[5]。和ZA10支線飛機不同的是，ZA12支線飛機的電池模塊安裝在機翼中，這樣將來可在飛機C檢時更換更先進的電池，而且Zunum公司還設想讓運營商在2次飛行之間為電池充電或更換電池，這樣可以節省停留時間。

1.2 霍爾電推進技術的發展

霍爾電推進技術主要應用于航天器的發動機上。霍爾電推進是利用電子在正交電磁場中的霍爾效應電離推進劑并通過電磁場實現離子加速的，具有工作電壓低、可靠性高、系統結構簡單、技術繼承性好、推力密度大等優勢[6]。

霍爾推力器產生的巨大推力能夠長期高效地推動飛船前進。除了可用于小行星任務之外，它也可用于火星基地建設和向太空發射貨物的任務中。

中國中間站核心艙“天和號”于2021年4月發射成功，圖3為“天和”號整體示意圖。“天和”核心艙作為中國天宮空間站的一部分，其子系統設計就是基于霍爾電推進技術。該技術不僅大幅提高了燃料使用效率，而且降低了空間站維護管理的成本[7]。

圖3 “天和”號整體示意圖Fig.3 Overall schematic diagram of Tianhe

空間站在圍繞地球運動的過程中會因為微重力和近地空間的稀薄大氣阻力產生一定的高度落差，所以為保證空間站維持在太空的一定高度，國際空間站需要消耗大量的燃料來提供動力，每年約4t，如果使用霍爾電推進技術就可將燃料消耗降低到20%左右，也就是800kg左右[8]。空間站的“天和”核心艙搭載的中功率霍爾電推進子系統是由上海空間推進研究所承制的，該型霍爾推力器不論在國內還是國際上均屬于研制較為成熟的產品。

1.3 離子電推進技格的發展

離子電推進技術是將電能和氙氣轉化為帶正電荷的高速離子流，其被施加靜電引力后，離子流加速運動，使推進器時速大幅提高，從而推動航天器高速前進。離子發動機的燃燒效率比常規化學發動機的燃燒效率提高大約10倍，因此，離子電推進技術的有效利用能顯著降低能源消耗。

離子電推進技術現已應用于多類航天器、超低軌道衛星和深空探測任務等方面。

1.3.1 應用于超低軌道衛星

重力梯度測量衛星在超低軌道飛行時，由于大氣阻尼的影響，需利用推進系統進行阻尼補償以達到無拖拽控制的目的。重力梯度衛星的無拖拽任務在目前應用較為廣泛的幾類推進系統中，離子電推進由于調節范圍寬、推力調節分辨率高、比沖高等特點，極其符合這一任務的需要，比其他推進系統更具優勢。由于普通的化學推進和冷氣推進在超低軌衛星軌道維持任務中實現的軌道精度較低、時間較短，不具有優勢。相比之下，離子電推進軌道精度高、推力調節分辨率合適、比沖較高、壽命較長，是超低軌衛星執行軌道維持任務的佳選[9]。

1.3.2 應用于深空探測器

近年來，離子推進技術成功應用于NASA深空探測器DS-1之后，又應用于“日本隼鳥號”小行星探測器深空探測任務中，圖4為日本深空探測器“隼2”。離子推進技術正顯示出越來越大的優勢，其應用越來越廣，深空探測的目標越來越細，探測范圍越來越大、越來越遠。在深空探測器的電推進執行巡航階段軌道機動任務中，離子電推進的主要任務為主推進，次要任務則包括軌道修正和姿態控制機動。

圖4 日本深空探測器“隼2”Fig.4 Japanese deep space probe Hayabusa2

近年來，我國的第一顆小行星探測旨在實現對Apophis小行星的伴飛、對Tukimit小行星的飛越探測和對1996FG3小行星的附著探測。在此類小行星探測任務中，離子推進技術展現了顯著的優勢。

2 國內外電推進技術發展對比

2.1 混合電推進

2.1.1 俄羅斯

俄羅斯在電推進飛行器基礎研究領域可謂先覺者，但在20世紀90年代初，由于蘇聯解體，其整個航空工業發展受到嚴重打擊，在電推進領域的研究也就中斷了，直到2004年才開始逐漸恢復。

2017年，莫斯科航展上展出了一架配有功率500kW的混合電推進動力裝置的飛機模型，該模型的推進系統是由燃氣渦輪帶動發電機發電，然后用發電機驅動六葉螺旋槳旋轉；2019年9月，CIAM、西伯利亞航空研究所等參與的500kW混合電推進飛機研發項目首個方案驗證機在CIAM試車臺上開展地面試驗；2019年，俄羅斯中央空氣流體動力學研究院(TsAGI)提出了輕型短距起降支線飛機分布式混合電推進的研究方案，分布式混合電推進是混合電推進領域的創新性研究，其最大優勢就是能夠極大地降低燃油系統的消耗量和排放量[10]。

2.1.2 美國

美國對于混合電推進技術的研究相比于其他國家更加深入，領先于國際水平。美國最開始接觸混合電推進技術是在N＋3的飛機概念研究中。美國航空航天局(NASA)是當前航空航天領域眾多部門的佼佼者，其先見性地提出了亞聲速綠色研究飛機計劃。

2011年，NASA在和GE公司合作制造N-3X層流飛機時采用了混合電推進系統；2014年3月，NASA德萊頓飛行研究中心建成了AirVolt電推進試驗臺，之后在和航宇公司的合作項目中又開展了一系列混合電推進系統一體化實驗臺的測試；2015年，NASA將P2006T型輕型活塞雙發飛機改進成分布式混合電推進飛機，P2006T飛機是一個傳統配置的高翼飛機，并通過了意大利最輕雙引擎飛機的認證；2017年，NASA在美國丹佛舉行的航空航天學術會議上提出了“飛馬”混合電推進支線客機的概念[11]，相比俄羅斯提前了2年，此后美國的多家航空公司也開始將混合電推進技術運用于軍用飛機、民用飛機、公務機、通用飛機等多種飛機類型之中，并加以創新和改進；2019年4月，柯林斯航空航天公司(聯合技術公司旗下)為了解決飛機推進、動力與熱管理問題，宣布投資5000萬美元建設面積2300m2的先進電力系統實驗室——“電網”，用來研究混合電推進技術；2021年8月，安飛公司開展混合電推進飛機航線試飛，使用的是EEL飛機，該飛機是一架經過改裝的塞斯納337天馬座(Cessna337 Skymaster)飛機。

2.1.3 中國

當前國內對混合動力飛機的研發主要集中在小型飛機上。沈陽航空航天大學遼寧通用航空研究院和中國科學院大連化學物理研究所合作的混合電動力有人機和無人機都已經通過試驗飛行[12]。

2020年，通航民營企業——冠一通飛啟動了新能源混合動力GAX機型的研發，該款飛機現有客運和貨運2種機型，最大航程可達5000km，起降距 離＜500m，目前擁有較好的市場應用前景。2020年4月，我國第一艘油電混合推進應急指揮船“深海01”在廣州黃埔文沖船舶有限公司順利下水，該船舶是國內首艘使用鋰電池作為混合推進動力的公務船。

2.2 霍爾電推進

2.2.1 美國

美國在霍爾電推進上的成功研究得益于俄羅斯。美國先前在霍爾電推進技術上的進展很慢，而俄羅斯則在國際上遙遙領先。早在1976年，蘇聯就將他們研究出來的霍爾電推進技術運用到了衛星上。蘇聯解體之后，美國和俄羅斯交流了霍爾電推進技術，在1992年還簽訂了引入這項技術的協議。

20世紀90年代初期，美國勞拉公司引入了霍爾推力器，并進行了研究與再開發；2008年，BPT-4000在美國的Aerojet GEO衛星上運行，在該推力器的壽命實驗中，研究人員發現了磁屏蔽技術，研究人員通過大量實驗研究將該技術成功運用于推力器研發之中；2010年8月，美國發射了一顆戰術通信衛星AEHF-1，星箭分離后遠地點推力器BT-4未能啟動，因此，采用BPT-4000的救援方案完成了軌道提升，并首次驗證了霍爾電推進轉軌的可行性。近年來，美國開展了適用于空間運輸、載人深空探測等任務的大功率霍爾推力器的研究工作，并成功研制出了50kW級的NASA-457M、NASA-457Mv2、NASA-400M推力器原理樣機。

2.2.2 中國

國內對于霍爾電推進的研究相比于其他大國其實并不算晚，1967年就開展了電推進研究工作。中國的霍爾電推進技術和美國一樣也請教了俄羅斯。 1999年美國終止同中國的航天合作計劃之后，中國和俄羅斯進行了一次技術上的交流，于是霍爾電推進技術就被帶入了中國。中國的電推進技術并不是照搬俄羅斯，而是在其基礎之上加以改進。2012年，中國研究出的霍爾電推進技術運用于搭載LIPS-200離子推力器和HET-40霍爾推力器實踐9A衛星進行空間在軌實驗，該實驗是我國首次進行的電推進技術的空間實驗驗證。在此之后，中國霍爾電推進技術的發展從基礎性預研階段正式進入空間應用階段； 2015年，80mN國產霍爾電推進器到達了國際領先水平，同時能夠滿足在軌工作長達15年的壽命要求；2017年，用來搭載實踐十八號衛星的東方紅五號平臺用了200mN功率5kW的霍爾電推進器； 2019年，搭載著實踐二十號衛星的東方紅五號平臺成功進入軌道，標志著我國已開始在航天領域使用大功率的霍爾電推進器。

就目前來看，我國霍爾電推進技術在空間站上的發展水平高于其他國家，且我國空間站利用霍爾電推進技術已經可以實現最優軌道控制，不過在研發推力器的水平上還是稍遜于美國和俄羅斯。

2.3 離子電推進

2.3.1 美國

1960年6月，世界上第一臺實用型電推進裝置——離子推進器誕生了，該離子推進器為NASA格倫研究中心成功所研制，其研制引起了電推進領域的轟動；1964年7月，NASA將2臺電子轟擊式離子推進器發射向太空，其中一臺成功工作，標志著美國在太空啟動離子推進器的起點；1965年，離子推力器在美國完成了世界上首次空間飛行試驗；1970年，SERT-2號飛行器搭載著以汞離子為工質的2臺離子推進器升空進入高達1km的極軌道，2臺離子推進器在空間環境中分別完成了較長的工作時長和多次開關；1997年8月，由美國泛美衛星公司發射的通信衛星首次使用氙離子推力器(XIPS)來進行南北位置保持，該氙離子推力器是世界上第一臺商用離子推力器；1998年，在“深空1號”的深空飛行任務中，離子推進器首次成為主力推進系統進行應用；2010年，波音公司進行了BBS-702SP平臺開發計劃，標志著全世界第一個全電推進衛星平臺的開啟，此平臺采用XIPS-25推力器徹底替代了化學推進；2013年，美國宇航局研制了先進離子推進火箭發動機，此類離子電推進技術可用于深空探索任務，這是一種太陽能電動推進器，其效率高于化學燃料火箭，更適合用于完成深空探索任務。

美國是世界上第一個研制出離子推進器的國家，同時也是離子電推進技術領域的壟斷者。在離子電推進領域，美國在全球有著極其重要的地位。美國不僅成功將其作為主力推進系統應用于深空飛行，還將其成功用于深空探測任務。美國早期的電推進技術以汞離子推進器為主，此外，氙離子推力器電子轟擊式離子推進器也應用于太空任務中，美國的離子電推進技術仍在迅猛發展中，并在世界上占據重要地位。

2.3.2 中國

1967年，中科院電工所率先針對軌道提升任務開展了電子轟擊式汞離子推力器技術研究，分別研制了6cm和12cm的試驗樣機；1986年，中國航天科技集團公司五院510所成功研制了毫米汞離子電推進系統，1988—1993年成功研制了90mm氙離子電推進系統；2015年，510所自主研制了中國首個衛星用200mm離子電推進系統(LIPS-200)，其能確保衛星在軌可靠運行15年。

目前，我國自主研制的電推進系統已在國際上達到先進水平，已經開始應用于各項工程，并且可以滿足我國通信衛星系列平臺、高軌遙感平臺和深空探測器的發展需求。經過多項技術的研究與發展，我國的離子電推進技術正一步一步得以提升，在國際上的地位也越來越重要。

3 結 語

目前，國外混合電推進、霍爾電推進與離子電推進技術發展較為成熟，縱觀我國在相關領域的發展歷史，我國努力研究發展電推進技術的道路雖困難重重，但已在這條道路上披荊斬棘并使之更好地應用于航空航天領域，故取得電推進技術在國際上較為成熟甚至領先的成果。然而目前電推進技術的發展仍存在一些難點和挑戰，如電源處理單元的多模塊組合的高電壓輸出、高電壓絕緣防護技術及多路穩流源集中設計技術的難點和離子推進器高功率化、超高比沖化、系統簡化及可靠性提升、微小推力范圍連續可調等，這些挑戰意味著今后還需在電推進技術領域開展更多的研究探索。因此，我國應借鑒國外電推進技術發展的經驗，發揮創新精神，利用技術創新發展電推進技術，堅持不懈地解決電推進技術研發過程中遇到的難題和挑戰。只有這樣，我國電推進技術才會迎來一個長期光明的未來，才會為全球電推進技術的發展提供良好的經驗借鑒，才能促進電推進領域的發展。■