國外電推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)劑供給技術(shù)的發(fā)展

王小永，張洪鵬，胡 竟，李興坤

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

0 引言

電推進(jìn)系統(tǒng)具有比沖高、壽命長等顯著特點(diǎn)，采用電推進(jìn)系統(tǒng)已成為提升航天器整體性能與技術(shù)水平的重要手段，美國、俄羅斯、歐洲等國外航天技術(shù)先進(jìn)國家和地區(qū)在20世紀(jì)90年代中期就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了電推進(jìn)系統(tǒng)在航天器中的商業(yè)應(yīng)用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。進(jìn)入21世紀(jì)后，電推進(jìn)在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用更是日益廣泛和深入[3-7]，推進(jìn)劑供給技術(shù)作為電推進(jìn)技術(shù)的重要組成部分也同步得到了快速發(fā)展。美國、法國等國家在傳統(tǒng)的推進(jìn)劑供給技術(shù)基礎(chǔ)上，積極開展新技術(shù)探索與研究，先后開發(fā)出了高性能電推進(jìn)系統(tǒng)所需要的多功能閥門、高精度質(zhì)量流量傳感器以及低功耗毛細(xì)管式流量控制器等新一代推進(jìn)劑供給組件產(chǎn)品，并在近幾年發(fā)射的航天型號中逐步得到了應(yīng)用，大幅提升了推進(jìn)劑供給單元的綜合性能，并由此實(shí)現(xiàn)了供給單元的小型化、輕量化及高可靠目標(biāo)。

1 推進(jìn)劑供給單元功能與性能

1.1 推進(jìn)劑供給單元功能

目前的電推進(jìn)系統(tǒng)基本上都采用高純氙氣（Xe）作為推進(jìn)劑，推進(jìn)劑供給單元通常也稱為氙氣供給單元（XFU），其主要功能是為電推進(jìn)系統(tǒng)中的電推力器提供符合流量指標(biāo)要求的高純氙氣，具體包括三個(gè)方面：（1）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)高、低壓推進(jìn)劑間的可靠隔離；（2）對貯存在氙氣瓶內(nèi)的高壓推進(jìn)劑進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)（減壓和穩(wěn)壓）；（3）對調(diào)壓后的低壓推進(jìn)劑進(jìn)行流量分配和控制。根據(jù)功能要求，電推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)劑供給單元通常由壓力隔離與調(diào)節(jié)模塊（簡稱“調(diào)壓模塊”）和流量分配與控制模塊（簡稱“流量控制模塊”）兩部分組成，不包含推進(jìn)劑貯存容器（氙氣瓶或氙貯箱）。調(diào)壓模塊主要用于對貯存在氣瓶中的高壓推進(jìn)劑進(jìn)行減壓和穩(wěn)壓，以保證流量控制模塊的入口壓力滿足要求，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)航天器發(fā)射階段和在軌非工作期間電推進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)高、低壓推進(jìn)劑間的可靠隔離；流量控制模塊的主要功能是按照下游電推力器的工作需求進(jìn)行推進(jìn)劑分配，并對各路推進(jìn)劑流量進(jìn)行準(zhǔn)確控制，保證輸入電推力器中的各路推進(jìn)劑流量滿足工作要求[8]。目前，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)航天應(yīng)用的電推進(jìn)系統(tǒng)主要有離子型和霍爾型兩大類，離子推力器共需要三路推進(jìn)劑輸入，分別為陽極、陰極和中和器，霍爾推力器需要兩路推進(jìn)劑輸入，分別為陽極和陰極。

1.2 推進(jìn)劑供給單元性能要求

電推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)劑供給單元具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：

（1）高調(diào)壓比與高壓力輸出穩(wěn)定度

為了提高貯存效率，空間電推進(jìn)系統(tǒng)中的推進(jìn)劑（高純Xe）一般都采用超臨界高壓方式儲(chǔ)存，初始貯存壓力為15 MPa左右，而推進(jìn)劑供給單元中流量控制模塊的入口壓力較低，通常為0.3 MPa左右，這就要求調(diào)壓模塊應(yīng)具有很高的調(diào)壓比（輸入壓力與輸出壓力之比），通常為50∶1左右，最高甚至達(dá)到或超過100∶1，壓力輸出穩(wěn)定度要求也很高，通常為±2%左右，以確保流量控制模塊的流量控制精度滿足任務(wù)要求。

（2）高精度、微流量控制和寬范圍快速可調(diào)

離子與霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)劑流量很小，通常從0.1~20 mg/s不等，即使將來的百千瓦級高功率電推進(jìn)也不過100 mg/s左右，控制精度一般在±3%~±5%之間；某些高穩(wěn)定推力領(lǐng)域?qū)刂凭鹊囊蟾撸氝_(dá)到±1%左右；無拖曳飛行要求推進(jìn)劑流量在較寬范圍內(nèi)能夠高精度快速可調(diào)。

（3）連續(xù)工作時(shí)間長

推進(jìn)劑供給單元的單次工作時(shí)長由電推進(jìn)系統(tǒng)的單次工作時(shí)間決定。任務(wù)性質(zhì)不同，電推進(jìn)系統(tǒng)單次工作時(shí)間不同，新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星上的電推進(jìn)系統(tǒng)單次工作時(shí)間通常從幾分鐘到幾十分鐘，最長為數(shù)小時(shí)；GEO長壽命衛(wèi)星上承擔(dān)在軌位保任務(wù)的電推進(jìn)系統(tǒng)單次工作時(shí)間一般為1 h左右，軌道轉(zhuǎn)移所對應(yīng)的單次工作時(shí)間通常在數(shù)小時(shí)到數(shù)十小時(shí)，甚至上百小時(shí)之間；用于深空探測主推進(jìn)的電推進(jìn)系統(tǒng)單次工作時(shí)間更長，如美國深空一號（DS-1）上作為主推進(jìn)的NSTAR-30cm離子電推進(jìn)系統(tǒng)最長一次連續(xù)工作時(shí)間達(dá)到了335 h。

（4）開、關(guān)工作壽命長

推進(jìn)劑供給單元必須具有與電推進(jìn)系統(tǒng)相同甚至更長（如壓力調(diào)節(jié)閥等部件）的開、關(guān)工作壽命。電推進(jìn)系統(tǒng)開、關(guān)工作壽命與其所承擔(dān)的任務(wù)性質(zhì)有關(guān)，用于執(zhí)行近地小行星探測使命的電推進(jìn)系統(tǒng)的開、關(guān)工作次數(shù)須達(dá)到10 000次；長壽命航天器，如應(yīng)用最為廣泛的GEO長壽命通信衛(wèi)星平臺電推進(jìn)系統(tǒng)的開、關(guān)工作壽命設(shè)計(jì)值通常為6 000~12 000次。

2 國外推進(jìn)劑供給技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 傳統(tǒng)推進(jìn)劑供給技術(shù)

電推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)劑供給技術(shù)包括推進(jìn)劑高-低壓隔離技術(shù)、壓力調(diào)節(jié)（包括減壓與穩(wěn)壓）技術(shù)和微流量控制技術(shù)三個(gè)方面。

在航天器發(fā)射階段及電推進(jìn)系統(tǒng)非工作狀態(tài)下，推進(jìn)劑貯存容器內(nèi)的高壓推進(jìn)劑與供給單元中的低壓推進(jìn)劑之間是否可靠隔離，直接關(guān)系著推進(jìn)劑供給單元的結(jié)構(gòu)安全性。在國外已實(shí)現(xiàn)飛行應(yīng)用的電推進(jìn)系統(tǒng)中，推進(jìn)劑高、低壓隔離主要采用長閉電爆閥與自鎖閥串聯(lián)的技術(shù)方案，長閉電爆閥閉鎖可靠性高，主要負(fù)責(zé)航天器發(fā)射階段嚴(yán)酷力學(xué)環(huán)境下的高低、壓隔離，自鎖閥則承擔(dān)航天器在軌階段電推進(jìn)非工作狀態(tài)下的高、低壓隔離任務(wù)；也有單獨(dú)使用自鎖閥或電磁閥實(shí)現(xiàn)壓力隔離功能的，如美國在DS-1和DWAN上使用NSTAR-30cm離子電推進(jìn)系統(tǒng)和歐洲ARTEMIS衛(wèi)星與GOCE衛(wèi)星離子電推進(jìn)系統(tǒng)等，但這對閥門的工作可靠性，尤其是關(guān)閉可靠性提出了很高的要求。壓力調(diào)節(jié)主要有機(jī)械調(diào)壓、電子調(diào)壓（Bang-Bang調(diào)壓）以及機(jī)械與電子組合調(diào)壓三種方案，美國、歐州以機(jī)械調(diào)壓或電子調(diào)壓方案為主，俄羅斯普遍采用機(jī)械與電子相組合的調(diào)壓方式。為了提高工作可靠性，壓力隔離與調(diào)壓模塊通常采用主、備支路的冗余設(shè)計(jì)。在流量控制方案中，美國和歐洲主要采用熱節(jié)流器技術(shù)，這種技術(shù)具有很好的調(diào)節(jié)靈活性，通過對壓力與溫度進(jìn)行調(diào)整即可獲得所需要的推進(jìn)劑流量，特別適合于多工作模式或多點(diǎn)工作狀態(tài)的航天任務(wù)；俄羅斯主要采用標(biāo)準(zhǔn)孔板結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，但這種結(jié)構(gòu)的流量控制器裝配前必須進(jìn)行嚴(yán)格、精確的流量標(biāo)定[8]。

分析國外近三十年來已空間應(yīng)用的電推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)劑供給單元技術(shù)方案可以發(fā)現(xiàn)，推進(jìn)劑供給技術(shù)的發(fā)展很大程度上依賴或取決于閥門、傳感器和流量控制器等推進(jìn)劑管理組件研制及其集成技術(shù)的發(fā)展。隨著閥門研制技術(shù)水平，特別是閥門長期工作可靠性的不斷提高，利用電爆閥承擔(dān)或完成貯供單元高、低壓隔離功能的技術(shù)方案已基本上被淘汰，采用高可靠自鎖閥、電磁閥即可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)可靠的壓力隔離。壓力調(diào)節(jié)更多地采用電子調(diào)壓取代應(yīng)用初期質(zhì)量較大的機(jī)械調(diào)壓或機(jī)械與電子組合調(diào)壓。

2.2 新一代高性能推進(jìn)劑管理組件技術(shù)

經(jīng)過多年的技術(shù)發(fā)展與工程研制，國外已成功開發(fā)出了多功能閥門、高精度流量傳感器以及新一代低壓毛細(xì)管流量控制器等高性能推進(jìn)劑管理組件。

（1）新一代高性能多功能閥門技術(shù)

眾所周知，閥門是電推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)劑貯供單元的核心部件。近年來，隨著閥門技術(shù)的日益完善與成熟，電推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)劑供給技術(shù)也出現(xiàn)了一些新變化，傳統(tǒng)的技術(shù)方案正在被新的推進(jìn)劑管理技術(shù)方案取代。集推進(jìn)劑高-低壓隔離、壓力調(diào)節(jié)與流量控制三種功能為一體的多功能閥在國外已經(jīng)研制成功，并達(dá)到工程應(yīng)用水平。其中以美國Moog（穆格）公司和法國阿爾卡特-阿列尼亞（Alcatel Alenia）公司研制的比例閥最具代表性，采用這種閥門不僅可以極大地簡化推進(jìn)劑供給單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還能夠有效地克服電子調(diào)壓精度低、響應(yīng)慢以及對“Bang-Bang”電磁閥開關(guān)工作壽命要求高的缺點(diǎn)，工作時(shí)不需要其他閥門和增壓容器配合，不存在附加質(zhì)量，可減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

美國Moog公司的比例流量控制閥（Proportional Flow Control Valve，簡稱PFCV）基于磁致伸縮原理，是一種常閉比例電磁閥，通過改變閥門線圈中的輸入電流，閥門中銜鐵組件的行程即會(huì)按比例變化，從而提供所要求的推進(jìn)劑壓力或流量；PFCV下游的反饋元件一般是壓力傳感器、流量傳感器或來自于電推力器的束電流，是推進(jìn)劑供給單元的“心臟”；PFCV具有多重功能，既能調(diào)節(jié)壓力或流量，又能夠在很寬的壓力范圍內(nèi)提供可靠的壓力隔離。Moog公司的PFCV具有無滑動(dòng)配合、懸置式銜鐵、S彈簧導(dǎo)向等特點(diǎn)，使用Vespel密封，也可以在入口或出口安裝過濾器[9-10]。

利用Moog公司的PFCV可以實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑隔離、壓力和流量控制三種功能。將PFCV與一臺比例/集成控制器和下游的壓力傳感器配合，通過閉環(huán)控制可完成壓力調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后的壓力再傳輸?shù)较掠蔚墓潭ńY(jié)構(gòu)流量控制器。通過改變壓力可以改變流量，這種特性對于任務(wù)變化或在將來具有不同壓力調(diào)節(jié)要求的飛行任務(wù)中能夠提供更大的靈活性。經(jīng)驗(yàn)證，以Moog公司PFCV作為200 W霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)模塊，具有一次將15.2 MPa的入口高壓調(diào)節(jié)為0.017~0.037 MPa之間低壓的能力，控制精度不超過±1%。表1列出了Moog公司研制的幾種不同型號PFCV產(chǎn)品的主要性能[9]，圖1為PFCV的實(shí)物照片[11]。圖2為基于Moog公司PFCV的美國200 W霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)劑（氙氣）供給單元（XFU）的技術(shù)方案[12]。

表1 美國Moog公司PFCV的主要性能參數(shù)Tab.1 Main performance of the Moog PFCV

圖1 Moog公司PFCV產(chǎn)品照片F(xiàn)ig.1 Photo of the moog PFCV product

圖2 基于Moog公司PFCV的200 W霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)的XFU技術(shù)方案Fig.2 XFU schematic based on the Moog PFCV for 200 W hall electric propulsion system

為了提高歐洲電推進(jìn)系統(tǒng)的綜合性能，法國Alcatel Alenia公司成功研制出了一種具有高壓隔離（關(guān)斷）功能的比例閥（Proportional Valve，PV）工程樣機(jī)（EM）。該比例閥采用壓電技術(shù)，能夠承受很高的入口壓力，流量調(diào)節(jié)精度高、漏率小、功耗低，非激勵(lì)時(shí)處于長閉固有安全狀態(tài)。圖3是PV的工作原理圖[13]。

圖3 PV工作原理圖Fig.3 PV operation mechanism

圖4（a）為帶加熱裝置的PV EM；（b）為不帶加熱裝置的PV EM照片[13]。表2列出了這兩種PV EM的性能參數(shù)[13]。

表2 法國Alcatel公司PV的性能參數(shù)Tab.2 Main performance of Alcatel PV EM1 and EM2

圖4 PV EM照片F(xiàn)ig.4 Photo of PV EM model

英國Marotta公司也開發(fā)出一種多功能閥門（Multi-Funtion Valve，MFV），可以提供離子和霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)要求的許多高性能，如在-54~93℃溫度范圍和0.25~20.7 MPa壓力下內(nèi)漏率低于1.0×10-5Pa·m3/s（G He）的常閉壓力隔離功能、0~80℃溫度下精確的壓力與流量閉環(huán)調(diào)節(jié)、工作點(diǎn)電子調(diào)節(jié)（質(zhì)量流量調(diào)節(jié)）比大于25∶1、壓力可從20.7 MPa減至10-1Pa量級等。采用該產(chǎn)品可以極大地減少電推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)劑供給單元的組件數(shù)量，在提高系統(tǒng)工作可靠性的同時(shí)減小質(zhì)量。表3是Marotta公司MFV產(chǎn)品的主要性能[14]。

表3 Marotta公司MFV產(chǎn)品的主要性能參數(shù)Tab.3 Main performance of Marotta MFV

（2）新一代質(zhì)量流量傳感器技術(shù)

為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑流量的高靈敏度和快速時(shí)間響應(yīng)，Alcatel Alenia開發(fā)出一種基于熱概念的硅結(jié)構(gòu)質(zhì)量流量傳感器（Mass Flow Sensor，S-MFS）[12]，與PV配套使用完成電推進(jìn)的微流量閉環(huán)控制。S-MFS傳感元件輸出一個(gè)0~1 000 mV的電壓信號，該信號經(jīng)一個(gè)差分放大器放大和濾波器濾波后轉(zhuǎn)換為0~5 V模擬信號，對應(yīng)的質(zhì)量流量為0~40 mg/s。圖5為S-MFS結(jié)構(gòu)圖[13]，圖6為S-MFS在0.05 MPa入口壓力、0~40 mg/s（Xe）質(zhì)量流量范圍內(nèi)出口壓力測試曲線[13]，表4列出了S-MFS的主要性能測試結(jié)果[13]。

表4 S-MFS主要性能測試結(jié)果Tab.4 The S-MFS main performance test results

圖5 S-MFS結(jié)構(gòu)圖Fig.5 S-MFS structure

圖6 S-MFS出口電壓與質(zhì)量流量的關(guān)系Fig.6 Relationship between outlet voltage and mass rate of S-MFS

目前，Alcatel Alenia正在對S-MFS進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，以進(jìn)一步提高其分辨率和低流量下的工作穩(wěn)定性。

（3）新一代微流量控制組件技術(shù)

Alcatel Alenia在開發(fā)和研制比例閥（PV）、質(zhì)量流量傳感器（S-MFS）的同時(shí)，還研制出了一種比俄羅斯霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)所使用的毛細(xì)管流量控制器體積更小、質(zhì)量更輕、性能更好的低壓毛細(xì)管（Low Pressure Capillary，LPC）熱節(jié)流器。LPC是1根內(nèi)徑為50~100 mm的不銹鋼管，兩端各釬焊1個(gè)不銹鋼支撐。圖7是1個(gè)長度45 mm、內(nèi)徑100 mm的LPC部件實(shí)物圖[13]（0.08~0.25 MPa入口壓力下的Xe質(zhì)量流量為1.36~13.6 mg/s）。圖8為安裝在一個(gè)圓柱形不銹鋼殼體中最終狀態(tài)的LPC熱節(jié)流器[13]。表5列出了兩種不同流量范圍的LPC熱節(jié)流器的性能參數(shù)[13]。

表5 LPC熱節(jié)流器的主要性能參數(shù)Tab.5 main performance of the LPC thermo-capillary

圖7 LPC部件及其支撐結(jié)構(gòu)Fig.7 LPC parts and supports

圖8 LPC熱節(jié)流器照片F(xiàn)ig.8 LPC thermo-capillary on a cylindrical stainless housin

圖9是基于Alcate公司 研制的PV、S-MFS和LPC等新一代推進(jìn)劑管理組件所設(shè)計(jì)的一種電推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)劑供給與控制單元（PFCU）的技術(shù)方案[13]，PV通過壓力傳感器進(jìn)行壓力閉環(huán)控制，LPC用S-MFC實(shí)現(xiàn)流量閉環(huán)控制。該P(yáng)FCU潛在的應(yīng)用背景包括SEA的AlphaBus平臺等。

圖9 一種基于Alcate公司PV、S-MFS和LPC的PFCU技術(shù)方案Fig.9 A PFCU Schematic based on Alcate PV，S-MFS and LPC components

2.3 推進(jìn)劑供給單元小型化、輕量化設(shè)計(jì)與集成技術(shù)

為簡化推進(jìn)劑供給單元的結(jié)構(gòu)、減少組件數(shù)量、減小產(chǎn)品體積和質(zhì)量，除采用上述PFCV、PV和MFV、S-MFS、LPC等新一代推進(jìn)劑管理組件外，美國VACCO公司綜合利用化學(xué)刻蝕碟片過濾器技術(shù)、高性能Bang-Bang電磁閥技術(shù)以及組件高效集成技術(shù)等實(shí)現(xiàn)了化學(xué)刻蝕微系統(tǒng)（ChEMSTM）壓力控制模塊（PCM）和流量控制模塊（FCM）的小型化、輕量化設(shè)計(jì)與研制，開發(fā)出了一種數(shù)字化Xe流量控制模塊[15]。圖10是ChEMSTMPCM模塊設(shè)計(jì)原理圖[16]。

圖10 ChEMSTM PCM模塊設(shè)計(jì)原理圖Fig.10 ChEMSTMPCM design mechanism frame

該模塊由1個(gè)5μm系統(tǒng)過濾器和4個(gè)常閉電磁閥A1、A2、B1、B2在內(nèi)的5個(gè)功能組件構(gòu)成，工作壓力在10 MPa以上，閥門為全焊接鈦合金結(jié)構(gòu)、管路材料為鈦、采用懸置式銜鐵和Viton密封體，模塊總質(zhì)量僅198 g。經(jīng)測試，循環(huán)壽命達(dá)180 000次以上。

VACCO開發(fā)的數(shù)字化Xe流量控制模塊（DXFCM）由21個(gè)功能組件組成，包括1個(gè)5μm過濾器，4個(gè)隔離閥C1、C2、D1、D2，8個(gè)流量控制閥和8個(gè)流阻器，通過不同數(shù)量的閥門開、關(guān)組合可實(shí)現(xiàn)對推進(jìn)劑流量的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)與控制，模塊最高工作壓力0.82 MPa，采用高可靠閥門設(shè)計(jì)，總質(zhì)量398 g。流量最小調(diào)節(jié)精度0.08 mg/s，流量調(diào)節(jié)范圍0~20.4 mg/s（0.276 MPa、21℃下）。圖11為數(shù)字化流量控制模塊原理框圖[17]。圖12為ChEMSTMPCM和FCM模 塊的實(shí)物照片[16]。

圖11 數(shù)字化流量控制模塊原理框圖Fig.12 Digital xenon flow control module mechanism frame

圖12 ChEMSTM PCM與FCM模塊實(shí)物照片F(xiàn)ig.12 Products photo of ChEMSTM PCM and FCM

2.4 推進(jìn)劑供給技術(shù)的應(yīng)用

調(diào)研結(jié)果表明，目前國外已經(jīng)發(fā)射的各類航天器電推進(jìn)系統(tǒng)中，推進(jìn)劑供給仍然以Bang-Bang閥壓力調(diào)節(jié)、熱節(jié)流器微流量控制等傳統(tǒng)的推進(jìn)劑供給技術(shù)為主，但也有個(gè)別衛(wèi)星已經(jīng)采用了基于新一代推進(jìn)劑管理組件的推進(jìn)劑供給新技術(shù)，如2006年12月16日美國發(fā)射的TACSAT-2衛(wèi)星BPT-200小功率霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)采用PFCV進(jìn)行推進(jìn)劑隔離和壓力調(diào)節(jié)[18]；2009年3月17日歐空局發(fā)射的重力梯度與海洋環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星——GOCE衛(wèi)星T5離子電推進(jìn)系統(tǒng)采用PFCV對推力器陽極流量進(jìn)行控制與調(diào)節(jié)，有效保證了陽極流量的寬范圍、快速調(diào)節(jié)與高精度控制，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星的無阻尼飛行[19-20]；2013年11月韓國發(fā)射的“科學(xué)技術(shù)3號衛(wèi)星（STSAT-3）”中的300W霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)，其推進(jìn)劑供給單元的高-低壓隔離、調(diào)壓和流量控制均通過Moog公司51E339型PFCV產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)，第一級利用PFCV進(jìn)行推進(jìn)劑隔離與壓力閉環(huán)控制，PFCV出口壓力為0.1~0.3 MPa，第二級利用PFCV通過陽極電流閉環(huán)反饋控制流量，PFCV下游2個(gè)并聯(lián)的固定口徑式流阻器，將PFCV出口的總流量按比例（7∶1）分配給推力器陽極和陰極，整個(gè)XFU總質(zhì)量只有2.4 kg[21]。

美國針對太陽系Robotic探測任務(wù)開發(fā)和研制了大功率離子電推進(jìn)系統(tǒng)——40 cm口徑Xe離子電推進(jìn)系統(tǒng)（NEXT-40），目前已進(jìn)入最后的地面試驗(yàn)驗(yàn)證階段，即將實(shí)現(xiàn)空間飛行應(yīng)用。該系統(tǒng)中的推進(jìn)劑供給單元采用兩級壓力控制方案，前級采用2臺PFCV（Moog公司生產(chǎn)）的并聯(lián)設(shè)計(jì)，作為高-低壓隔離與初始減壓組件，后級針對離子推力器陽極、陰極和中和器各配置1臺獨(dú)立的PFCV，實(shí)現(xiàn)各路壓力的精細(xì)調(diào)節(jié)，PFCV出口壓力在35~70 kPa之間。新技術(shù)的采用極大地簡化了推進(jìn)劑供給單元中的閥門配置，提高了系統(tǒng)可靠性，并顯著降低了單元質(zhì)量。圖13為美國40 cm口徑Xe離子電推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)劑供給單元原理框圖[22]。圖14和圖15分別為其壓力調(diào)節(jié)模塊（PRM）高壓組件（High Pressure Assembly）和低壓組件（Low Pressure Assembly）產(chǎn)品照片[23-24]。美國VACCO公司利用先進(jìn)集成技術(shù)開發(fā)的小型、輕質(zhì)Xe壓力與流量控制模塊產(chǎn)品也已應(yīng)用于電推進(jìn)系統(tǒng)地面試驗(yàn)。圖16為VACCO集成后的完整Xe供給系統(tǒng)在NASA GRC進(jìn)行120 W霍爾推力器點(diǎn)火試驗(yàn)的照片[14]。

圖13 美國40 cm口徑Xe離子電推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)劑供給單元原理框圖Fig.13 The PFU mechanism frame on USA NEXT-40 xenon ion electric propulsion system

圖14 美國40 cm口徑離子推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)劑供給單元壓力調(diào)節(jié)模塊高壓組件產(chǎn)品照片F(xiàn)ig.14 The photo of high pressure assembly in USA NEST-40 XFU PRM

圖15 美國40 cm口徑離子推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)劑供給單元壓力調(diào)節(jié)模塊低壓組件產(chǎn)品照片F(xiàn)ig.15 The photo of low pressure assembly in USA NEST-40 XFU PRM

圖16 VACCO Xe供給系統(tǒng)在120 W霍爾推力器上熱點(diǎn)火試驗(yàn)的照片F(xiàn)ig.16 The photo of VACCO integrated xenon feed system in 120 W hall thruster hot fire test

4 結(jié)論與建議

從國外電推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)劑管理組件技術(shù)發(fā)展路線、近幾年空間應(yīng)用方案以及電推進(jìn)未來空間應(yīng)用需求分析，以PFCV為代表的推進(jìn)劑流量比例調(diào)節(jié)技術(shù)是電推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)劑供給技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，小型化、輕量化是航天產(chǎn)品永恒的主題。

我國電推進(jìn)技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)基本完成在軌飛行初步驗(yàn)證，正式進(jìn)入飛行應(yīng)用階段。目前正在開發(fā)和研制的多個(gè)GEO衛(wèi)星平臺，均采用了高性能電推進(jìn)系統(tǒng)，其推進(jìn)劑供給單元基本上仍然沿用傳統(tǒng)的電子調(diào)壓和熱節(jié)流流量控制技術(shù)，流量控制精度低，系統(tǒng)體積與結(jié)構(gòu)質(zhì)量較大。針對我國空間電推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)劑供給技術(shù)與國外先進(jìn)技術(shù)之間的差距，以及無拖曳空間飛行任務(wù)為代表的未來科學(xué)探測等需求，提出如下建議：

（1）以PFCV和高精度質(zhì)量流量計(jì)為重點(diǎn)，開展新一代推進(jìn)劑流量供給組件工程化研制和控制系統(tǒng)開發(fā)，并在實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星上進(jìn)行飛行驗(yàn)證，為新一代推進(jìn)劑流量供給組件空間應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，并結(jié)合飛行驗(yàn)證結(jié)果逐步解決產(chǎn)品的高可靠、高穩(wěn)定及長壽命問題；

（2）適時(shí)開展毛細(xì)管流量控制器技術(shù)和數(shù)字化氙氣流量控制技術(shù)預(yù)先研究，解決關(guān)鍵技術(shù)，完善技術(shù)儲(chǔ)備；

（3）加大電推進(jìn)分系統(tǒng)單位、貯供單元單機(jī)單位與閥門、流量計(jì)等組件產(chǎn)品技術(shù)優(yōu)勢單位之間的協(xié)同力度，通力合作，開展推進(jìn)劑貯供單元小型化、輕量化設(shè)計(jì)與集成技術(shù)研究，不斷優(yōu)化組件配置，減小單元體積，降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量。