地月及深空探測先進(jìn)電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展

吳辰宸,耿海,王紫桐,李得天,*

1.蘭州空間技術(shù)物理研究所,蘭州 730000 2.真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730000 3.甘肅省空間電推進(jìn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730000

1 引言

電推進(jìn)(electric propulsion,EP)是一種將電能高效轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的先進(jìn)宇航動(dòng)力技術(shù),其工作原理是利用電能將推進(jìn)劑原子電離產(chǎn)生等離子體,再利用電場/磁場加速等離子體產(chǎn)生推力。根據(jù)工作原理,電推進(jìn)可分為電熱式、靜電式、電磁式三大類,高比沖是電推進(jìn)最顯著的技術(shù)特點(diǎn),應(yīng)用電推進(jìn)可大幅降低航天器的推進(jìn)劑攜帶量,進(jìn)而提高荷載比[1]。

當(dāng)前,電推進(jìn)已廣泛應(yīng)用于近地軌道通信導(dǎo)航衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星和科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星,主要執(zhí)行位置保持、軌道維持和大范圍軌道轉(zhuǎn)移等動(dòng)力任務(wù)。截至目前,中國已在軌應(yīng)用或計(jì)劃應(yīng)用的電推進(jìn)產(chǎn)品主要覆蓋離子電推進(jìn)、霍爾電推進(jìn)、脈沖等離子體電推進(jìn)、液滴式電推進(jìn)4種類型。其中,離子電推進(jìn)在高軌領(lǐng)域優(yōu)勢明顯,霍爾電推進(jìn)在中低軌和商業(yè)航天領(lǐng)域效益顯著。

總體上看,中國近地軌道航天器應(yīng)用電推進(jìn)技術(shù)較為成熟,在地月及深空探測領(lǐng)域應(yīng)用電推進(jìn)仍處于起步階段。為推動(dòng)電推進(jìn)技術(shù)在地月及深空探測領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用,本文結(jié)合國際上基于電推進(jìn)的地月及深空探測典型任務(wù),分析深空探測任務(wù)的使命特點(diǎn)及電推進(jìn)的應(yīng)用效益,針對(duì)5種典型場景介紹了電推進(jìn)優(yōu)化應(yīng)用策略,給出了在地月及深空探測領(lǐng)域發(fā)展和應(yīng)用電推進(jìn)技術(shù)的參考建議。

2 基于電推進(jìn)的地月及深空探測任務(wù)

2.1 美國

1998年10月,“深空1號(hào)”(Deep Space-1/DS-1)探測器發(fā)射升空[2-3],這是人類首次應(yīng)用電推進(jìn)開展深空探測活動(dòng)。探測器采用NSTAR離子電推進(jìn)作為主推進(jìn)器,完成了軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)和部分俯仰、偏航控制任務(wù),成功實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)(小行星+彗星)探測,該探測器于2001年12月壽命耗盡。整個(gè)任務(wù)周期NSTAR離子電推進(jìn)系統(tǒng)共消耗82kg氙推進(jìn)劑,提供4.5km/s的速度增量。

2007年9月,首個(gè)主帶小行星探測器“黎明號(hào)”(Dawn)啟程[4],開展灶神星和谷神星兩顆小行星環(huán)繞探測任務(wù),采用優(yōu)化后的NSTAR離子電推進(jìn)系統(tǒng)作為主推進(jìn)器,創(chuàng)造了最長在軌工作時(shí)間(超過55000h)和最豐富的工作模式(112個(gè)工作點(diǎn))兩項(xiàng)紀(jì)錄,僅消耗450kg推進(jìn)劑實(shí)現(xiàn)了11km/s的速度增量(采用化學(xué)推進(jìn)實(shí)現(xiàn)相同的速度增量需消耗6500kg推進(jìn)劑)。“黎明號(hào)”任務(wù)的成功充分證明了離子電推進(jìn)在長周期、高速度增量任務(wù)中的獨(dú)特價(jià)值,黎明號(hào)探測器概念圖如圖1所示。

圖1 “黎明號(hào)”探測器Fig.1 DAWN

2022年9月,世界上首個(gè)行星防御計(jì)劃“雙小行星重定向測試(DART)”[5]成功撞擊小行星,任務(wù)應(yīng)用了目前在軌功率最高(6.9kW)的NEXT-C離子電推進(jìn)系統(tǒng)。

2022年11月,月球冰立方探測器(Lunar IceCube)和月球極區(qū)氫繪圖儀(LunarH-Map)搭載“阿爾忒彌斯號(hào)”(Artemis I)成功發(fā)射[6-7],任務(wù)分別是探測月球表面水資源和探測月球水冰深度和分布。兩顆立方星體積均為6U(1U=10cm×10cm×10cm),質(zhì)量約14kg,主推進(jìn)都采用BIT-3碘工質(zhì)射頻離子電推進(jìn)。而原計(jì)劃一同發(fā)射的NASA環(huán)月空間站“門戶”(Gateway)延后至2024年發(fā)射[8],“門戶”能夠?yàn)檩d人月球和更遠(yuǎn)的載人火星任務(wù)、其他科學(xué)探測任務(wù)提供便利。“門戶”明確采用大功率霍爾電推進(jìn)簇(2個(gè)13kW的AEPS霍爾電推進(jìn)和4個(gè)6kW的BHT-6000霍爾電推進(jìn))執(zhí)行軌道維持和大范圍軌道轉(zhuǎn)移任務(wù),要求工作壽命15年,且具備推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加能力,“門戶”概念圖如圖2所示。

圖2 “門戶”Fig.2 Gateway

“賽姬”(Psyche)是美國一項(xiàng)低成本小行星探測任務(wù)[9],預(yù)計(jì)2023年底發(fā)射,計(jì)劃采用SPT-140霍爾電推進(jìn),執(zhí)行行星際軌道轉(zhuǎn)移、觀測軌道維持和巡航期動(dòng)量管理等任務(wù),要求推進(jìn)劑消耗量控制在1030kg以內(nèi)。任務(wù)實(shí)施后,“賽姬”將是首個(gè)應(yīng)用霍爾電推進(jìn)開展地月以外深空探測的探測器。

2025年,美國計(jì)劃發(fā)射CAESAR[10]彗星取樣返回探測器,該探測器擬采用三臺(tái)NEXT-C離子電推進(jìn)成簇執(zhí)行姿態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整任務(wù),同時(shí)保證太陽電池陣產(chǎn)生足夠功率和樣品處于低溫環(huán)境,任務(wù)要求電推進(jìn)壽命不少于13年。

面向載人火星任務(wù),美國計(jì)劃使用電推進(jìn)和化學(xué)推進(jìn)作為組合動(dòng)力[11],其中電推進(jìn)主要負(fù)責(zé)地-火段軌道轉(zhuǎn)移,擬采用1.9MW核電推進(jìn)系統(tǒng),由20臺(tái)100kW霍爾電推進(jìn)組成(18臺(tái)同時(shí)工作,2臺(tái)備份)。

2.2 歐洲

2006年6月,首個(gè)應(yīng)用電推進(jìn)的月球探測器“智慧1號(hào)”(SMART-1)成功撞月[12],結(jié)束了為期3年的任務(wù)。探測器采用PPS-1350霍爾電推進(jìn)系統(tǒng),也是迄今為止唯一應(yīng)用霍爾電推進(jìn)的深空探測任務(wù)。

2018年,“貝皮-科倫布”(Bepi-Colombo)水星探測器首次應(yīng)用電推進(jìn)開展內(nèi)行星探測[13]。探測器采用T6離子電推進(jìn)系統(tǒng),發(fā)揮了離子電推進(jìn)連續(xù)變推力功能,通過“持續(xù)剎車”模式抵近水星,規(guī)避了采用化學(xué)推進(jìn)快速抵近可能引發(fā)的“彈射”風(fēng)險(xiǎn)。

歐空局和NASA正在共同推進(jìn)火星采樣返回任務(wù)(ExoMars),預(yù)計(jì)2026年發(fā)射首顆探測器,歐空局負(fù)責(zé)研制地球返回軌道器(Earth Return Orbiter,ERO)[14],計(jì)劃采用電推+化推混合動(dòng)力,電推進(jìn)動(dòng)力擬采用7.5kW的RIT-2X射頻離子電推進(jìn),ERO概念圖如圖3所示。

圖3 地球返回軌道器Fig.3 ERO

2.3 日本

“隼鳥1號(hào)”(Hayabusa)是人類首次成功實(shí)施的太空采礦任務(wù)[15-16],也是首個(gè)基于電推進(jìn)的采樣返回任務(wù),采用μ-10微波離子電推進(jìn)系統(tǒng)完成了60億千米航程主推進(jìn)任務(wù),在化學(xué)燃料泄露的故障條件下,依靠電推進(jìn)完成了主要探測使命。2014年,“隼鳥2號(hào)”(Hayabusa-2)成功發(fā)射[17],開展“龍宮”小行星探測與采樣返回任務(wù),仍然采用μ-10微波離子電推進(jìn)執(zhí)行軌道轉(zhuǎn)移、往返和高精度姿態(tài)控制任務(wù),電推進(jìn)運(yùn)行總時(shí)長約40000h。2020年,探測器成功返回地球軌道并釋放樣本艙,由于推進(jìn)劑仍有余量,“隼鳥2號(hào)”將繼續(xù)開展1998KY26小行星探測任務(wù)。與“隼鳥2號(hào)”一同發(fā)射的還有1顆50kg級(jí)微型深空探測器PROCYON[18],應(yīng)用0.3mN的μ-1微波離子電推進(jìn)系統(tǒng),雖然最終因故障導(dǎo)致任務(wù)失敗,但為基于微納衛(wèi)星開展低成本太空探索提供了新思路,“隼鳥2號(hào)”總裝狀態(tài)如圖4所示。

圖4 “隼鳥2號(hào)”探測器Fig.4 Hayabusa 2

2.4 中國

中國計(jì)劃于2025年發(fā)射首顆應(yīng)用電推進(jìn)的深空探測器“天問2號(hào)”(Tianwen-2)[19],任務(wù)預(yù)計(jì)共耗時(shí)10年。“天問2號(hào)”探測器主要使命是開展2016HO3小行星探測及采樣返回和主帶彗星探測,探測器采用LIPS-300S多模式離子電推進(jìn)系統(tǒng)執(zhí)行主帶彗星轉(zhuǎn)移和高精度抵近任務(wù)[20],降低對(duì)行星引力輔助的依賴,使發(fā)射窗口期更為靈活。

2.5 小結(jié)

總結(jié)國際上已開展和計(jì)劃開展的地月及深空探測任務(wù),見表1,可以看出,電推進(jìn)在地月及深空探測領(lǐng)域應(yīng)用具有以下特點(diǎn):

表1 地月及深空探測任務(wù)情況總覽Table 1 Overview of cislunar and deep space exploration missions

1)提供極高的速度增量/推進(jìn)劑消耗比。與化學(xué)推進(jìn)相比,電推進(jìn)高比沖的技術(shù)特點(diǎn)能夠以低一個(gè)量級(jí)的推進(jìn)劑消耗量提供相同的速度增量,以1500kg月球探測器為例,完成總速度增量300m/s的任務(wù),化學(xué)推進(jìn)(235s)需要消耗推進(jìn)劑183.1kg,電推進(jìn)(比沖3200s)則只需消耗推進(jìn)劑14.3kg,僅為化學(xué)推進(jìn)的十分之一。能夠支撐多目標(biāo)天體探測、行星際軌道轉(zhuǎn)移等任務(wù)在較高容錯(cuò)度下開展。

2)實(shí)現(xiàn)高精度抵近。電推進(jìn)推力精確(毫牛或微牛級(jí))、連續(xù)可調(diào)節(jié)的技術(shù)特點(diǎn),能夠執(zhí)行高精度的姿態(tài)控制和軌道調(diào)整等任務(wù)。

3)長時(shí)間巡航能力。電推進(jìn)的壽命一般是在10000h以上,且在長壽命下具有較高的可靠性,能夠滿足主帶小行星探測、彗星探測等遠(yuǎn)距離探測器動(dòng)力系統(tǒng)長期運(yùn)行的需求。

4)多任務(wù)剖面。多模式電推進(jìn)能夠根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)靈活調(diào)節(jié)比沖、推力等工作參數(shù),以滿足深空探測器巡航、探測軌道轉(zhuǎn)移與維持、探測器姿態(tài)控制等不同任務(wù)要求。

5)靈活的窗口期。使用電推進(jìn)的航天器能夠降低對(duì)行星輔助的依賴,不受窗口期制約;而使用化學(xué)推進(jìn)的航天器,受攜帶燃料重量限制必須依賴行星引力輔助,窗口搜索的約束條件較多。

6)電推進(jìn)技術(shù)體制與任務(wù)具有適配性。高比沖多模式離子電推進(jìn)更適用于任務(wù)周期長、剖面復(fù)雜的任務(wù),如“行星+彗星”探測、火星以遠(yuǎn)探測等;大推功比的霍爾電推進(jìn)更適用于對(duì)任務(wù)時(shí)間要求更高的任務(wù),如月球空間站部署、地球-火星貨運(yùn)往返、載人深空探測等。

7)任務(wù)周期長。由于電推進(jìn)推力很小,通常在毫牛量級(jí),執(zhí)行相同任務(wù)需要較化學(xué)推進(jìn)付出更高的時(shí)間代價(jià)。因此,電推進(jìn)不適用于對(duì)任務(wù)時(shí)間有嚴(yán)格約束的任務(wù)。

3 任務(wù)展望及應(yīng)用需求

地月及深空探測較為典型的任務(wù)場景主要有月球探測、小行星探測、載人火星探測、太陽系邊際探測、地月空間科學(xué)探測,對(duì)電推進(jìn)的應(yīng)用需求不盡相同,下面將針對(duì)典型場景分析電推進(jìn)應(yīng)用需求與應(yīng)用策略,并給出后續(xù)發(fā)展重點(diǎn)建議。

3.1 月球探測

(1)應(yīng)用需求與策略

中國月球探測任務(wù)的使命正在向深化研究和資源開發(fā)利用轉(zhuǎn)變[21],重點(diǎn)開展科學(xué)探測和載人月球關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),主要任務(wù)有地月空間航天器大范圍軌道轉(zhuǎn)移和重復(fù)往返、月球軌道空間站長期軌道維持等[22-23],對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)提出了大推力(牛級(jí)推力)、高比沖(2500s以上)、高可靠、高功率密度(優(yōu)于0.4kW/kg)、長期在軌工作(>2年)、具有一定技術(shù)成熟度(短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用)等新要求。

針對(duì)上述要求,重點(diǎn)考慮霍爾電推進(jìn)和磁等離子體推進(jìn)(MPDT)兩種技術(shù)體制。霍爾電推進(jìn)可以選擇超大功率單弦或大功率成簇(圖5)兩種應(yīng)用模式,中國大功率霍爾電推進(jìn)已經(jīng)突破百安培大電流空心陰極、高密度高能量等離子體電磁調(diào)控、低溫高密度超臨界多工質(zhì)貯存、熱穩(wěn)態(tài)條件性能測試診斷等關(guān)鍵技術(shù),上海空間推進(jìn)研究所研制了20kW、100kW兩款霍爾電推進(jìn)產(chǎn)品,首次實(shí)現(xiàn)了牛級(jí)電推力器成功點(diǎn)火;蘭州空間技術(shù)物理研究所研制了12.5kW、50kW、100kW三款霍爾電推進(jìn)產(chǎn)品,率先完成了100kW級(jí)大功率霍爾電推進(jìn)地面測試(見圖6),實(shí)測推力達(dá)到4.6N,比沖超過5100s,性能指標(biāo)比肩國際先進(jìn)的美國X3霍爾電推進(jìn)。

圖5 大功率霍爾電推進(jìn)成簇示意Fig.5 Cluster of high-power Hall thruster

北京控制工程研究所牽頭與中國科學(xué)院合肥物質(zhì)研究院、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位聯(lián)合開發(fā)了國際上首個(gè)集成式150kW級(jí)MPDT[24],采用超導(dǎo)線圈將中心磁感應(yīng)強(qiáng)度提升至1T以上(采用銅線圈時(shí)中心磁感應(yīng)強(qiáng)度只能達(dá)到0.4T),150kW額定功率下最大推力達(dá)到4N、比沖5714s、效率76.6%,MPDT結(jié)構(gòu)示意見圖7,地面性能測試照片見圖8。

圖7 150kW級(jí)MPDT結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Structure of 150kW-class MPDT

圖8 150kW級(jí)MPDT在不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下的性能Fig.8 Performance of 150kW-class MPDT ignition under different magnetic fields

(2)后續(xù)發(fā)展重點(diǎn)

重點(diǎn)突破系統(tǒng)集成、壽命提升、在軌可更換可補(bǔ)加、基于模型的壽命評(píng)估等關(guān)鍵技術(shù),加快推動(dòng)大功率霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)、磁等離子體推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)品研制與在軌驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)飛行應(yīng)用。

當(dāng)前,亟需突破的單機(jī)級(jí)關(guān)鍵技術(shù)有[25]:①高熱流密度散熱與防護(hù);②放電通道刻蝕抑制技術(shù);③低溫工質(zhì)長期在軌貯存;④大流量氣體均勻性分配;⑤高可靠大電流電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);⑥基于模型的壽命評(píng)估技術(shù)。亟需突破的系統(tǒng)級(jí)關(guān)鍵技術(shù)有:①高性能輕量化大功率PPU技術(shù);②面向在軌更換與重構(gòu)的系統(tǒng)架構(gòu);③大功率電推進(jìn)系統(tǒng)長壽命設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。月球探測用大功率電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展展望如圖9所示。

圖9 月球探測用大功率電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展展望Fig.9 Prospects of high-power EP technology for lunar exploration

3.2 小行星探測

(1)應(yīng)用需求與策略

小行星探測任務(wù)主要特點(diǎn)有[26-27]:①探測目標(biāo)多,速度增量大,需要應(yīng)用高比沖推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)合行星引力輔助技術(shù)完成軌道轉(zhuǎn)移;②動(dòng)力任務(wù)多樣,包括繞飛、附著和采樣返回等,需要推進(jìn)系統(tǒng)具備多種模式以適應(yīng)復(fù)雜任務(wù)剖面;③小行星引力場微弱且動(dòng)力環(huán)境復(fù)雜,要求推進(jìn)系統(tǒng)具有足夠的推力精度,實(shí)現(xiàn)高精度抵近。因此,具有多模式(寬功率范圍多工作點(diǎn))、推力精確可調(diào)(μN(yùn)級(jí)分辨率)、高總沖(≥9×106N·s)、長壽命(≥20000h)等特征的先進(jìn)電推進(jìn)技術(shù)在小行星探測領(lǐng)域優(yōu)勢顯著。

在“天問2號(hào)”小行星探測任務(wù)的牽引下,蘭州空間技術(shù)物理研究所突破了放電均勻性提升與濺射多余物抑制、束流寬范圍適應(yīng)性長壽命柵極組件優(yōu)化設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù),研制了滿足中國小行星探測任務(wù)需求的長壽命多模式LIPS-300S離子電推進(jìn)系統(tǒng)[20],與國際同類先進(jìn)產(chǎn)品(NSTAR)相比,性能得到全面拓展(見圖10)。LIPS-300S離子電推進(jìn)的模式點(diǎn)還可按需拓展,滿足其他小行星或彗星探測任務(wù)的應(yīng)用需求。

圖10 LIPS-300S與NSTAR性能對(duì)標(biāo)情況Fig.10 Performance of LIPS-300S and NSTAR

(2)后續(xù)發(fā)展重點(diǎn)

重點(diǎn)發(fā)展長壽命多模式離子電推進(jìn)技術(shù),針對(duì)小行星探測任務(wù)超長壽命、任務(wù)剖面復(fù)雜、測控難度大的特點(diǎn),突破離子電推進(jìn)多工作模式與任務(wù)匹配性驗(yàn)證、長壽命設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證、長壽命下的可靠性提升與評(píng)價(jià)、自主穩(wěn)定運(yùn)行等關(guān)鍵技術(shù),將電推進(jìn)壽命提升至50000h以上。長壽命多模式離子電推進(jìn)發(fā)展展望如圖11所示。

圖11 長壽命多模式離子電推進(jìn)發(fā)展展望Fig.11 Prospects of long-lifetime and multi-mode ion thruster

3.3 載人火星探測

(1)應(yīng)用需求與策略

中國載人火星探測還處于方案論證階段,采用核電推進(jìn)執(zhí)行載人火星任務(wù)是其中一種可行的技術(shù)路線[28]。核電推進(jìn)可提供MW級(jí)電能,能夠支撐推進(jìn)系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)大推力(數(shù)十牛)和高比沖(4000～10000s),載人往返任務(wù)的安全性還需要推進(jìn)系統(tǒng)具備長壽命(2～10年)和極高可靠性。

MW級(jí)核電推進(jìn)可以采用百千瓦級(jí)霍爾電推進(jìn)成簇、高功率密度電磁推進(jìn)兩種技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)。中國一些研究單位已提前布局并啟動(dòng)了高功率密度先進(jìn)電磁推進(jìn)技術(shù)研究,牽引了基于旋轉(zhuǎn)磁場的等離子體高效加速(FRPT)等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),為新體制空間核電推進(jìn)系統(tǒng)開發(fā)儲(chǔ)備了核心技術(shù)。FRPT地面測試如圖12所示。

圖12 FRPT放電照片F(xiàn)ig.12 Photo of FRPT ignition

(2)后續(xù)發(fā)展重點(diǎn)

重點(diǎn)深化論證核電推進(jìn)技術(shù)方案,制定我國空間核電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展路線圖,依托空間核電源和大功率電推進(jìn)兩大核心技術(shù)優(yōu)勢單位,開展系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),加快大功率霍爾、高功率密度電磁推進(jìn)等多種技術(shù)體制的核電推進(jìn)系統(tǒng)級(jí)聯(lián)試,同步規(guī)劃核電推進(jìn)系統(tǒng)在軌驗(yàn)證,為實(shí)施載人火星探測奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

建議優(yōu)先突破的關(guān)鍵技術(shù)有:①大功率電磁推進(jìn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);②大功率脈沖電源系統(tǒng)和控制技術(shù);③大功率電磁推進(jìn)地面試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù);④超大容量推進(jìn)劑貯存與供應(yīng)技術(shù)。核電推進(jìn)系統(tǒng)級(jí)關(guān)鍵技術(shù)有:①大功率長壽命電推進(jìn)技術(shù);②大功率電源處理單元技術(shù);③大流量高精度貯供單元技術(shù);④輕質(zhì)空間大功率熱排放技術(shù);⑤電推進(jìn)成簇抗干擾運(yùn)行技術(shù)。核電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展展望見圖13。

圖13 核電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展展望Fig.13 Prospects of nuclear electric propulsion technology

3.4 太陽系邊際探測

(1)應(yīng)用需求與策略

太陽系邊際探測是空間科學(xué)的國際前沿領(lǐng)域,探測過程飛行距離遠(yuǎn)、任務(wù)周期長、探測環(huán)境未知多變、能源與動(dòng)力要求高,實(shí)施難度極大[29-30]。由于太陽系邊際探測任務(wù)周期很長(飛行時(shí)間>10年),建議選用近期可具備應(yīng)用條件的長壽命電推進(jìn)技術(shù);為提高整體效益,太陽系邊際探測可設(shè)置為多目標(biāo)探測任務(wù),需要推進(jìn)系統(tǒng)具備超高比沖(≥6000s)、變推力連續(xù)調(diào)節(jié)等技術(shù)特點(diǎn);考慮到遠(yuǎn)距離飛行測控難度大,還需發(fā)展智能自主運(yùn)行能力。

針對(duì)太陽系邊際探測任務(wù)對(duì)電推進(jìn)的應(yīng)用新需求,蘭州空間技術(shù)物理研究所突破了雙級(jí)加速及離子束穩(wěn)定控制、微牛級(jí)推力分辨率連續(xù)調(diào)節(jié)、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的推力寬范圍自主調(diào)節(jié)等關(guān)鍵技術(shù),完成了超高比沖技術(shù)地面測試,氙工質(zhì)最高比沖達(dá)到10076s;研制了連續(xù)變推力離子電推進(jìn)飛行產(chǎn)品LIPS-100,推力調(diào)節(jié)分辨率優(yōu)于13μN(yùn),達(dá)到國際先進(jìn)水平,即將開展在軌驗(yàn)證。

(2)后續(xù)發(fā)展重點(diǎn)

離子電推進(jìn)工作時(shí)序相對(duì)獨(dú)立、參數(shù)可解耦,在智能化方面具有優(yōu)勢,應(yīng)重點(diǎn)開展智能電推進(jìn)和超高比沖電推進(jìn)交叉創(chuàng)新,加快突破智能電推進(jìn)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)、任務(wù)適應(yīng)性分析與應(yīng)用策略優(yōu)化、智能算法設(shè)計(jì)與組件開發(fā)等關(guān)鍵技術(shù),不斷提高離子電推進(jìn)比沖和智能自主運(yùn)行水平。智能電推進(jìn)和超高比沖電推進(jìn)發(fā)展展望如圖14所示。

圖14 智能電推進(jìn)和超高比沖電推進(jìn)發(fā)展展望Fig.14 Prospects of intelligent EP and ultra-high specific impulse EP

3.5 地月空間科學(xué)探測

(1)應(yīng)用需求與策略

地月空間科學(xué)探測是驗(yàn)證先進(jìn)探測載荷、儲(chǔ)備復(fù)雜空間科學(xué)探測關(guān)鍵新技術(shù)的重要手段。基于低成本、高功能密度先進(jìn)立方星開展商業(yè)化地月空間科學(xué)探測是重要的發(fā)展趨勢[31]。目前,典型的地月空間探測的任務(wù)主要有月球水冰資源探測、環(huán)月通信系統(tǒng)建立、環(huán)月礦產(chǎn)資源觀測與分析等,對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)提出低能耗、高集成度等要求。

針對(duì)地月空間商業(yè)化探測應(yīng)用新需求,中國研制了多種技術(shù)體制的集成式電推進(jìn)產(chǎn)品。例如,蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的可變功率LHT-40霍爾電推進(jìn)系統(tǒng),功率100～300W可調(diào)節(jié),具備電推/冷氣雙推進(jìn)模式,特別適用于微小探測器,已實(shí)現(xiàn)在軌飛行;北京控制工程研究所研制了300W功率HEP-40MF霍爾電推進(jìn)系統(tǒng),推力10mN、比沖1200s,于2022年完成低軌衛(wèi)星升軌任務(wù),軌道提升近300km;中國科學(xué)院微電子所研制了面向微小衛(wèi)星的碘工質(zhì)射頻離子電推進(jìn)系統(tǒng),于2022年搭載“天啟19星”實(shí)現(xiàn)在軌驗(yàn)證,國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)碘工質(zhì)電推進(jìn)系統(tǒng)在軌穩(wěn)定工作;蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的LRIT-30射頻離子電推進(jìn)系統(tǒng),功率50～80W,推力0.5～1.1mN,特別適用于微納環(huán)月探測器,已進(jìn)入工程樣機(jī)研制階段;中國科學(xué)院力學(xué)所以空間引力波探測項(xiàng)目“空間太極計(jì)劃”對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)提出的微牛級(jí)推力高精度控制需求[32]為牽引,研制了集成化射頻離子電推進(jìn)系統(tǒng)μRIT-1,已于2019年搭載“太極一號(hào)”完成在軌驗(yàn)證;國防科技大學(xué)研制的脈沖等離子體電推進(jìn)(PPT)于2019年搭載“靈鵲1A”衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)在軌飛行;北京機(jī)械設(shè)備研究所面向立方星高精度姿態(tài)調(diào)整、軌道轉(zhuǎn)移、末期離軌任務(wù),研制了離子液體電噴霧電推進(jìn)系統(tǒng),于2019年搭載TY-11衛(wèi)星完成多次在軌點(diǎn)火試驗(yàn),性能滿足應(yīng)用需求[32]。

(2)后續(xù)發(fā)展重點(diǎn)

適用于微小探測器的集成化電推進(jìn)應(yīng)堅(jiān)持“百花齊放”的發(fā)展思路。一方面,持續(xù)提升低功率集成式離子、霍爾產(chǎn)品成熟度,增加飛行履歷,優(yōu)化應(yīng)用策略;另一方面,與功能性記憶材料、3D打印和微納制造等前沿成果開展交叉融合創(chuàng)新,發(fā)展以納米電極陣列為代表的新型高精度微電推進(jìn)技術(shù)。微電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展展望如圖15所示。

圖15 微電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展展望Fig.15 Prospects of micro electric propulsion

4 發(fā)展建議

本文總結(jié)了電推進(jìn)在地月及深空探測任務(wù)中的應(yīng)用特點(diǎn)和效益,面向5種典型任務(wù)分析了動(dòng)力需求和電推進(jìn)應(yīng)用策略,給出了不同功率層次、不同技術(shù)體制的電推進(jìn)技術(shù)后續(xù)發(fā)展重點(diǎn)和應(yīng)用前景分析(見表2)。聚焦地月及深空探測新需求,按照“一中一超一微”的發(fā)展思路,具體建議如下:

表2 電推進(jìn)在地月及深空探測中的應(yīng)用方向Table 2 Application directions of EP in the cislunar and deep space exploration mission

(1)夯實(shí)中功率電推進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)

中功率電推進(jìn)的發(fā)展重點(diǎn)聚焦在離子、霍爾兩種技術(shù)路線,重點(diǎn)針對(duì)放電振蕩、壽命評(píng)估、長壽命下的可靠性保證等工程難題背后的機(jī)理開展研究;構(gòu)建多物理場耦合的電推進(jìn)精細(xì)理論模型,指導(dǎo)設(shè)計(jì)思路創(chuàng)新和設(shè)計(jì)方法優(yōu)化;發(fā)揮電推進(jìn)參數(shù)調(diào)節(jié)策略靈活豐富的技術(shù)優(yōu)勢,與智能算法等新技術(shù)開展交叉創(chuàng)新,提升電推進(jìn)智能化水平,助力中國中功率電推進(jìn)在2025年前后達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

(2)推動(dòng)大功率電推進(jìn)交叉創(chuàng)新

建議大功率電推進(jìn)遵循電磁式技術(shù)路線方案創(chuàng)新和霍爾式技術(shù)路線改進(jìn)創(chuàng)新同步發(fā)展的思路,探索并掌握高密度磁等離子體高效加速方法、基于特定電磁構(gòu)型的等離子體約束與加速機(jī)制,不斷提升大功率電磁推進(jìn)技術(shù)水平;應(yīng)用高溫超導(dǎo)材料、新型熱控等技術(shù)開展交叉創(chuàng)新,解決特斯拉級(jí)強(qiáng)磁場實(shí)現(xiàn)、高熱流熱防護(hù)等超大功率電推進(jìn)特有的難題,加快打通制約大功率電推進(jìn)工程化的瓶頸。

(3)強(qiáng)化微小功率電推進(jìn)集成創(chuàng)新

建議微小功率電推進(jìn)堅(jiān)持“百花齊放”的發(fā)展思路,掌握微尺度等離子體輸運(yùn)特性及其穩(wěn)定性控制等科學(xué)規(guī)律,提出高精度微電推進(jìn)系統(tǒng)新技術(shù)方案,基于微納制造等前沿創(chuàng)新成果開展一體化集成創(chuàng)新,解決高集成度、高功能密度、微流率精細(xì)控制等微電推進(jìn)技術(shù)難題。