离子电推进技术:四十年坚守后的重大突破

不久前，实践九号A星携带的离子电推进系统首次点火成功，稳定工作3分钟，随后又进行了第二次点火，稳定工作了近4分钟，实践九号A星离子电推进系统飞行试验取得了开门红。

40年磨一“箭”

这是我国第一次在卫星上使用离子电推进系统。这个离子电推进系统由中国空间技术研究院510所研制，从预研到成功上天，该所的科研人员整整花费了40年的时间。

整个离子电推分系统包括1个推进剂贮存模块、1个调压模块、1个流量控制模块、1台离子电推进器以及其他附属设备。系统净重约140千克。离子电推进器额定推力40豪牛，比冲3000秒左右，工作寿命在10000小时～15000小时之间，达到了国际先进水平。

510所所长张伟文告诉记者：“这两次点火虽然只用了7分钟的时间，可是为了这7分钟的成功，我们却花了40年来研究。这次电火箭在实践九号上的20次点火把卫星的轨道提高了324米。

510所是国内最早开展电推进技术研究的单位，早在1974年就开始研制离子电推进系统。1986年该所研制的80毫米汞离子电推进，获得了1987年国家科技进步一等奖，在当时达到了国际领先水平，产品技术水平不弱于从50年代就开始从事此方面研究的美国。可这反而成了离子电推进系统由胜转衰的时候。由于航天器电源功率等技术的制约，国外也没有开始应用，国家相关部门决定，终止离子电推进系统的研究。而这一放就是十年。但是，510所看好这项技术在未来的发展前途，并没有解散这支科研队伍，通过自筹资金一直维持着这支科研队伍，并于1988年至1993年期间研制成功了90毫米氙离子电推进系统。

张伟文说，直到1997年，美国的“泛美”5号卫星上首次应用了离子电推进系统，在世界航天界引起轰动。1999年，我国决定重新开始对离子电推进器的研究。510所乘势而上，在1999年至2004年研制了200毫米离子电推进系统原理样机，主要性能达到国外同类产品水平。2004年～2007年完成了200毫米离子电推进系统工程样机研制，通过了环境条件鉴定试验。2007年至2012年为实践九号卫星研制了200毫米离子电推进子系统，该卫星已经于2012年10月发射并实现首次空间飞行试验，离子电推力火箭是3个最主要的测试系统之一。此次离子电推力系统的成功应用，对我国的航天事业来可以说是里程碑式的。

张伟文告诉记者：“国际航天界近年流行一种说法，卫星上不用电火箭，这样的卫星永远是二流的。这次试验成功，是我们所的科研团队通过40年的时间，把技术变成了产品。是对我们40年科研工作的肯定和回报。”在采访中，该系统的设计师杨福全写下一首诗：“深寒锁不住成功喜悦心，多年辛苦的回报，愿景不朦胧。成也不浮躁，切忌精神松，万里征程第一步，高峰待攀登”，表达了这个团队的喜悦和自豪之情。

据了解，目前国内开展离子电推进技术研究的单位包括510所、801所、502所、哈尔滨工业大学、西北工业大学、北京航空航天大学、国防科大、上海交大等，其中，只有510所和801所属于工程产品研制单位，其它只进行相关技术研究，而能做出离子电推进系统的只有510所，并且突破了诸多电推进技术，其中不少技术一直被美国长期垄断。

多项技术打破国外垄断

如果说离子推进器是卫星和探测器的心脏，那么空心阴极就是离子电推进器的心脏。因为离子电推进器是依靠空心阴极产生的电子来保持电推进器工作的，因此空心阴极是最重要的单机组件，在2004年以前我国自己不能生产。但就因为这个部件最关键，英美以及俄罗斯等国家对该产品的出口限制非常严格。510所在离子电推进系统的研制过程中多次向这些国家申请购买，都被拒绝。对方很明确地回答他们：“这是航天领域的最先进技术，国家不允许出口。”就这么一个长50毫米，直径20毫米的小东西却成了限制离子推进器研制的最大绊脚石。

510所决定自己组织团队开发具有自主知识产权的空心阴极，打破国外的技术垄断。负责研制空心阴极的主管设计师郭宁告诉我们：“我是2004年进入特种推进室从事空心阴极研究的，但是不少同行都劝我放弃，认为以我们目前的技术水平根本不可能研制能和国外相媲美的空心阴极。”但是郭宁和自己的团队没有放弃，他们开始查阅大量文献，一个阴极需要十几种特殊材料，而且每种材料的排列和使用都必须正确才能达到理想的效果，于是他们开始没日没夜地做实验。由于实验效果具有偶然性，因此他们一个实验往往要重复好几遍。最后花了将近10年的时间才研制出了具有很好稳定性、长寿命高可靠、性能与国外产品相当的空心阴极。

除了空心阴极，环尖场放电室优化设计技术、精密栅极组件设计和制造技术、气路高压绝缘技术、微小气体流量的精确控制技术、推力器工作寿命试验验证和模型预测技术，高电压、大功率电源处理单元研制技术、电推进微推力测量和等离子体羽流特性诊断技术、电推进系统测试和联试技术等多项技术均属510所自主知识产权，打破了国际上对这些技术的垄断。

离子电推进的特殊作用

什么是离子电推进系统？它与以往的用化学燃料的推进器有什么差别呢？510所特种推进室主任张天平研究员告诉记者，离子推进系统是属于非常规推进系统，它借助电能使工质离解成为带电粒子，再通过加速这种带电粒子流来获得推力。它的排气速度很高，每秒可达几十、几百千米，甚至更高。最早的离子引擎于1960年左右由美国航宇局的刘易斯研究中心制成，但之后一直处于试验阶段。1998年美国探测彗星的“深空”1号才首次将离子推进器作为主力推进系统应用在深空飞行中。

传统的火箭是通过尾部喷出高速的气体实现向前推进的，能短时间内产生巨大的推力，但工作时间短。离子推进器也是采用同样的喷气式原理，它所喷出的是一束带电粒子或是离子。它所提供的推动力或许相对较弱，但关键的是这种离子推进器所需要的燃料要比普通火箭少得多，推力更持久。只要离子推进器能够长期保持性能稳定，它最终能够把太空飞船加速到更高的速度。

离子电推进作为先进的空间推进技术，美国和前苏联一直都是这种先进技术的垄断者，直到近年来，相关技术才开始扩散。比如日本的“隼鸟”探测器和欧洲的“智慧”1号探测器等，而且技术已经取得了很大的进步和经济效益。目前，国际上已经形成了离子电推进和霍尔电推进两大主流应用产品，并将采用电推进系统作为衡量大容量、长寿命通信卫星平台先进性的重要标志。欧空局已经将电推进作为未来十大尖端技术之一。

当前，我国航天器工程已对应用电推进系统提出了非常迫切的需求，特别是新一代地球同步轨道卫星平台、深空探测航天器等。这些航天器的方案论证表明：如果不应用电推进系统，卫星平台就不具备先进性，不仅没有国际竞争力，甚至无法满足用户的要求；在现有运载条件下，某些深空探测任务将难以实现。

电火箭VS常规火箭

电火箭与常规火箭相比，没有庞大的身躯，就像一台小小的电子仪器，其推力也小得多。

通常常规火箭的推力可达30兆牛，这个巨大的能量可将成千上万吨的航天器送入太空。而一般的电火箭，由于电子的质量很小，它所产生的推力也就十分微弱，往往只有1/50牛。这种力量在地球上仅能托起一只乒乓球，与常规火箭相比，显得非常渺小。

不过，对于在太空中处于失重状态下的航天器来说，这个微弱的力足以推动其前行或移动了。1968年，美国首次将一组4个彼此相差90度的微型电火箭安装在一个同步卫星上。尽管这些电火箭只能产生很小的推力，但在几乎没有什么阻力的太空，它足以保证同步卫星的正确运行。

电火箭定位的精确度也令人吃惊。欧空局在2000年发射的6颗卫星上，全部采用了电火箭定位技术，它们在相隔500万千米的距离上，位置精确度却达到了1厘米。如此高精度的技术令人折服。

电火箭除了定位精准之外，还可以大大减少卫星和探测器上的化学燃料的携带量，节省下来的空间可以携带更多的仪器，提高效费比。例如，东方红四号卫星平台上有两个1400升的化学储剂箱，这里面的燃料主要是用来变轨的。采用了离子电推进之后，可以节省80%以上燃料，这样，卫星的自重也可大大降低，现在一颗通信卫星总重4.8吨，采用电推进技术，自重可减为1.8吨。星上原来只有56台转发器，可以把它增加到100台。也就是说，以后一颗用离子电推进系统的卫星，上面的科学仪器数量是现在的近两倍，而一个转发器产生的价值大约为100万美元。

电火箭按电能的推进剂不同，可分为电热系统、静电系统和电磁系统三类。与燃料消耗大、寿命短的化学火箭相比，使用电能推进剂的电火箭几乎不用担心推进剂用尽的问题，它可以长时间地连续运行，适合于各种卫星的姿态控制和轨道修正。欧洲首颗月球探测器“智慧”1号上采用的这种新型动力装置，利用高效砷化镓太阳能帆板把太阳光能转换成电能，并通过特设结构使部分电能产生电磁场；同时利用稀有惰性气体氙气作为工作介质。它比通常使用的化学火箭的效率要高出10倍，且需工作介质较少，可使航天器携带更多的有效载荷。由于太阳能是用之不竭的再生能源，因此它能在太空无重力状态下连续工作几年时间。

电推力是未来航天器的必选项

也许有人会问，我国多年来火箭和卫星一直采用化学燃料推进，改成离子电推进有必要吗？据有关人员分析，这不但完全有必要，而且我国的航天器要想在未来的太空有一席之地，在卫星上运用离子电推力器势在必行。

我国航天计划对电推进的应用需求，按照优先性及紧迫性分别为：同步轨道卫星位置保持、近地小行星探测、全电推进卫星、超静平台无拖曳控制、近地和中轨道卫星轨道维持等机动、火星以远深空探测等。目前，最为急需的是同步轨道卫星位置保持、近地小行星探测、全电推进卫星。其中同步轨道卫星位置保持的使命对电推进系统应用最为迫切，也是与百姓生活最密切相关的。一般来说卫星在太空中要保持住一个规定的南北方向的位置，如果位置保持不住，卫星上面的天线和相机就会发生偏离，影响到给地面传输的信号和照片，因此卫星的南北位置保持非常重要。我们现在使用的大部分通信卫星就是这种对南北位置保持要求很高的卫星，可以设想如果位置发生偏离，通讯就将中断，这会带来多大的损失？离子电推力输出推力非常稳定，更适合要求高度稳定的卫星。

目前国际上已发射和计划发射的应用离子电推进的航天器数量达57颗，而且应用电推进已经成为国际通信卫星是否先进的标准。

进入21世纪后，考察一个国家的航天能力不仅仅是能否探月、是否有空间站，还有能否开展对火星以远深空探测应用。要想搞好深空探测，离子电推进系统是必选项。我国深空探测长远发展规划中包括了采样返回、木星探测和柯伊伯带小行星探测任务。在现有运载条件依靠常规化学能火箭，完成这些深空探测任务几乎是不可能的。首先，深空探测距离很长，因此如果用化学燃料，火箭和卫星上大部份的位置将会被燃料所占据，那么相应的科学探测仪器将会减少很多，而且化学燃料成本也非常高。而在使用离子电推进系统之后，比冲是采用化学燃料的10倍，且需要的工作介质少，能在太空无重力状态下连续工作几年时间。美航宇局计算过采用离子电推力的探测器到达土星的飞行时间只需要3年，而传统航天器则要花费7年的时间。而且，用化学燃料推进的航天器需要选择合适的发射窗口，而离子电推进则不需要。鉴于此，有关部门已经确定在通信卫星平台上使用510所研制的离子电推进系统，目前各项研制工作正在顺利进行，预计2015年前后，510所自主研制的电推进系统将首次获得型号应用，中国航天将迎来空间推进技术的新时代。