电推进系统在深空探测中应用

肖应超

摘 要 推进系统是航天器的动力之源，随着近几十年来人类在太空探索中的不断深入，航天器推进系统也在不断完善与进步，从最早的冷气推进到化学推进，再到电推进以及未来将会采用的核推进，推进系统的发展也随着航天器任务的变化朝着质量更轻、效率更高、比冲更大、成本更低的方向发展。电推进技术由于其更高的效率和更大的比冲，必将成为未来航天器推进系统的主流。本文简述了电推进技术的发展历史，对现阶段的电推进系统的分类与特点进行了介绍，并指出了现阶段电推进技术的发展趋势。

关键词 航天器 推进系统 电推进系统

中图分类号：V439 文献标识码：A

1背景

航天技术水平作为衡量一个国家综合国力的重要指标，成为世界大国竞相发展的重要领域之一。而深空探测作为航天技术发展的重要组成部分，引起了各国的重点关注。推进系统是深空探测的关键技术之一，直接关系到探测任务能否顺利完成。随着探测任务难度的不断增加，对推进系统的要求也不断增加。工作稳定、比冲高、功率变化范围大等要求成为推进系统设计必须考虑的问题。传统的化学发动机喷射工质的速度较低，必须携带大量推进剂以保证完成任务，而这对于深空探测来说将会极大降低探测效率。电推进系统工质的出口速率可以达到化学系统的十倍以上，其可以大幅增加航天器的有效载荷率，并且由于其可重复启动、质量轻、寿命长，再加上近年来电推进技术的不断发展以及在深空探测器上的成功使用，电推进系统已经逐渐成为深空探测的主要推进系统。

2电推进系统的发展历史

电推进的理论开始于20世纪初期。1906年美国科学家便提出了用电能加速带电粒子产生推力的思想，1911年，著名的俄国科学家齐奥尔科夫斯基也曾设想利用带电粒子作为空间喷气的推进剂。随后的30、40年时间，全世界的科学家提出了多种电推力器的方案和理论，并且进行了大量的演示实验，论证了空间电推进的可行性。从20世纪50年代末开始，电推力器进入到了工程研究阶段。1958年，美国人成功运行了第一台铯接触式离子推力器，1960年，NASA运行了第一台电子轰击式离子推力器，苏联也于1966年试验了第一台静态等离子体推力器。至今，全世界大约有200多颗地球轨道卫星和深空探测器，使用过近500台电推进系统。电推进系统的发展方兴未艾。

3电推进技术的分类

电推进技术的种类多种多样，目前常见的可将电推进分为四类：电热式、电磁式、静电式、混合式。电热式有电阻加热、电弧加热、微波加热等形式。电阻加热是利用电阻加热器对工质加热使其膨胀喷出。电弧加热通过电弧放电加热气体工质，温度可以达到10000-20000K，其可获得更高的能量。微波加热是通过振荡的电磁场加热工质。电磁式有脉冲等离子推进和磁等离子推进等，电磁式主要利用电能电离工质并产生磁场，被电离的工质在磁场中受到洛伦兹力而加速喷出，形成推力。静电式有磁效应推进、离子推进等形式，其原理是利用静电场电离工质并加速带电工质。兼顾不同方式的技术，称为混合式，典型的有霍尔效应推进，霍尔效应推进器是目前一种技术比较成熟的推进系统，它兼具有电磁式或静电式的特点，带电离子在电场中加速，而电场则是由等离子体与磁场的相互作用产生的。

4目前典型的电推进航天器

4.1全电推进卫星平台

全电推进卫星是指星箭分离后完全依靠电推进系统变轨进入工作轨道，且入轨后位置的保持也采用电推进系统的卫星。2012年，波音公司首次推出了全球首款全电推进卫星平台，拉开了全电推进卫星平台研制的序幕。

4.2深空探测器的应用

日本隼鸟任务的目标是探测S类近地小行星丝川并采样返回地球，而离子电推进系统承担的任务主要是巡航阶段的主推进，此外，在其他的一些阶段还承担轨道偏心修正、姿态调整和位置保持等任务。美国黎明号则是一次真正意义上的利用电推进系统完成探测任务的航天器。在整个任务中，离子电推进系统提供发射后的速度增量，以满足卫星在行星之间的轨道转移。

5电推进系统的发展趋势

从电推进理论建立到试验的成功进行再到真正的应用，目前已经实施或者计划实施的采用电推进作为主推进的航天器仍然是屈指可数的，但每一个采用电推进系统的航天器都受到了全球各个国家的关注。在航天大国，电推进也已经被列为21世纪关键的航天技术。从大推力高比冲的航天器发展方向来看，电推进必将是一个重要的研究方向。按照目前状态来看，其发展必将经历小、中、大功率三个阶段。kW级的小功率太阳能电推进，应用在小型探测器，在改善航天器性能以及节省工质等方面具有优势。10-100kW级中功率太阳能电推进，应用于中型探测器，可以获得更好的飞行性能，但其还处于论证阶段。100kW以上级大功率太阳能或核能推进，其还处于设想阶段。随着人们对深空探测要求的不断增强，人们对于大推力高比冲的推进系统要求将会更加严格。就目前的技术条件来看，如果说化学推进还可以替代中小功率的太阳能电推进技术，但是大推力的核电推进则是化学推进难以替代的，核电推进系统几乎是实现大推力高比冲要求的唯一途径，因此，电推进系统也必将朝着核电推进系统发展。

6结语

随着空间技术的不断发展，深空探测成为众多航天大国重视的方向。为了完成既定的任务，需要不断完善推进系统。电推进系统正是在这样的背景下迅速发展起来的。从试验到正式应用，电推进系统将在深空探测和星际航行中发挥其独特的优势。虽然现阶段电推进系统还没有广泛的应用到航天器上，但相信随着各种关键技术的不断发展与成熟，未来的电推进技术必将大有用武之地。

参考文献

[1] 高扬.电火箭星际航行：技术进展、轨道设计与综合优化[J].力学学报，2011.

[2] 鄂鹏，于达仁.航天器电推进技术研究进展及发展方向[J].深空探测研究，2007.