全电推进卫星平台现状与进展

魏冰洁，孙小菁，王小永

（兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州730000）

全电推进卫星平台现状与进展

魏冰洁，孙小菁，王小永

（兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州730000）

全电推进技术的应用能够大幅缩减卫星推进剂携带量，增加有效载荷，是降低商业通信卫星研制及发射综合费用赢得市场的重要途径。在调研国内外全电推进平台的基础上，给出全电推进早期发展历史、现阶段技术特点、研究现状和未来发展趋势，为未来我国全电推进平台的开发研制提供有价值的参考。

全电推进平台；研究现状；技术特点

0　引言

地球同步轨道通信卫星的竞争日趋激烈，采取措施降低卫星研制及发射综合费用是赢得市场的重要途径。中小型通信卫星既可用于新兴市场的探索性开拓，也可以用于接替卫星市场，据预测，2013～2022年期间发射的重量4 200 kg以下的中小型通信卫星市场需求将占到40%，低成本中小型通信卫星将在国际市场占据重要地位[1-4]。

全电推系统采用高比冲的电推进系统（如离子电推进或霍尔电推进等）来实现星箭分离后的卫星轨道转移、卫星入轨后的在轨位置保持、动量轮卸载及离轨等任务，取代复杂的双组元统一推进系统，可大幅缩减卫星的推进剂携带量，在承载同等有效载荷重量情况下可使卫星发射重量下降约一半，从而可实现中小型通信卫星的一箭双星发射，有效降低综合研制费用。

目前，国际主流通信卫星研制商均开展了全电推卫星平台开发。基于波音公司全电推平台702SP的两颗通信卫星于2015年通过一箭双星方式进行发射。我国从2000年开始发射的多颗中等容量通信卫星，目前开始陆续达到服务寿命，需要发射接替卫星，采用全电推卫星平台将有效的满足商业通信卫星市场的低成本要求[5-6]。

1　国外全电推进技术研究

国外从20世纪50年代起就对电推进技术进行大规模的理论与试验研究，于20世纪80年代实现了电推进系统的空间商业应用，早期的电推进技术研究与产品研制主要针对单模式电推进，推力器输入功率大都在1 kW量级，主要目标为GEO卫星南北位保。在单模式电推进得到广泛和成熟应用后，20世纪末将电推进技术研究的重点转向针对GEO卫星轨道控制、轨道转移以及深空探测等多任务应用的多模式电推进领域，主要的研究国家有美国、俄罗斯、日本、英国、德国和法国等，其中美国、日本、英国和德国的研究重点为离子电推进，俄罗斯与法国则主要针对霍尔电推进开展研究，各个国家经过十多年的努力，多款多模式电推进系统相继研制成功并完成了大量地面试验验证，部分多模式电推进系统在GEO卫星平台上得到了广泛应用[7-13]。

1.1美国

美国波音公司于1999年成功研制出了双模式高性能离子电推进系统—XIPS-25氙离子电推进系统，主要针对新一代高功率通信卫星平台—BBS-702HP开发和研制，系统最高输入功率4.5 kW，具有高功率大推力和低功率高比冲两种工作模式，分别应用于卫星轨道提升或轨道转移和卫星位置保持[4]。1999年12月，XIPS-25离子电推进系统首次成功应用于Galaxy 11大型通信卫星执行卫星南北位保任务，此后XIPS-25在BBS-702HP平台各种卫星上得到广泛应用，承担卫星在轨工作期间的南北位保任务，以及变轨末期的GEO轨道圆化等部分轨道转移任务。截至2013年底，使用XIPS-25离子电推进系统的卫星总数达到了20颗[14-16]。

表1　XIPS-25离子电推进系统主要技术指标与工作参数

2010年，波音公司向全世界宣布正式启动全球首个全电推进卫星平台—BBS-702SP平台开发计划，其特点是取消了双组元化学推进，采用基于XIPS-25双模式离子电推进系统的全电推进技术，以实现卫星变轨与位置保持等所有推进任务，显著降低了卫星规模[17]。BBS-702SP平台本体尺寸1.8 m、1.9 m、3.5 m，起飞重量不超过2 000 kg，有效载荷重量500 kg，每颗卫星上共配置4台XIPS-25离子推力器，变轨阶段2台推力器同时工作，主要用于深空探测任务[5]。

2015年3月2日，欧洲通信卫星公司（EUTELSAT）的Eutelsat-115West B和亚洲广播卫星公司（ABS）的ABS-3A，采用一箭双星方式成功发射，这是全球首个全电推进卫星平台—波音公司BBS-702SP平台的首次发射。同年9月ABS-3A和Eutelsat-115分别先后抵达预定轨道开始工作。XIPS-25因此成为全球第一个，也是截至目前唯一一个应用于全电推进卫星平台的多模式电推进系统，如图1所示。

图1　XIPS-25离子推力器和PPU

除离子电推进外，美国也同步开展了霍尔电推进技术研究与产品开发工作。洛克希德·马丁公司针对A2100M平台应用，于1998年前后与Aemiet公司联合发展了5 kW多模式霍尔电推进—BPT-4000，该系统中霍尔推力器输入功率为3.0～4.5 kW，比冲为1 769～2 076 s，推力为168～294 mN，工作电压为300～400 V，寿命超过6 000 h。基于A2100M平台的先进极高频大型军用通信卫星已于2010～2013年期间发射成功[18-19]。2013年9月，洛马公司开始对A2100M平台进行全电推进升级改造，将使用更大推力的霍尔推力器减少卫星入轨时间，并且支持一箭双星发射[7]。

1.2俄罗斯

俄罗斯是世界上最早开展电推进技术研究的国家，首先在霍尔电推进技术上取得了突破，并于1982年在世界上率先实现了电推进技术的空间应用，代表性产品有输入功率为1.35 kW的SPT-100低功率单模式霍尔电推进器，应用领域主要为GEO卫星南北位置保持。20世纪90年代SPT系列霍尔电推进产品广泛进入商业化应用阶段[20-21]。

在SPT-70和SPT-100得到广泛、成熟的商业应用后，2002年前后开发出了输入功率为4.5 kW的多模式霍尔电推进系统—SPT-140，如表2所列。俄罗斯通常利用火箭的上面级使用直接入轨式将卫星送入轨道，再利用霍尔推力器进行卫星的位置保持，达到了全电推进平台减少推进剂携带量，增加有效载荷的目的。2013年12月俄罗斯卫星通信公司（RSCC）发射的Express-AM5卫星，使用霍尔推力器完成轨道转移，于2014年3月进入预定工作轨道，成功验证了霍尔电推进技术完成轨道提升任务的能力，为未来全电推进卫星研制打下坚实的基础[8，22-23]。

表2　俄罗斯SPT-140霍尔推力器主要技术指标与工作参数

1.3日本

日本东芝公司针对GEO卫星轨道转移和星际探测应用，在单模式IE-12基础上，开发研制了高功率多模式直流放电型离子推力器IE-35，该产品在实验室模型5 000 h试验中的性能为功率3.3 kW、推力器150 mN、比冲3 518 s，表3列出了该产品的主要性能拓展验证结果。目前该产品仍处于地面开发与验证阶段，其性能达到了全电平台高比冲大推力的需求，未来可用于全电推进卫星平台的开发研制[24]。

表3　日本高功率多模式离子推力器IE-35主要性能

1.4欧洲

针对GEO卫星和深空探测器应用，为满足全电平台大功率高可靠性能需求，欧洲各国积极开展多模式电推进的研究。其中德国和英国的研究主要针对离子电推进，法国则面向霍尔电推进。

英国QinetiQ公司于90年代中期成功开发出多模式离子电推进产品T-6。该推力器束流直径22 cm，最大额定功率4.5 kW，具有5种工作模式，应用目标为欧空局贝皮—科伦布（BepiColombo）水星探测器推进任务和欧空局AlphaBus通信卫星平台南北位保及轨道提升任务[25-26]。

表4　英国T6推力器主要性能指标与工作参数

德国从1960年起就开始独立发展射频离子电推进系统，2001年12月，ESA的阿特米斯（Artemis）卫星采用两套RIT-10和两套英国T-5离子电推进系统进行卫星南北位保任务。RIT-22是德国针对欧洲水星探测使用和GEO卫星南北位保与轨道提升等未来大速度增量、高比冲任务需求所开发的一款多模式离子电推进系统，如表5所列[27-28]。

表5　德国高功率多模式离子推力器RIT-22主要性能

法国在引进SPT-100霍尔推力器的基础上，成功研制了霍尔电推进PPS 1350-G系统，并成功应用于2003年9月27日发射的SMART-1月球探测器主推进任务。PPS 1350-G推力器额定功率1 500 W，推力89 mN，放电电压350 V，比冲1 650 S。已经通过10 500 h的长寿命高可靠的实验验证。欧洲的新一代大型GEO平台@Bus初期采用4台PPS 1350-G霍尔推力器执行南北位置保持任务，后期将采用5 kW级的PPS 5000多模式霍尔推力器，扩展执行轨道提升任务[29]。PPS 5000霍尔推力器总冲超过7×106N·S，推力210～360 mN，比冲1 650～2 550 s，功率4.5～6 kW。在研制传统结构霍尔推力器的同时，欧洲Thales公司于2000年左右提出了高效率多级等离子体推力器（High Efficient MultistagePlasma thrust⁃er，HEMP）的多模式霍尔推力器，其采用轴向串联的多级磁场拓扑结构，大大降低等离子体对放电室壁的碰撞和削蚀，实现长寿命。HEMP将在Small GEO平台上进行在轨试验[30-31]。

2013年，ESA和OHB与SES（卢森堡欧洲卫星公司）联合开发全电推进卫星平台—Electra平台，其基于OHB公司的SGEO平台进行开发，基本配置为4台大功率霍尔电推进器，每台最大功率3.2 kW。首颗卫星计划于2018年发射[32]。

2　国内全电推进技术研究

我国首个全电推进卫星平台和下一代地球同步轨道卫星平台均确定采用电推进系统，承担卫星在轨期间的全位保和轨道转移任务。国内从事电推进技术研究的单位较多，但开展空间应用产品开发与研制的单位只有510所、801所和502所三家单位，2013年之前，国内各单位电推进产品开发主要针对低功率单模式离子与霍尔电推进，并在这一领域取得了许多技术突破，积累了比较丰富的产品研制经验，510所针对GEO卫星南北位保应用研制的LIPS-200离子电推进系统和801所开发的HET-70霍尔电推进系统于2013年底在SJ-9A卫星上完成了空间飞行试验，系统对空间环境的适应性以及在轨工作稳定性、可靠性和与卫星间的工作相容性得到了良好验证。2012年，510所的LIPS-200电推进入选我国中等容量通信卫星平台电推进分系统标准配置，承担卫星在轨全寿命周期中的南北位保任务，这是我国电推进产品的首次空间应用，目前LIPS-200电推进已进入AIT阶段，同时完成了离子推进地面1∶1寿命验证，累计点火时间超过12 000 h、开关机次数超过6 000次，试验结果表明，LIPS-200离子电推进系统已经具备确保卫星在轨可靠运行15年以上的能力，且具有较大的寿命裕度空间。同时，也标志着我国在离子电推进长寿命与高可靠方面取得了重大进展和重要技术突破。

近10年来，国内在电推进技术研究与产品研发方面取得了快速发展，离子与霍尔两种国际主流电推进系统研制所涉及的许多关键技术陆续得到解决与突破，多种类型、不同规格的单模式电推进产品相继研制成功，并完成或即将开展在轨飞行试验，针对通信卫星的全电推进平台也在开发研制过程中。为我国电推进产品的航天型号应用奠定了良好的技术与产品基础，与国外航天技术先进国家之间在电推进领域的技术与产品差距显著缩小。

3　全电推进技术发展趋势及特点

3.1发展趋势

全面分析国内外全电推进的技术发展、产品研制与空间应用，可以看出，全电推进具有两个方面的技术发展趋势。

（1）以成熟的单模式电推进基础开展多模式技术开发研究，无论是美、俄还是欧、日，针对多模式电推进的技术研究与产品研制都是在充分继承已得到广泛应用或飞行验证的单模式电推进技术与产品基础上来开展，如美国XIPS-25的研制基于XIPS-30技术与应用的成熟性；俄罗斯的SPT-140是在SPT-100得到广泛应用，技术已达到成熟与稳定基础上开发的；英国的T-6、德国的RIT-22和日本的IE-35也分别是在T-5、RIT-10和IE-12等单模式电推进实现航天应用的基础上通过进一步的设计增强与改进开展产品的开发与研制工作。

（2）各推力器生产商充分考虑技术的继承性，美、俄、日、欧等航天机构，正在依据各自在电推进领域的技术优势，分别在同步、并行开展离子与霍尔两种多模式电推进技术研究、产品开发与研制及型号应用等工作，其中英国、德国与日本以离子型为主，俄罗斯和法国则主要针对霍尔类型，美国在离子与霍尔两种类型上同时都在开展工作。

3.2技术特点

（1）大功率、高效率。仅针对GEO卫星南北位保应用的单模式电推进相比，国外多模式电推进的性能大幅提高，离子电推进的推力从单模式的几十mN提高到了大推力模式下的200 mN左右，以适应GEO卫星轨道提升或轨道转移时间要求，最高比冲也从2 000～3 000 s之间提高至4 000 s左右；霍尔电推进的推力也从几十mN提高到了大推力模式下的接近300 mN以适应GEO卫星轨道提升或轨道转移时间要求，最高比冲也从1 500 s左右提高至2 000 s以上。推力指标的提高也极大地提升了系统或推力器对输入功率的需求，国外多模式电推进，无论是离子还是霍尔，其推力器最高工作功率基本上都在5.0 kW左右，与单模式相比整整提高了3～5倍。同时对于多模式电推进，离子推力器电效率控制在72%～80%左右，推进剂利用率在75%～90%左右，霍尔推力器电效率60%～70%，相比单模式都有所提升。

（2）高可靠、长寿命。由于全电推进不仅要承担南北位保、东西位保、动量轮卸载等卫星在轨期间的轨道控制任务，而且还要完成卫星轨道提升或全部轨道转移任务，全电推进卫星平台将完全取消原有的化学推进，卫星从星箭分离后的所有推进任务全部由电推进系统承担，多任务使命对其工作寿命与可靠性提出了更高要求。多模式下离子推力器总比冲能够达到4 000 s，最高能达到5 200 s，霍尔推力器可以达到2 100 s，与单模式相比提高了30%～40%。

4　总结

国外针对全电推进卫星平台，开展了大量的研究工作，已突破多项关键技术，国内研究也紧跟着其发展趋势。通过比较国内外全电推进技术特点，结合我国电推进技术发展现状，建议我国全电推进技术发展方向：充分利用我国已开展的离子、霍尔推力器研究成果，以成熟的单模式电推进为基础，开展多模式电推进技术研究。通过对推力器放电室、栅极技术优化，提高推力器的输出能力和比冲。合理设计不同工作模式下推力器的工作参数，确保各模式下推力器性能的匹配。并积极开展多模式电推进器和全电推进系统的仿真模拟研究。

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THE REVIEW OF ALL-ELECTRIC PROPULSION PLATFORM ON SATELLITE

WEI Bing-jie，SUN Xiao-jing，WANG Xiao-yong
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

The application of All-Electric Propulsion Platform allows fewer propellant and more payload on satellite，which is an important approach to lower the research and launch costs of commercial communication satellites.Base on the investigation about the development of All-Electric Propulsion Platform，this paper introduces the early development history，current technical characteristics，research status and the prospects of All-Electric Propulsion Platform.It provides a reference on the development of All-Electric Propulsion Platform.

All-Electric Propulsion Platform；research status；technical characteristics

V439

A

1006-7086（2016）05-0301-06

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.05.012

2016-06-14

魏冰洁（1989-），男，甘肃兰州人，硕士研究生，主要从事空间电推进技术研究。E-mail：weibingjie@163.com。