高性能电推进系统的发展及在GEO卫星平台中的应用

任亚军，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）

0 引言

电推进作为一种先进、高效的空间推进技术，具有比冲高、寿命长等显著优势，采用电推进技术可延长航天器工作寿命或提高有效载荷质量比也可减轻发射质量、降低发射成本。电推进已成为提升航天器整体性能与技术水平的重要手段，美国、俄罗斯、欧洲等国外航天技术先进国家和地区在20世纪90年代中期，已经实现了电推进系统在航天器中的商业应用，取得了显著的经济效益[1-2]。进入21世纪后，电推进在航天领域中的应用更加广泛和深入[3-8]，不仅应用范围从GEO卫星拓展到了LEO卫星和深空探测等领域，在GEO卫星上所承担的任务也已从应用初期单一的南北位保逐步向包括南北位保、东西位保、偏心修正、动量轮卸载以及轨道转移等在内的多任务发展。在系统调研国外电推进系统研制与发展历程的基础上，介绍了高性能电推进系统在国外先进GEO公用卫星平台上的应用情况，并对电推进系统在我国GEO卫星中的应用提出了建议。

1 电推进技术的发展

自20世纪初美国科学家戈达德（Goddard）和俄罗斯科学家齐奥尔科夫斯基（Циолковский）提出用电能加速带电粒子产生推力（即电推进）的概念以来，电推进技术已经历了一百多年的历程，取得了重要的理论与试验研究成果，实现了电推进系统在航天领域的应用。

总体来看，电推进技术的发展可以划分为四个阶段[9]，第一阶段：1902～1964年，为电推进概念提出及原理探索阶段，该阶段对电推进技术进行了大规模的理论与试验研究，并开发出了离子、霍尔等各种类型电推进原理样机产品；第二阶段：1964～1980年，为电推进系统地面与在轨飞行验证阶段；第三阶段：1980～2000年，为电推进系统初始应用阶段，这一阶段，世界各国的电推进产品相继实现了空间应用；第四阶段：2000～2017年，为电推进系统深化应用阶段，多种类型的电推进系统在各类航天器得到广泛应用。

目前，世界各国正在针对未来航天应用新需求，进行大功率、多功能和高性能电推进系统的开发与研制工作。

2 高性能电推进系统研制及发展

电推进系统的性能主要取决于电推力器的性能。根据工质加速方式的不同，电推力器通常分为电热式、电磁式和静电式三种类型。电热式推力器利用电能加热工质，使其气化、分解，再经喷管膨胀后加速排出，产生推力。电磁式推力器利用电能使工质形成物质的第四态—等离子体，等离子体在外加电磁场作用下加速从喷管排出，产生推力。静电式推力器是利用电能将易于离解的工质离解，形成电子和离子，然后使带正电的离子在静电场作用下加速排出而产生推力。

美、俄、日、欧等航天技术先进国家和地区相继成功开发和研制出了数十种各种类型的电推进系统，并开展了多次在轨试验和飞行验证。与电热式电推进相比，静电式（也称离子式）和电磁式电推进系统，具有比冲更高（1 500 s以上）、寿命长、综合性能好等优点，属于高性能电推进系统。

2.1 前苏联/俄罗斯

前苏联/俄罗斯是世界上最早研制和应用霍尔电推进的国家，主要研制单位为火炬设计局（Fakel），科尔德什研究中心（KeRC），中央机械制造研究院（TsNIIMAsH）等。 早在1955～1957年，前苏联就开始试验脉冲等离子推力器（PPT）；1966年，库哈托夫原子能研究所的Morozov教授成功研制和试验了世界上第一台静态等离子体推力器（SPT），此后前苏联便将电推进研究重点放在了SPT方面，经过Fakel、莫斯科航空学院等单位长期深入的研究和改进，先后开发出了多种不同规格的霍尔电推进系统。1972年，在流星号气象卫星上首次使用2台SPT-60等离子体推力器进行轨道调整，1978年，又在Meteor-Priroda卫星上开展了SPT-50轨道转移试验，俄罗斯SPT霍尔电推进的真正空间应用是1982年5月17日发射的GEO通信卫星Kosmos 1366，该卫星采用4台SPT-70霍尔推力器，执行卫星南北位保任务，1994年10月，SPT-100霍尔电推进也成功实现了空间应用。

另外，俄罗斯科尔德什研究中心从20世纪60年代开始一直在进行离子电推进的研制工作，1966～1971年前苏联先后在4枚琥珀号电离层探测器上，开展了电子轰击式离子推力器空间弹道飞行试验，1969年又在离子号地球物理探空火箭上试验了铯接触式离子推力器，此后很长一段时间，这类推力器的研制处于停滞状态，直到1992年，科尔德什研究中心又开始研制直径为5 cm和10 cm的小功率电子轰击式离子推力器IT-50和IT-100，这两种推力器的推力范围分别为2～5 mN和7～18 mN。目前该中心还在发展30 cm电子轰击式离子推力器，但俄罗斯的离子推力器至今未得到应用。表1列出了俄罗斯研制的部分高性能电推进系统的主要性能。

表1 俄罗斯高性能电推进系统主要性能Table 1 The key parameters of high performance electric propulsion system in Russia

2.2 美国

美国主要研究机构包括波音公司、NASA格伦研究中心、Aerojet公司、Busek公司和洛克希德·马丁公司等。美国电推进发展的重点是电子轰击式（Kaufman型）离子电推进。1959年，NASA的Har⁃old Kaufman研制成功了电子轰击式离子型推力器，1964年7月，美国在SERT-1卫星上成功进行了世界上首次离子电推进系统飞行试验，1970年2月，2台5 cm直径的汞离子推力器首次应用于GEO卫星执行姿态控制和南北位保任务，1974年，在应用技术卫星ATS-6上，使用2台8 cm直径的电子轰击式铯离子推力器进行了南北位保试验。20世纪80年代后，休斯公司（Hughes）和NASA的格林研究中心成功研制出了13 cm、20 cm、30 cm氙离子电推力器，并相继开发出了XIPS-13、XIPS-25、NSTAR-30离子电推进系统，先后于1997年、1998年和1999年、2007年成功应用于GEO平台卫星和DS-1、DWAN等深空探测航天器，1997年8月XIPS-13离子电推进系统在美国泛美卫星（PAS-5）上首次应用成功，开创了卫星推进技术的新纪元；1998年10月，世界上第一个采用电推进作为主推进的深空探测器—深空一号（DS-1）探测器发射升空，探测器上携带了一套NSTAR-30离子电推进执行探测器的轨道推进任务，截至2001年12月，探测器完成全部预定飞行任务，离子电推进累计在轨工作16 265 h，这是世界航天史上首次使用电推进作为主推进的星际飞行，是电推进发展史上具有里程碑意义的事件。截至2013年底，使用XIPS-13的GEO卫星总数已达到18颗离子电推进系统，应用XIPS-25离子电推进系统的卫星总数达到了20颗，XIPS-25不仅承担卫星的全部位置保持任务，同时作为卫星入轨任务的备份推进系统，执行卫星最终GEO轨道圆化的部分轨道转移任务。

在离子电推进系统成功实现空间应用后，美国于上世纪90年代末也启动了霍尔电推进系统的研制工作。2001年，研制出了拟计划用于空军实验室TacSat-2卫星主推进的200 W霍尔电推进系统BHT-200，2003年11月完成了寿命试验，2005年交付用户进行总装，并在2006年12月16日发射的TacSat-2卫星上作为试验载荷开展了飞行鉴定。另外，从1998年开始，在经过不断的测试验证及设计改进与优化后，2003年Aerjet与Busek公司联合成功研制出了高功率霍尔推力器BPT-4000工程鉴定样机（EQM），2004年推力器通过了全部鉴定试验，2006年BPT-4000电推进系统研制工作全部完成，并开展6 000 h的工作寿命验证。BPT-4000针对GEO卫星轨道转移、在轨位保等任务应用研制，具有双模式工作特性，4.5 kW大推力模式下的性能测试结果为推力294 mN、比冲1 844 s、效率57%，3.0 kW高比冲模式下的性能测试结果为推力168 mN、比冲1 969 s、效率56%，该推力器总冲设计值大于4.6×106N·s，开关机次数大于6 300次。

为了实现电推进应用效益最大化，2013年，美国波音公司推出全球首个全电推进卫星平台—BBS-702SP，该平台选用XIPS-25离子电推进系统承担卫星的轨道转移、在轨位保等全部推进任务，2015年3月1日，美国太空探索公司（Space X）采用猎鹰9中型火箭将亚洲广播卫星公司ABS-2A卫星和墨西哥卫星公司Satmex-7卫星已一箭双星方式发射升空，实现了全电推进卫星的全球首飞应用，卫星上携带了4台XIPS-25离子电推力器，经过大约8个月时间的轨道转移，可将卫星送入预定GEO轨道。

目前，美国正在进行针对未来更远距离星际探测任务的高功率、高比冲、长寿命氙离子电推进系统的研制，主要包括针对太阳能机器人探测使命的NEXT-40、针对木星冰月探测器应用的NEXIS、Hi⁃PEP、碳栅极NSTAR等，其中NEXT-40已进入最后的寿命验证阶段。表2列出了美国研制的部分高性能电推进系统的主要性能。

表2 美国高性能电推进系统主要性能Table 2 The key parameters of high performance electric propulsion system inAmerica

2.3 欧洲

英国对电推进技术的研究始于1967年，研制重点集中在电子轰击式离子电推进，2001年12月ESA发射的静止轨道卫星—Artemis卫星采用两套T-5离子电推进系统和两台德国射频离子电推进系统RIT-10担负卫星南北位置保持控制任务，2009年3月17日欧洲重力场测量与海洋卫星发射升空，星上装载有两套T-5离子电推进系统互为备份，承担卫星的大气阻尼补偿任务，实现卫星无拖曳飞行，截至2013年卫星任务终结时，离子电推进系统累计在轨工作时间20 000 h以上。T-6离子电推进系统是英国在T-5研制基础上针对欧洲Bepi Colombo（贝布克伦布）水星探测任务和欧洲重型GEO卫星平台—AlphaBus平台应用开发的一款高功率、多模式离子电推进系统，T-6推力器束流直径22 cm，2.43 kW下的性能设计指标为推力75 mN、比冲4 120 s，4.5 kW下的推力设计指标为145 mN、比冲3 710 s，目前该系统正在进行发射前最后的地面测试与试验。

法国在上世纪60年代曾发展过多种类型电推进系统，70年代将重点转移至10 cm电子轰击式离子电推进上。1992年，斯奈克玛（Snecma）飞机制造公司与俄罗斯Fakel合作，在对SPT-70进行设计改进的基础上研制出了PPS-1350静态等离子体推力器。基于PPS-1350的霍尔电推进系统在2001年12月发射的法国电信卫星STENTOR上开展了南北位保试验，随后在2003年9月27日发射的ESA第一颗月球探测器—SMART-1上作为主推进得到了应用，PPS-1350在地面共完成了10 500 h、7 300次开关的长寿命试验，总冲达到3.39×106N·s。1999年初，斯奈克玛与阿尔科特（Alcatel）合作，针对欧洲未来大型商业卫星和高功率星际飞行任务应用需求，开始研制PPS-X000系列高功率霍尔电推进系统，2003年研制出了5.0 kW级的PPS-5000，典型性能为功率5.0 kW、推力200 mN、比冲2 200 s，15年GEO位保任务的设计寿命8 000 h，总比冲7×106N·s，在6.0 kW功率水平轨道转移扩展任务中性能可达到340 mN、3 200 s，2004年底系统试验模型完成了设计，目前正在进行地面验证试验。2001年，ESA与俄罗斯科尔德什研究中心合作开始为Astrium研制1.5～2.5 kW功率霍尔电推进系统ROS-2000，并在年内开展了寿命试验，2003年2台ROS-2000霍尔推力器完成了性能扩展试验。

德国从事电推进系统研制的单位主要为吉森大学，从1960年起就开始独立发展射频离子电推进系统。表4列出了这几款射频离子电推进的主要性能参数。1992年，RIT-10在欧洲航天器的尤里卡（Eureca）空间平台上开展了飞行试验，2001年12月，ESA的阿特米斯（Artemis）卫星采用2套RIT-10和2套英国T-5离子电推进系统进行卫星南北位保任务。RIT-22针对欧洲水星探测任务所开发，RIT-45则计划用于月球与火星运输飞行等，其设计寿命50 000 h，在实验室样机上完成验证的最高性能为57 kW、1 300 mN。

表3 法国高性能电推进系统主要性能Table 3 The key parameters of high performance electric propulsion system in France

表4 德国高性能电推进系统主要性能Table 4 The key parameters of high performance electric propulsion system in Germany

在研制传统结构霍尔推力器的同时，欧洲Thales公司于2000年左右提出名为高效率多级等离子体推力器（High Efficient MultistagePlasma thruster，HEMP）概念。HEMP推力器采用轴向串联的多级磁场拓扑结构，大幅降低等离子体对放电室壁的碰撞和削蚀，实现长寿命。

3 高性能电推进系统在GEO卫星平台中的应用

GEO卫星平台是高性能电推进系统最早开展在轨飞行验证和最广泛的应用领域，也是当前和将来世界各国重点发展的领域之一。为了实现更高的有效载荷容量和更长的在轨工作寿命，目前国外主流GEO公用卫星平台，尤其是大型通信卫星平台基本都配置了高性能电推进系统。

3.1 俄罗斯[10]

俄罗斯高轨卫星的特点是由运载火箭上面级直接送入地球静止轨道（GEO），没有远地点变轨发动机，卫星轨控通过电推进实施，俄罗斯采用电推进的GEO卫星平台主要有KAUR、快讯（Express）、和亚马尔（Yamal）。

Yamal是俄罗斯能源火箭空间公司研制的商业通信卫星平台，包括Yamal-100、Yamal-100M和Yamal-200等型号。俄罗斯从1999年起开始发射采用Yamal-100卫星平台的通信卫星，每颗卫星装有10台C频段转发器，质量为1 254 kg，设计寿命10年。与Express平台一样，Yamal平台也采用SPT-100霍尔电推进系统执行卫星全部位置保持任务，每颗卫星配置8台SPT-100推力器，其首发星为Yamal-101，1999年9月6日发射。此后，俄罗斯能源火箭空间公司又研制了更先进的Yamal-300卫星平台，采用该卫星平台的卫星质量达到2 600 kg，有效载荷功率达10 kW，可装24台Ku转发器，工作寿命达15年。

3.2 美国

3.2.1 BBS-601HP平台

BBS-601HP平台是美国原休斯（现为波音）公司于20世纪80年代开发的一款GEO通信卫星公用平台，该平台设计寿命15年，可提供给载荷的最大功率达10 kW，属于当时最先进的卫星平台。BBS-601平台采用NASA GRC研制的XIPS-13离子电推进系统执行卫星南北位保任务，每颗卫星上配置4台XIPS-13离子推力器，该平台首发星为美国泛美卫星-5（PAS-5），于1997年8月28日发射，12年来共发射卫星18颗，使用XIPS-13离子推力器共计72台，2009年5月16日发射的IndoStar2卫星是BBS-601HP平台发射的最后一刻卫星，目前该平台已退役。

3.2.2 BBS-702HP平台

BSS-702HP平台是Boeing公司继BSS-601HP平台后开发的新一代采用离子推进系统的卫星平台。该平台上配置有两套完全冗余的XIPS-25离子电推进子系统，每个子系统都备有电源、推进剂供给系统和两台XIPS-25离子推力器，XIPS-25离子电推进子系统的主要任务是卫星在轨全寿命周期内的位置保持，在卫星入轨后，4台离子推力器每天分别工作一次，完成卫星轨道控制所需的所有任务，包括南北位保（NSSK）、东西位保、姿态控制和动量轮卸载，子系统同时具有备份实现变轨的能力，在化学推进分系统中的远地点发动机出现故障无法正常工作时，执行卫星轨道转移任务，该功能已在部分卫星上实现了应用，子系统很好地完成了卫星从GTO+到GEO最后阶段的轨道圆化等部分变轨任务。BSS-702HP平台首发星—Galaxy11于1999年12月22日由Ariane-44L发射，卫星质量4 484 kg，设计寿命15年。截至2013年，该平台共发射卫星22颗，推力器使用数量88台，目前BBS-702HP平台仍在服役。

3.2.3 BBS-702SP

BBS-702SP平台是美国波音公司于2012年3月向全世界推出了一款中小型全电推进卫星平台，也是全球第一个全电推进卫星平台。该平台本体尺寸1.8 m×1.9 m×3.5 m，发射质量不超过2 t，可承载500 kg有效载荷（51路转发器），3～8 kW有效载荷功率，设计寿命15年。BBS-702SP最大特点是取消了双组元化学推进系统，采用电进推实现变轨和位置保持，平台采用4台XIPS-25离子推力器承担星箭分离后包括轨道转移和南北位保在内的卫星全部推进任务，变轨时2台推力器同时工作，电推进系统推进剂（氙气）携带量可达400 kg。BBS-702SP平台由于质量变小，可采用一箭双星发射，从而可大幅节省发射成本。该平台一经推出，即获得4颗卫星研制合同。2015年3月1日，美国太空探索公司（SpaceX）采用猎鹰9号中型火箭将2颗BBS-702SP平台卫星—亚洲广播卫星公司卫星ABS-3和欧洲通信卫星-115West B送入远地点高度63 000 km、近地点高度410 km、倾角为24.8°的GTO转移轨道，经过XIPS-25离子电推进系统8个月左右的变轨推进，卫星最终准确进入预定的GEO轨道。

3.3 欧洲

3.3.1 ARTEMIS卫星

ARTEMIS是由Alenia Spazio公司作为主研制方，为欧空局提供的地球静止轨道卫星，主要目的是应用和提高先进的通讯技术。ARTEMIS卫星为三轴稳定卫星，发射质量3 100 kg，设计寿命10年。为了提高卫星南北位保的能力，验证离子推进系统的性能，ESA于2001年7月12日采用阿里安5火箭发射了ARTEMIS，星上装有2台德国RIT-10射频离子推力器和2台英国的T-5电子轰击式离子推力器承载南北位置保持任务，可惜由于运载火箭末级发生故障，卫星发射失败，卫星进入无用的低椭圆轨道上。后来利用星上的RIT-10推力器，经过18个月轨道转移，于2003年1月31日成功将卫星从31 000 km的停泊轨道，挽救至预定的GEO，充分验证了高性能电推进系统承担GEO卫星轨道转移的能力。3.3.2 AlphaBUS平台

AlphaBUS平台是ESA、Astrium和Thales联合开发的欧洲新一代超大型通信卫星平台，是目前世界上综合性能最高的通信卫星平台，平台起飞质量8 600 kg、载荷质量1 500 kg、载荷功率12～18 kW，设计寿命15年。与第四代通信卫星平台相比，Al⁃phaBUS具有更高功率、更大的容量和更长的使用寿命。AlphaBUS平台采用稳态等离子体电推进系统执行卫星南北位置保持任务，所使用的推力器为法国SNECMA的霍尔型PPS-1350-G，电推进系统配置的推力器数量为4台。2007年11月ESA与海事卫星（Inmarsat）签署AlphaBUS平台首发星发射合同，卫星名称为AlphasatⅠ-XL。2013年7月25日，ESA在法属圭亚那航天中心用Arinane-5成功发射国际海事卫星组织海事卫星-4AF4通信卫星群的最大卫星AlphasatⅠ-XL，该卫星质量6 649 kg，号称世界上最重通信卫星。AlphaBUS初期采用4台PPS1350-G霍尔推力器执行南北位置保持任务，后期计划采用5 kW级的PPS 5000霍尔推力器，扩展执行轨道提升任务。

4 结论与建议

分析国外高性能电推进系统发展与GEO平台应用历程，有五个方面的特点：（1）在GEO平台中得到广泛应用的高性能电推进系统主要包括静电加速式离子电推进系统和霍尔式稳态等离子体电推进系统两种类型；（2）GEO平台南北位保任务主要采用1.0 kW级中等功率电推进系统，全位保+部分轨道转移任务和全电推进平台主要采用5.0 kW级多模式高功率电推进系统；（3）电推进商业应用前，均开展了非常充分的验证试验，尤其是在轨飞行验证；（4）应用初期主要以单一的南北位保任务为主，待技术成熟和应用稳定后，逐步向全位保+部分轨道转移的多任务应用发展，最后实现以全电推进为代表的全面、深化应用；（5）电推进在GEO平台中的应用已经打破了国与国之间的界限，美国卫星平台广泛采用俄罗斯电推进产品，欧洲更是非常重视与其他航天技术先进国家之间的合作与协同，全面推动电推进系统研发和在GEO卫星中的应用。

针对国内电推进系统技术现状及GEO卫星迫切商业应用需求，就电推进在我国GEO卫星平台应用，提出五个方面的建议：（1）以需求为牵引，深入开展电推进GEO平台应用所需关键技术攻关，尽快突破制约电推进深入应用所对应的多模式高功率电推进系统研制和多任务在轨应用等关键技术；（2）地面模拟与在轨飞行验证是电推进商业飞行应用的基础和前提，商业应用前必须开展各级试验，确保系统可靠性与在轨应用技术验证充分；（3）遵循循序渐进的应用发展路线，首先开展南北位保等单一任务应用，不断完善应用技术与体系，积累应用经验，南北位保应用技术成熟与稳定后，逐步向全位保、全位保+部分轨道转移发展，最后进入全电推应用；（4）大力开展国际合作，吸收和借鉴国外先进研制技术和成熟应用经验，加快我国电推进系统GEO平台商业应用步伐；（5）高性能电推进系统开发与应用应兼顾国内任务需求及技术与产品先进性，快速提高我国GEO卫星平台综合性能，加速我国GEO卫星产品国际化进程。

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