台湾自主卫星推进器的研发

孙明莉 张涛

人造卫星在今日人们的生活中已占有相当重要的地位。台当局1992年成立“太空计划室筹备处”，1996年开始组织研制“中华卫星1号”，1999年“中华卫星1号”在美国发射升空。2003年，“太空计划室”改名为“国研院太空中心”（简称“太空中心”），主要任务为建立台湾自主航天科技实力，满足社会民生的需求，推动尖端太空科学研究。经过多年发展，该中心现已经建立一套较完整的航天科技发展基础设施，包括卫星整装测试厂房、地面操控系统、影像处理系统和卫星研发实验室等核心设施，并借由卫星研制计划的推动与执行，成为台湾发展航天科技的重要平台。

除太空中心外，岛内部分高校，如中央大学、新竹交通大学、成功大学、新竹清华大学、屏东科技大学、虎尾科技大学、台北科技大学、高苑科技大学等也都各自成立有航太工程系、太空研究所、探空科学实验室等，开展各类航天科技实验研究，同时培养太空科技研发人才。仅在2016年就合计培养硕博生约650人。

台湾太空科研目前主要针对“福卫”系列卫星开展研制工作，包括在外国企业合作指导下，开展卫星本体构造、卫星电脑及飞行控制、卫星推进器、卫星机电设备、光学遥测载荷、卫星任务操作、遥测影像处理技术、系统工程等设计研制工作。

2017年8月，台湾自称首颗完全自行设计制造的对地光学遥测卫星“福卫5号”，由美国运载火箭发射入轨，结果却出现传回的照片影像模糊不清的现象。经分析认为是由于仪器镜头焦距偏移造成，且经遥控校准仍无法改善，表明台湾航天科技基础仍有待提高。

卫星姿态与轨道控制

众所周知，在距地球表面100公里以上的人造卫星，仍会受到稀薄气体的阻力，以及地球非正球体效应、太阳及月球引力、潮汐、太阳辐射压等外力的干扰，使卫星的运行速度与姿态不断产生变化，进而造成轨道偏移。因此卫星自运载火箭点火开始，便需不断监控自身轨道位置与姿态的变化，并在运载火箭弹射布放与轨道运行阶段进行轨道与姿态的调整，甚至进行轨道变换操作，使其进入正确轨道执行任务。这些操作都是由卫星上的喷射推进与姿态控制系統完成，是其维持、调整与变换轨道时的唯一动力来源。通过提供反向推力来缓和入轨速度，以确保卫星在地球轨道执行姿态调整控制、位置保持、轨道修正和空间机动等任务，让卫星能安然保持在与地球相对不变的轨道上。

卫星喷射推进系统是利用流体压力差流动的特性，驱动燃料由高压往低压处不断喷出，以产生作用力使卫星前进，卫星推进器就是利用这一原理开发而成。卫星推进器主要由推进剂供应系统与推进器两大部分组成，前者依卫星需求，通过下吹式形态的系统设计，把推进剂从高压往低压处输送注入下游的推进器，后者则把注入的推进剂转换为高速气流喷出产生推力。

依据推进剂是否需经化学反应才会喷出，可以将卫星推进器粗略分为冷气体推进器与单基推进器两类。其中，冷气体推进器是利用高压气体作为推进剂，经渐缩渐扩推力喷嘴直接加速喷出以产生推力。单基推进器则属于化学推进，通常利用液态推进剂经由触媒分解产生高温高压气体，再经推力喷嘴加速喷出产生推力。相较于冷气体推进器，单基推进器在设计上虽然较复杂，却具有较好的推进剂储存能力以及推进效率，因此成为卫星任务的首选，也是台湾航天科技人员积极投入研发的目标。

经多年的研究发展，台湾航天科技人员已逐步掌握精准控制与快速反应的单基推进技术，并通过探空火箭以载荷方式完成了自主研制的单基液态推进反应式控制系统的高空动态测试。

2004年5月台湾发射升空的“中华卫星2号”（后改名“福卫2号”），其推进系统采用法国Astrium公司制造的4台各1牛顿推力等级的联胺单基喷射推进器，用于750千克的卫星进行姿态调整与轨道偏移修正；而此次“福卫5号”的推进系统仅由岛内科技人员自行研制的4台各40毫牛顿推力的冷气推进器构成，就可调控475千克质量的卫星进行方位或转动力矩的改变，完成卫星进行影像遥测的轨道调整。

由于卫星在轨道上运行时会受到诸多外力的影响，因而造成轨道偏移与高度降低。就圆周运动而言，轨道高度变化仅需通过圆周切线速度改变就可有效地改善，轨道倾角偏移与姿态改变则需通过推进器各方向出力的合力，来进行方位或转动力矩的调变以修正与转换，因此卫星推进系统一般都配置有数个推进器，以进行组合控制。通过这些微小推力的合力，以脉冲或连续喷射模式促使卫星产生特定方向的运动或转动。当然，若要达成更精确控制卫星姿态以执行如影像遥测之类的任务，则还需进一步配合反作用轮或磁力矩姿态控制等进行精确的三轴平衡稳定。

由于卫星以离心力等于地球引力的高速圆周运动条件环绕于大气极度稀薄的地球上方轨道，在几乎无阻力的环境下，推进器只要以相对于卫星质量极微小的推力，就可有效使卫星产生姿态变化与轨迹偏移，因此卫星推进器的额定推力通常不大，约介于数十微牛顿至数牛顿推力之间，便足以卫星推进系统通过不同方向推进器出力的合力，以进行卫星的姿态与轨道偏移修正。例如台湾“福卫3号”卫星就是通过4台以10°角度偏置装配的推进器（R1～R4）组合来达到操控卫星的目的。

自主研制卫星推进器

台湾自主研发卫星用推进器迄今已有20多年，其技术研发的萌芽阶段始于20世纪90年代，初期因台湾卫星推进需求投入联胺单基推进相关的技术研发，但数年后，因西方国家出口许可管制问题，被迫转向自行研制过氧化氢卫星推进器技术，2005年首次成功应用在探空火箭科学载荷任务，此后逐步向系统化与成熟化发展，最终应用于台湾自主研制的卫星上。

成功大学航太系液态火箭实验室是台湾岛内少数具有火箭推进完整研究能力的航天实验室，也是最早投入高性能卫星推进器研制的学术机构。上世纪90年代初，有感于岛内对卫星自主技术需求与日俱增，该实验室科研人员主动投入联胺单基推进器相关的研究，前后花费约10年时间，逐步掌握了联胺单基推进器相关参数与单基推进器的关键技术，奠定了台湾自主航天推进技术的基础。

联胺单基推进器是一种性能优异且稳定可靠的单基推进剂类别的液态火箭推进器，它以高浓度联胺为推进剂，经催化分解产生高温高压气体后，通过推力喷嘴高速喷出，转换为推力。但由于联胺本身属腐蚀、易燃、剧毒性且难以纯化的液态物质，加上高可靠度的分解用催化剂是关键专利技术，受到西方国家出口管制，尽管联胺单基推进器应用于卫星上已超过40年，却仍属国际间严格限制转让的尖端航天科技。

单基卫星推进系统主要由推进剂供应系统与推进器两大部分组成。成功大学航太系液态火箭实验室利用以学术研究名义，从外国私下购得的数量极其有限的联胺推进剂与Shell-405联胺分解用催化剂，投入联胺单基推进器相关研究工作。从对联胺推进剂的认识、基础安全培训与摸索推进研究实验方法开始，直接投入台湾当时尚无任何经验，且具有潜在危险性的卫星推进研究领域。

在研发过程中，台湾科技人员通过系列不同形态的喷注器设计、多段组合式催化反应室，以及推力喷嘴的设计，在实验室精确控制参数的条件下，探讨各类型喷注器与催化床组合反应的状态与特性，逐步建立起岛内自主的联胺分解反应动力模式数据库。此外，由于掌握了联胺单基推进器喷注器与触媒床设计的关键参数，也开启了台湾自主卫星推进系统研发之门。

2002年12月，台当局批准了科技主管部门制定的“第二期太空科技发展长程计划”（2004—2018年），全程为15年，包括次轨道科学实验计划、尖端卫星科技研发计划、宽带通讯卫星计划、遥测卫星计划、自主发展微卫星计划及对外合作计划等6个分项计划，由台湾太空中心负责卫星本体主承包商的责任，并整合岛内研究团队，实施尖端卫星科学研究计划，建立自主研发卫星先进技术及载荷仪器的能力，以及协助岛内大专院校研究机构设计研制边长10厘米的立方体、总重约843克的微型卫星（台湾称“蕃薯卫星”），计划发射5颗微型卫星和10至15枚探空火箭。

2004年由台湾成功大学整合校内航太系液态火箭实验室、燃烧实验室，以及航太科技研究中心几家机构，共同承担完成的“台湾探空6号火箭计划”（简称“探6”计划），首度纳入工程验证载荷项目，其中就包括利用火箭载荷测试卫星推进器的研制内容，不僅让原本处于实验室测试平台阶段的卫星推进器研究进入到系统工程设计与开发阶段，更把研究重点从实验室直接转到火箭、载荷角度进行思考如何设计。

在系统方面，“探6”卫星推进器载荷项目通过整合全台湾的科研力量，利用成功大学航太系液态火箭实验室研制的1磅推力等级联胺单基推进器，搭配具有军方背景的中山科学研究院研制的活塞式燃料槽与爆通阀，并依据火箭载荷舱界面需求，把实验室级推进器系统化地建成一套包含双推进器配置的推进器载荷系统。计划执行期间，除取得实用化推进剂供给管路设计经验，并掌握管路压损与压力震荡回馈控制技术外，还通过中山科学研究院真空舱的协助测试，获取了地面静推力测试与真空环境推力对应分析方法。

在发射程序上，为符合载具环境、射场安全、联合整测、飞试执行等需求，推进器研究团队检讨了安全作业需求，建立起地面辅助设施，进行了严苛的环境筛选测试，并完成妥善安全的标准作业流程与相应配置。就此，台湾岛内首个具有完整卫星推进系统开发与执行任务能力的研究团队逐渐成形。

2007年9月13日，“探6”火箭顺利地自中山科学研究院屏东九鹏测试场发射升空，100秒后成功传回首个推进器测试验证数据，依据设计呈现的连续与脉冲推力曲线，显示其卫星推进器的研究工作已成功进入下一个里程阶段。

成长到全自主研制时期

台湾自主卫星推进器的发展在“探6”火箭推进器载荷成功验证后，看似前途光明，实则困难重重。在关键的S-405催化剂制备与联胺推进剂自主研制技术迟迟无法突破，而且外国科技管制日趋严格之下，台湾科技人员对以联胺为基础的传统高性能推进剂液态火箭自主开发越显困难的忧虑渐深，反而加速了卫星推进全系统自主研发的脚步。

上世纪90年代末，中山科学研究院曾委托成功大学航太系燃烧实验室进行水下推进相关研究，在无法通过外购取得水下惯用的推进级高浓度过氧化氢的情况下，该实验室转而针对过氧化氢的物理特性，利用减压浓缩的原理，开发出推进级过氧化氢的提纯精炼技术。

承续“探6”推进器载荷的发展经验，成功大学燃烧实验室从系统工程的角度出发，利用自主纯化研制的高浓度过氧化氢为推进剂，投入单基推进器系列研制工作。除了以纯银为催化剂，成功地开发出100毫牛顿过氧化氢微推进器模组外，并在执行“探8”火箭科学载荷计划时，掌握了单基推进器的另一关键元件技术，以填充配置法开发出突破过氧化氢单基推进器耐久问题的复合式催化剂，从而完成台湾“探8”火箭过氧化氢推进载荷的研制，并获得成功的飞试验证。

2011年成功大学航太系燃烧实验室与航太科技研究中心合并成立卫星推进实验室，与台湾太空中心共同针对1牛顿推力等级过氧化氢单基卫星推进器的自主研制开展长期合作计划。

这项研究兼具基础扎根与任务需求导向，从材料相容性、催化剂制备筛选、催化床设计、喷注器设计与催化床扩散关系、催化剂分解暂态行为等基础研究，直至建立微小推力测试平台、推进器模组设计与推力喷嘴真空效率提升、性能评估分析法则、卫星推进系统关键元件开发，以至完整的推进器性能测试统计分析与建立推进系统模拟展示平台，构建完整的自主卫星推进系统研制与整合测试能力。

迄今，成功大学卫星推进实验自主研制的1牛顿等级过氧化氢单基推进器已达到用于微卫星的基本需求。通过这项合作所衍生的其他合作开发项目，还完成了活塞式燃料槽、薄膜式燃料槽、推进器控制阀、电动球阀式隔离阀等卫星推进系统关键元件的开发，将在未来台湾太空中心的卫星计划中进行飞行测试，并向完全自主支持台湾卫星任务的目标努力。

目前，台湾自主研制的过氧化氢单基推进器、推进器控制阀、薄膜式燃料槽已进入环境测试阶段，推进系统也以微卫星为对象开始进行架构。回首整个发展，经长达20余年的努力，从外购关键元件进行联胺单基推进器设计开发，再通过探空火箭载荷任务的执行，把实验室测试系统转为实体工程，进而成长蜕变出台湾自主卫星推进系统与研制能力，整个过程虽谈不上筚路蓝缕，但也历尽千辛，实属不易。