助力“嫦娥”奔月——空间推进系统的发展与应用

文/林倩 汪旭东 薛英民

▲“嫦娥四号”奔月过程示意图

嫦娥四号探测器在2018年12月8日凌晨被送上太空后，并不是直接飞到了月球上，而是经过中途修正、近月制动、绕月飞行、环月降轨等几个过程，到2019年1月3日上午才着陆月背。这中间隔了二十多天，“嫦娥四号”是如何灵活地完成各项指令的呢？这就要感谢它身上安装的发动机们——空间推进系统了。

重要作用

空间推进系统是指在大气层外空间环境中使用的推进系统，是卫星、飞船、探测器等各种航天器的重要的分系统之一。它可以为航天器的轨道转移和定点提供推力，为深空探测航天器远距离航行提供动力，为航天器的位置保持、姿态控制提供控制力，同时也有着其他许多重要的作用。

推进系统硬件加上所装载的推进剂，占据了航天器相当大的比例。同步轨道卫星推进系统占整个卫星质量一半左右；星际航行探测器的推进系统占整个航天器质量的四分之三左右。

推进系统的性能好坏，直接影响到航天器的控制精度、寿命及可靠性。因此，推进系统的设计对航天器研制至关重要。

基石初定

20世纪60年代，美苏冷战大兴航天科技，中科院积极响应中央的指示，于1958年成立力学所怀柔分部，开始开展空间发动机技术的研究。1962年，中科院自动化所成立气动、液动控制研究室——406室，原定于麻省理工回国的专家未及时到位，暂时由407室主任陆元九兼任。1968年，中国科学院力学所怀柔分部18名科技人员调至406室，在国内首次开展卫星冷气推进技术的研究。

同年，自动化所正式划归第五研究院，之后又被授予第502所番号。1969年9月，502所改编成连队建制，406室改编成三连五班、六班，负责卫星控制系统执行机构的研制，由齐汝先担任三连指导员兼主任主持工作。其中，五班主要从事冷气推进系统的研制，六班主要负责东方红二号单组元推进系统的工作。

当时美苏对我国的空间推进系统研制技术全面封锁，老一辈航天人自力更生，立志一定要独立研制出我国自己的卫星推进系统。带着这股劲头，通过30多年自强不息的艰苦奋斗，我国实现了卫星冷气推进系统、单组元推进系统、双组元推进系统三重技术突破，奠定了如今我们航天大国的坚实基础。

冷气推进系统虽然比冲较低，但系统结构简单、安全可靠、姿态控制精确，因此，首先在技术上得到了突破。

1975年7月，冷气推进系统首次应用于我国技术试验卫星。这是我国第一颗使用推进系统的卫星，是卫星推进系统应用的重大突破。在后续型号的应用过程中，冷气喷气推进系统逐步得到改进，产品可靠性不断提高，广泛应用于返回式遥感、科学试验卫星上，均工作正常并圆满完成飞行任务。

在航天技术飞速发展的今天，冷气推进系统由于其结构简单、高可靠、高分辨率、精度高在一些航天器上仍有着广泛应用。2018年6月，我国第一颗采用固体冷气推进系统在微纳光学卫星上得到首飞应用，完成在轨飞行控制。

单组元推进系统的比冲远高于冷气系统，且系统的可靠性高、寿命长、成本低，较冷气推进系统有着明显的优势。随着1981年9月实践二号卫星的成功发射，我国成功突破了单组元推进系统技术。

▲绿色无毒推进系统

此后，单组元推进系统在我国东方红二号、东方红二号甲、风云系列、遥感系列等卫星上得到了广泛应用。该系统以高可靠性著称，是目前我国应用最多的卫星推进系统……

航天器系统一直有1克质量贵过10克黄金的比喻，追求高比冲一直是航天推进人追求的目标。1994年，设计寿命8年的东方红三号卫星成功发射，标志着我国卫星推进技术又一次实现了巨大飞跃，双组元推进系统得到了正式应用。

双组元推进系统具有性能优越、系统复杂、研制难度大的特点，比冲较单组元系统高。该推进系统的成功应用标志着我国卫星推进系统的研制能力达到了国际先进水平，此后双组元推进系统以高性能优势在我国卫星领域得到了广泛应用。

百花齐放

在新的应用背景下，各种推进系统由于其自身特点得到了广泛应用。

2000年以后，单组元推进系统首次应用于我国发射的第一颗小卫星海洋一号，开启了推进系统的小卫星应用时代。

2007年10月，嫦娥一号卫星发射成功，双组元统一推进系统首次应用于深空探测领域，推进系统成功完成轨道转移、调整和近月制动，实现了中国航天的新跨越。

2018年12月8日，发射成功的“嫦娥四号”就是采用的从十几牛到几千牛不同推力量级的双元发动机分别进行姿态控制、轨道控制及降落月球时的速度控制。

冷气推进系统也由于其高精度，将应用在天琴计划、重力场测量卫星等有着无拖曳要求的航天器上。此外，推进系统的研制随航天器开始向民用化、国际化以及深空应用方向发展。

新的征程

近年来，我国不仅研发了传统化学推进技术的新应用，同时电推进技术蓬勃发展，硕果连连，更在一系列的新型推进技术上取得了新突破，包括无毒推进、在轨加注等等。2019年预备发射的“宁夏一号”也将采用1N ADN无毒推力器。

电推进系统比冲可达到普通化学推进的十倍到数十倍，使得航天器对推进剂的需求量大大减少，有着极大的优势。

2012年10月，电推进系统首次在实践九号A星上进行了飞行验证，在轨运行稳定，实现了我国电推进技术的重大突破。

2016年11月，1.5kW级磁聚焦霍尔电推进系统在实践十七号卫星上完成了在轨飞行验证，这也是世界上第一套完成在轨飞行验证工作的磁聚焦霍尔电推进系统，标志着我国具备了自主研制第二代更高性能霍尔电推进系统的能力，将为我国后续新型卫星平台提供更高性能的电推进系统，大幅提升我国卫星总体技术的竞争力。

随着电推进技术的成熟，未来两年，离子电推进系统、霍尔电推进系统、电弧电推进系统将在以“鸿雁星座”为代表的大型星座上使用。

同时，“实践十七号”还搭载了我国首套无毒推进系统，其在轨验证圆满成功，树立了我国卫星推进技术发展的又一重大里程碑，我国成为世界上第二个深入掌握无毒推进技术在轨应用的国家。

纵观空间推进系统五十余年的发展历程，经过几代空间推进系统研制人员的不懈努力，克服重重困难，打破封锁、自力更生、从无到有，实现了从冷气推进到空间核推进技术的台阶式发展。未来，我国的空间任务的需求在不断增加，我国的空间推进技术也将不断向前发展，不断地研究新型推进系统，如微推进、核推进、激光推进、电帆推进等，相信不久的将来，我国的空间推进系统技术将会百花齐放，推动我国的航天事业更上一层楼。