美国发布2018年新版《绿色推进技术发展路线图》

● 上海空间推进研究所 黄振芝 苗思薇 刘 俊

2018年10月，美国正式发布了《绿色推进技术发展路线图》（以下简称“2018版《路线图》”），其在2016年版《绿色推进路线图》的基础上做了进一步完善，由美国国家航空航天局（NASA）绿色推进工作组（GPWG）在NASA化学推进子能力管理部（CPSM）的领导下研究制定。其目的是为NASA的各任务理事会、研究中心、项目组的技术研发与投入提供指导，也为其他部门和承包商提供参考。2018版《路线图》论述了绿色推进技术的研究目的、范围、背景、发展领域及项目应用等内容。本文重点介绍2018版《路线图》的制定过程、依据、主要内容，以及对我国绿色推进技术发展的参考意义。

一、绿色推进的定义

绿色推进剂与肼类有毒推进剂相比，具有易于处理、无毒、无污染、环境友好等特点。当前，各类航天器的化学推进系统大部分依赖于有毒推进剂。随着各国对环保的重视程度越来越高，人们的环保意识逐渐增强，发展绿色推进技术来代替肼类有毒推进技术将成为未来航天器推进系统的发展趋势。因此，许多国家对航天器的无毒推进系统开展了广泛的研究。

美国在2018版《路线图》中主要关注的是可替代肼类推进剂的绿色推进剂及其相关技术（如催化剂、推力器等）。绿色推进剂包含硝酸羟胺基（HAN）、二硝酰胺铵基（ADN）等各种推进剂配方，这些液体在习惯上统称为单组元推进剂，因为它们在催化剂表面会发生反应，类似于传统的肼或过氧化氢（H2O2）。单组元推进剂的应用是2018版《路线图》关注的焦点，也是美国大部分研发活动的重点；此外，NASA持续关注绿色推进剂在双组元推进系统中的应用，其技术需求同样受到重视。

二、GPWG成立的背景和职责

NASA能力领导组（CLT）下设的化学推进子能力管理部（CPSM）认识到，需要有一个更加明确的发展路线图和投资战略目标，来进一步推动这些绿色推进技术的发展。CPSM于2017年4月组建了一个新的机构——GPWG，其具体任务是为NASA制定2018版《路线图》，指导绿色空间推进技术的研发和应用。GPWG主要由NASA马歇尔航天飞行中心、格林研究中心和戈达德航天飞行中心的成员组成。主要职责包括：制定和维护2018版《路线图》，以应对绿色空间推进技术领域的挑战；列出工作组各成员所属中心、机构的绿色推进技术研发项目清单；识别、评估NASA各中心绿色推进试验设施和研发能力。图1为NASA能力领导组框架下的GPWG关系图。

图1 NASA能力领导组框架下的GPWG关系图

鉴于NASA其他一些中心也在开展绿色推进剂的研究项目，GPWG也可以扩展其成员单位，将更多感兴趣的成员涵盖进来。另外，GPWG还在积极寻求与其他政府部门和商业实体的合作，共享知识和经验，以便更好地实时跟进绿色推进领域的发展现状。

三、GPWG的战略目标

为了使NASA在绿色推进技术领域研发投入的回报达到最大化，GPWG制定了以下战略目标。

（一）制定NASA绿色推进愿景

过去，NASA系统内没有一个定义清晰的绿色推进愿景。NASA各任务理事会、研究中心，以及通过个人资助和商业合作（如SBIR项目）等形式无重点地开展了各种推力量级的绿色推进技术研发，其技术发展进程大都止步于“飞行验证”阶段，缺乏后续研究。虽然这些研发推动了相关前沿技术的发展，并带来了一定的发展效益，但是由于NASA内部没有一个清晰的、前瞻性的研发愿景，使得每个技术研发项目不能很好地延续下去，甚至还存在项目重叠或重复研发的情况，导致绿色推进技术进展缓慢。所以，2018版《路线图》的制定就是为了解决这一问题。

（二）为资源的集中使用提供指导

近年来，人们越来越关注绿色推进技术的研发。许多研究机构和商业伙伴都想加入推动绿色推进技术发展的行列。如果没有统一、有效的研发监管机构，就会出现重复投入、资源浪费的现象。设立GPWG的初衷是持续监管绿色推进技术的研发活动，并提供咨询和指导服务。此外，GPWG还将为NASA任务理事会、规划局、各研究中心、各项目办等部门提供指导，以实现对现有资源利用率的最大化。

（三）知识的归档、分发和利用

目前，绿色推进技术领域已经输出了大量的研究成果，积累了大量的文献资料和报告，其中不仅包括技术报告和文献，还包含政策规定、最佳实践、事故报告及评价等。如果相关的研发人员能获得这些丰富的知识数据，就可以减少重复研发和资源浪费。因此，有必要对现有的文献资料进行整理并建立共享知识库，以便于知识数据在NASA内部、卫星和火箭承包商之间得到有效传递和充分利用。GPWG将承担起绿色推进技术知识库的建设、持续更新与维护的工作职责，使知识库成为该领域的首选知识源。

四、2016年版《绿色推进路线图》

2015年，JANNAF（美国陆军-海军-空军-NASA联席会议）组织了一个主题为“替代肼的绿色单组元推进剂（GMAH）”的技术交流会。会上，来自政界和商界的代表研讨了绿色推进技术的发展现状，以及所面临的技术攻关、项目应用等双重挑战问题。同时，又召开了一个仅限于政府代表参加的小型会议，会上对已识别的绿色推进技术差距进行了确认，并确定了优先发展顺序。会后，跨部门工作组根据会议内容制定了一个非正式的《技术发展路线图》，明确了以下9项技术差距，并将前3项技术列为最高优先级。

（1）点火功率和工艺技术。催化剂系统往往比非催化剂系统质量大，需要使用大功率推力器。

（2）推进剂消耗量。与肼推力器相比，对使用绿色推进剂的推力器所做的寿命试验较少。更高的燃烧温度、急剧的热瞬变及燃烧过程中产生的腐蚀性中间物都会缩短整个推力器和催化剂的寿命。

（3）羽流建模。连续流和稀薄流的效应对推力器的推进剂尾气，以及航天器表面的影响都是未知的。

（4）材料性能。缺乏铱、铼及其他难熔性金属材料的热性能数据，特别是绿色推进剂推力器要经受的高温条件下的相关数据。材料的相容性特别是与非金属的相容性是未知的。

（5）反应时间。目前，与肼推力器相比，绿色推进剂推力器要求的预热时间和点火延迟时间更长。

（6）新推进剂的配方。目前正在研发更高性能的绿色推进剂配方，还没有与AF-M315E和LMP-103S进行同级别的推进剂评估测试。如何通过改变推进剂混合比方法，在燃烧温度（影响推力器/催化剂寿命）和性能之间如何权衡取舍还是未知的。

（7）制造工艺和成本。绿色推进系统目前使用的材料价格昂贵且难以获得，其制造方法较之肼推力器系统也更昂贵。

（8）推进剂性能建模。缺乏能够更准确地预测并分析推进剂性能和分解/燃烧过程的分析程序。

（9）推进剂供应。目前的绿色推进剂配方或所含成分原产地都不是美国，无专用的后勤供应链。

明确了上述技术差距后，跨部门工作组将需求按优先顺序进行排序，明确了急需发展的主要技术领域，以解决一个或多个技术差距。另外，工作组考虑采用渐进式的发展途径，确认近期发展目标，并赋能下一步发展计划。发展目标按优先顺序分为近期、中期和长期任务，分别对应0～3年、3～7年、7～10年的任务时间。此外，高、中、低优先级任务也大致适用于推力级的划分，例如，高优先级（近期）研制的推力器在22N以内，中期任务的推力器在110N以内，长期任务的推力器在440N内。表1为2016版《绿色推进路线图》中明确的几个主要技术发展领域。

表1 2016年简化版《绿色推进路线图》

五、2018版《路线图》技术发展领域概述

GPWG审查了2016版《绿色推进路线图》，一致认为其确定的技术差距和发展领域对绿色推进技术的发展仍然具有相关性和必要性。2016版《绿色推进路线图》列出了各类技术发展领域，对于已识别的技术差距，确定了符合逻辑的渐进式技术发展途径，并且支持潜在的公-私合作机会。因此，GPWG建议采纳2016版《绿色推进路线图》作为NASA需求的基准，再增补一些新内容，形成2018版《路线图》。虽然2016版《绿色推进路线图》明确了技术需求的大致时间表，但是在2018版《路线图》中，提出了需要更早启动且需要花费更长时间的一些研发项目。

2018版《路线图》中，将技术发展目标分解为技术发展领域，领域内划分为近期、中期、长期子目标。同时，确定以下4个技术发展领域。

（一）推力器硬件研制

关于推力器硬件研制，GPWG提出下述发展方向：提高推进剂消耗量（近期）；降低点火功率需求（近期）；研制支持硬件（近、中期）；改进制造工艺及降低成本（中期）。

（二）建模及工具研发

计算模型和工具可以让工程师预测推力器性能，分析、诊断系统异常，并且能为合作方提供设计工具，降低整体研制成本。GPWG建议研发以下模型和工具：羽流模型（近期）；催化剂及分解化学（近期）；瞬态热分析（近期）；推进剂性能建模/缩比建模（中、长期）。

（三）材料特性及兼容性

深入了解材料特性及兼容性问题很重要，不仅能够降低系统成本，还有助于全面评估设计结构的局限性。GPWG提议创建和改善下述数据库：确认并增强系统材料相容性数据库，包括可相容的非金属，如密封件等（近、中期）；创建一个绿色推进技术数据库，将数据加进NASA材料工艺技术信息系统（MAPTIS）数据库（中期）；识别高辐射通量对系统组件的影响（远期）。

（四）绿色推进剂研制

为了获得稳健的技术，需要全面、彻底地理解推进剂本身的特性。尽管绿色推进剂经过了多次物理性能和热性能测试，但还是有许多重要特性数据尚未掌握，这些数据有助于任务规划者在搭建系统框架时识别影响任务成败的潜在风险，也有助于建立在“建模及工具研发”中提到的计算模型。另外，供应链源头若无进一步的研发投入，就目前的推进剂供应基地的供应情况来看，尚不能满足长期提供大量推进剂需求的能力。GPWG针对推进剂研发和供应现状，提议进行以下方面的评估：改善并发展推进剂供应基地（近期）；量化并扩展推进剂特性数据库（近、中期）；研制新推进剂的配方（中、长期）。

六、路线图与其他技术战略规划的一致性

NASA在论证太空技术投资战略途径时，会参考许多政策性文件，包括《NASA太空技术战略投资规划（2012）》《NASA 2018战略规划》《NASA技术路线图（2015）》。这些文件作为NASA发展太空技术的战略参考，在论证新技术研发项目时常常被引用，甚至成为NASA招投标时必须引用的文件，以表明其符合NASA的战略目标和规划。除了NASA内部的文件外，还有其他外部文献也提出了太空技术发展规划，尤其针对绿色推进提出了特别建议，对路线图的制定具有重要的参考价值。例如，国家研究委员会（NRC）制定了《NASA太空技术路线图和优先事项：恢复NASA技术优势，为太空新纪元铺平道路》；Robert L Sackheim等人在《推进与动力》上发表文章《绿色推进的进展：挑战成熟单元肼推进剂》。GPWG在调研并综合以上文献资料的基础上，制定了2018版《路线图》，以确保其与这些战略规划的一致性。

七、绿色推进项目的应用

与所有NASA的技术研发项目一样，绿色推进技术的目标是将该技术应用到太空飞行任务中。任务应用几乎和技术研发一样艰难，面临诸多挑战，因为业界和任务规划者通常不愿意接受新技术带来的风险，除非某次任务指定必须使用该项新技术。

2018版《路线图》实施的成果之一是NASA资助的“绿色推进剂演示验证项目”（GPIM）。该项目的技术试验卫星BCP-100于2019年6月发射升空，验证了HAN基无毒推进技术。此外，绿色推进技术可能会应用到NASA的一些重点任务及小卫星（SmallSat）、立方星（CubeSat）任务中。对这些任务而言，适合的推力器主要是100mN～22N推力级，其中，100mN推力器适用于立方星和小卫星任务，22N推力器适用于中到大型科学任务（包括ESPA级别和更大型任务）。

需要注意的是，美国国防部和其他一些政府部门也高度重视绿色推进技术，由此给绿色推进带来了难得的技术应用机遇。然而，美国国防部和NASA对任务需求有着明显的差别。一般来说，美国国防部的任务持续时间较短（数小时到数月），其重点关注快响应、高比冲机动能力；而NASA的任务持续时间较长（数月到数年），其关注的重点是长寿命、长期在太空飞行的能力。因此，NASA需要稳健的技术，具有不依赖地球的即时制导与控制就可以正常运行的能力。

NASA过去的研发投入主要集中在特定的推进剂配方上， NASA认为这些在研的绿色推进技术中并不存在“对的”解决方案，因为推进系统及其推进剂的选择取决于任务因素（如项目限制、技术风险、成本、时间表、相容性等），而NASA对推进剂的关注始终是其可获得性和是否便于技术转化，而不是特定的技术方案。GPWG将绿色推进看作是未来飞行任务的可行替代方案，因此，建议对系统方案和推进剂开展大范围的类似替代研究，以满足NASA的任务需求。这将给任务策划者提供更大范围的可选技术，从而带来更多的应用机会。

八、结束语

NASA发布的2018版《路线图》制定依据清晰，内容详实，对未来的绿色推进技术研发具有切实的指导意义。同时，NASA将根据技术发展现状定期对2018版《路线图》进行审查与更新，确保其在美国各地开展的研究活动中发挥引领作用，这充分体现了美国对绿色推进技术发展的重视。美国的2018版《路线图》的制定过程、依据和渐进式发展路径规划对我国如何推进绿色推进技术发展具有重要的参考和借鉴意义。

2020年5月5—8日，我国采用绿色推进技术的新一代载人飞船试验船成功进行了飞行试验。新飞船的返回舱使用的HAN基400N单组元发动机是我国目前研制的最大推力无毒单组元发动机。此次飞行试验的成功将极大地推进我国各类航天器从常规肼类有毒推进技术向绿色环保、无毒化应用转化的进程。