地月及深空探测先进电推进技术的发展

吴辰宸,耿海,王紫桐,李得天,*

1.兰州空间技术物理研究所,兰州 730000 2.真空技术与物理重点实验室,兰州 730000 3.甘肃省空间电推进技术重点实验室,兰州 730000

1 引言

电推进(electric propulsion,EP)是一种将电能高效转化为动能的先进宇航动力技术,其工作原理是利用电能将推进剂原子电离产生等离子体,再利用电场/磁场加速等离子体产生推力。根据工作原理,电推进可分为电热式、静电式、电磁式三大类,高比冲是电推进最显著的技术特点,应用电推进可大幅降低航天器的推进剂携带量,进而提高荷载比[1]。

当前,电推进已广泛应用于近地轨道通信导航卫星、遥感卫星和科学试验卫星,主要执行位置保持、轨道维持和大范围轨道转移等动力任务。截至目前,中国已在轨应用或计划应用的电推进产品主要覆盖离子电推进、霍尔电推进、脉冲等离子体电推进、液滴式电推进4种类型。其中,离子电推进在高轨领域优势明显,霍尔电推进在中低轨和商业航天领域效益显著。

总体上看,中国近地轨道航天器应用电推进技术较为成熟,在地月及深空探测领域应用电推进仍处于起步阶段。为推动电推进技术在地月及深空探测领域实现广泛应用,本文结合国际上基于电推进的地月及深空探测典型任务,分析深空探测任务的使命特点及电推进的应用效益,针对5种典型场景介绍了电推进优化应用策略,给出了在地月及深空探测领域发展和应用电推进技术的参考建议。

2 基于电推进的地月及深空探测任务

2.1 美国

1998年10月,“深空1号”(Deep Space-1/DS-1)探测器发射升空[2-3],这是人类首次应用电推进开展深空探测活动。探测器采用NSTAR离子电推进作为主推进器,完成了轨道转移任务和部分俯仰、偏航控制任务,成功实现多目标(小行星+彗星)探测,该探测器于2001年12月寿命耗尽。整个任务周期NSTAR离子电推进系统共消耗82kg氙推进剂,提供4.5km/s的速度增量。

2007年9月,首个主带小行星探测器“黎明号”(Dawn)启程[4],开展灶神星和谷神星两颗小行星环绕探测任务,采用优化后的NSTAR离子电推进系统作为主推进器,创造了最长在轨工作时间(超过55000h)和最丰富的工作模式(112个工作点)两项纪录,仅消耗450kg推进剂实现了11km/s的速度增量(采用化学推进实现相同的速度增量需消耗6500kg推进剂)。“黎明号”任务的成功充分证明了离子电推进在长周期、高速度增量任务中的独特价值,黎明号探测器概念图如图1所示。

图1 “黎明号”探测器Fig.1 DAWN

2022年9月,世界上首个行星防御计划“双小行星重定向测试(DART)”[5]成功撞击小行星,任务应用了目前在轨功率最高(6.9kW)的NEXT-C离子电推进系统。

2022年11月,月球冰立方探测器(Lunar IceCube)和月球极区氢绘图仪(LunarH-Map)搭载“阿尔忒弥斯号”(Artemis I)成功发射[6-7],任务分别是探测月球表面水资源和探测月球水冰深度和分布。两颗立方星体积均为6U(1U=10cm×10cm×10cm),质量约14kg,主推进都采用BIT-3碘工质射频离子电推进。而原计划一同发射的NASA环月空间站“门户”(Gateway)延后至2024年发射[8],“门户”能够为载人月球和更远的载人火星任务、其他科学探测任务提供便利。“门户”明确采用大功率霍尔电推进簇(2个13kW的AEPS霍尔电推进和4个6kW的BHT-6000霍尔电推进)执行轨道维持和大范围轨道转移任务,要求工作寿命15年,且具备推进剂在轨补加能力,“门户”概念图如图2所示。

图2 “门户”Fig.2 Gateway

“赛姬”(Psyche)是美国一项低成本小行星探测任务[9],预计2023年底发射,计划采用SPT-140霍尔电推进,执行行星际轨道转移、观测轨道维持和巡航期动量管理等任务,要求推进剂消耗量控制在1030kg以内。任务实施后,“赛姬”将是首个应用霍尔电推进开展地月以外深空探测的探测器。

2025年,美国计划发射CAESAR[10]彗星取样返回探测器,该探测器拟采用三台NEXT-C离子电推进成簇执行姿态实时调整任务,同时保证太阳电池阵产生足够功率和样品处于低温环境,任务要求电推进寿命不少于13年。

面向载人火星任务,美国计划使用电推进和化学推进作为组合动力[11],其中电推进主要负责地-火段轨道转移,拟采用1.9MW核电推进系统,由20台100kW霍尔电推进组成(18台同时工作,2台备份)。

2.2 欧洲

2006年6月,首个应用电推进的月球探测器“智慧1号”(SMART-1)成功撞月[12],结束了为期3年的任务。探测器采用PPS-1350霍尔电推进系统,也是迄今为止唯一应用霍尔电推进的深空探测任务。

2018年,“贝皮-科伦布”(Bepi-Colombo)水星探测器首次应用电推进开展内行星探测[13]。探测器采用T6离子电推进系统,发挥了离子电推进连续变推力功能,通过“持续刹车”模式抵近水星,规避了采用化学推进快速抵近可能引发的“弹射”风险。

欧空局和NASA正在共同推进火星采样返回任务(ExoMars),预计2026年发射首颗探测器,欧空局负责研制地球返回轨道器(Earth Return Orbiter,ERO)[14],计划采用电推+化推混合动力,电推进动力拟采用7.5kW的RIT-2X射频离子电推进,ERO概念图如图3所示。

图3 地球返回轨道器Fig.3 ERO

2.3 日本

“隼鸟1号”(Hayabusa)是人类首次成功实施的太空采矿任务[15-16],也是首个基于电推进的采样返回任务,采用μ-10微波离子电推进系统完成了60亿千米航程主推进任务,在化学燃料泄露的故障条件下,依靠电推进完成了主要探测使命。2014年,“隼鸟2号”(Hayabusa-2)成功发射[17],开展“龙宫”小行星探测与采样返回任务,仍然采用μ-10微波离子电推进执行轨道转移、往返和高精度姿态控制任务,电推进运行总时长约40000h。2020年,探测器成功返回地球轨道并释放样本舱,由于推进剂仍有余量,“隼鸟2号”将继续开展1998KY26小行星探测任务。与“隼鸟2号”一同发射的还有1颗50kg级微型深空探测器PROCYON[18],应用0.3mN的μ-1微波离子电推进系统,虽然最终因故障导致任务失败,但为基于微纳卫星开展低成本太空探索提供了新思路,“隼鸟2号”总装状态如图4所示。

图4 “隼鸟2号”探测器Fig.4 Hayabusa 2

2.4 中国

中国计划于2025年发射首颗应用电推进的深空探测器“天问2号”(Tianwen-2)[19],任务预计共耗时10年。“天问2号”探测器主要使命是开展2016HO3小行星探测及采样返回和主带彗星探测,探测器采用LIPS-300S多模式离子电推进系统执行主带彗星转移和高精度抵近任务[20],降低对行星引力辅助的依赖,使发射窗口期更为灵活。

2.5 小结

总结国际上已开展和计划开展的地月及深空探测任务,见表1,可以看出,电推进在地月及深空探测领域应用具有以下特点:

表1 地月及深空探测任务情况总览Table 1 Overview of cislunar and deep space exploration missions

1)提供极高的速度增量/推进剂消耗比。与化学推进相比,电推进高比冲的技术特点能够以低一个量级的推进剂消耗量提供相同的速度增量,以1500kg月球探测器为例,完成总速度增量300m/s的任务,化学推进(235s)需要消耗推进剂183.1kg,电推进(比冲3200s)则只需消耗推进剂14.3kg,仅为化学推进的十分之一。能够支撑多目标天体探测、行星际轨道转移等任务在较高容错度下开展。

2)实现高精度抵近。电推进推力精确(毫牛或微牛级)、连续可调节的技术特点,能够执行高精度的姿态控制和轨道调整等任务。

3)长时间巡航能力。电推进的寿命一般是在10000h以上,且在长寿命下具有较高的可靠性,能够满足主带小行星探测、彗星探测等远距离探测器动力系统长期运行的需求。

4)多任务剖面。多模式电推进能够根据任务特点灵活调节比冲、推力等工作参数,以满足深空探测器巡航、探测轨道转移与维持、探测器姿态控制等不同任务要求。

5)灵活的窗口期。使用电推进的航天器能够降低对行星辅助的依赖,不受窗口期制约;而使用化学推进的航天器,受携带燃料重量限制必须依赖行星引力辅助,窗口搜索的约束条件较多。

6)电推进技术体制与任务具有适配性。高比冲多模式离子电推进更适用于任务周期长、剖面复杂的任务,如“行星+彗星”探测、火星以远探测等;大推功比的霍尔电推进更适用于对任务时间要求更高的任务,如月球空间站部署、地球-火星货运往返、载人深空探测等。

7)任务周期长。由于电推进推力很小,通常在毫牛量级,执行相同任务需要较化学推进付出更高的时间代价。因此,电推进不适用于对任务时间有严格约束的任务。

3 任务展望及应用需求

地月及深空探测较为典型的任务场景主要有月球探测、小行星探测、载人火星探测、太阳系边际探测、地月空间科学探测,对电推进的应用需求不尽相同,下面将针对典型场景分析电推进应用需求与应用策略,并给出后续发展重点建议。

3.1 月球探测

(1)应用需求与策略

中国月球探测任务的使命正在向深化研究和资源开发利用转变[21],重点开展科学探测和载人月球关键技术攻关,主要任务有地月空间航天器大范围轨道转移和重复往返、月球轨道空间站长期轨道维持等[22-23],对推进系统提出了大推力(牛级推力)、高比冲(2500s以上)、高可靠、高功率密度(优于0.4kW/kg)、长期在轨工作(>2年)、具有一定技术成熟度(短期内实现应用)等新要求。

针对上述要求,重点考虑霍尔电推进和磁等离子体推进(MPDT)两种技术体制。霍尔电推进可以选择超大功率单弦或大功率成簇(图5)两种应用模式,中国大功率霍尔电推进已经突破百安培大电流空心阴极、高密度高能量等离子体电磁调控、低温高密度超临界多工质贮存、热稳态条件性能测试诊断等关键技术,上海空间推进研究所研制了20kW、100kW两款霍尔电推进产品,首次实现了牛级电推力器成功点火;兰州空间技术物理研究所研制了12.5kW、50kW、100kW三款霍尔电推进产品,率先完成了100kW级大功率霍尔电推进地面测试(见图6),实测推力达到4.6N,比冲超过5100s,性能指标比肩国际先进的美国X3霍尔电推进。

图5 大功率霍尔电推进成簇示意Fig.5 Cluster of high-power Hall thruster

北京控制工程研究所牵头与中国科学院合肥物质研究院、中国科学技术大学等单位联合开发了国际上首个集成式150kW级MPDT[24],采用超导线圈将中心磁感应强度提升至1T以上(采用铜线圈时中心磁感应强度只能达到0.4T),150kW额定功率下最大推力达到4N、比冲5714s、效率76.6%,MPDT结构示意见图7,地面性能测试照片见图8。

图7 150kW级MPDT结构示意Fig.7 Structure of 150kW-class MPDT

图8 150kW级MPDT在不同磁感应强度下的性能Fig.8 Performance of 150kW-class MPDT ignition under different magnetic fields

(2)后续发展重点

重点突破系统集成、寿命提升、在轨可更换可补加、基于模型的寿命评估等关键技术,加快推动大功率霍尔电推进系统、磁等离子体推进系统产品研制与在轨验证,实现飞行应用。

当前,亟需突破的单机级关键技术有[25]:①高热流密度散热与防护;②放电通道刻蚀抑制技术;③低温工质长期在轨贮存;④大流量气体均匀性分配;⑤高可靠大电流电极结构设计;⑥基于模型的寿命评估技术。亟需突破的系统级关键技术有:①高性能轻量化大功率PPU技术;②面向在轨更换与重构的系统架构;③大功率电推进系统长寿命设计与验证。月球探测用大功率电推进技术发展展望如图9所示。

图9 月球探测用大功率电推进技术发展展望Fig.9 Prospects of high-power EP technology for lunar exploration

3.2 小行星探测

(1)应用需求与策略

小行星探测任务主要特点有[26-27]:①探测目标多,速度增量大,需要应用高比冲推进系统结合行星引力辅助技术完成轨道转移;②动力任务多样,包括绕飞、附着和采样返回等,需要推进系统具备多种模式以适应复杂任务剖面;③小行星引力场微弱且动力环境复杂,要求推进系统具有足够的推力精度,实现高精度抵近。因此,具有多模式(宽功率范围多工作点)、推力精确可调(μN级分辨率)、高总冲(≥9×106N·s)、长寿命(≥20000h)等特征的先进电推进技术在小行星探测领域优势显著。

在“天问2号”小行星探测任务的牵引下,兰州空间技术物理研究所突破了放电均匀性提升与溅射多余物抑制、束流宽范围适应性长寿命栅极组件优化设计等关键技术,研制了满足中国小行星探测任务需求的长寿命多模式LIPS-300S离子电推进系统[20],与国际同类先进产品(NSTAR)相比,性能得到全面拓展(见图10)。LIPS-300S离子电推进的模式点还可按需拓展,满足其他小行星或彗星探测任务的应用需求。

图10 LIPS-300S与NSTAR性能对标情况Fig.10 Performance of LIPS-300S and NSTAR

(2)后续发展重点

重点发展长寿命多模式离子电推进技术,针对小行星探测任务超长寿命、任务剖面复杂、测控难度大的特点,突破离子电推进多工作模式与任务匹配性验证、长寿命设计与仿真验证、长寿命下的可靠性提升与评价、自主稳定运行等关键技术,将电推进寿命提升至50000h以上。长寿命多模式离子电推进发展展望如图11所示。

图11 长寿命多模式离子电推进发展展望Fig.11 Prospects of long-lifetime and multi-mode ion thruster

3.3 载人火星探测

(1)应用需求与策略

中国载人火星探测还处于方案论证阶段,采用核电推进执行载人火星任务是其中一种可行的技术路线[28]。核电推进可提供MW级电能,能够支撑推进系统同时实现大推力(数十牛)和高比冲(4000～10000s),载人往返任务的安全性还需要推进系统具备长寿命(2～10年)和极高可靠性。

MW级核电推进可以采用百千瓦级霍尔电推进成簇、高功率密度电磁推进两种技术路线实现。中国一些研究单位已提前布局并启动了高功率密度先进电磁推进技术研究,牵引了基于旋转磁场的等离子体高效加速(FRPT)等关键技术攻关,为新体制空间核电推进系统开发储备了核心技术。FRPT地面测试如图12所示。

图12 FRPT放电照片Fig.12 Photo of FRPT ignition

(2)后续发展重点

重点深化论证核电推进技术方案,制定我国空间核电推进技术发展路线图,依托空间核电源和大功率电推进两大核心技术优势单位,开展系统方案设计和关键技术攻关,加快大功率霍尔、高功率密度电磁推进等多种技术体制的核电推进系统级联试,同步规划核电推进系统在轨验证,为实施载人火星探测奠定技术基础。

建议优先突破的关键技术有:①大功率电磁推进拓扑结构设计;②大功率脉冲电源系统和控制技术;③大功率电磁推进地面试验验证技术;④超大容量推进剂贮存与供应技术。核电推进系统级关键技术有:①大功率长寿命电推进技术;②大功率电源处理单元技术;③大流量高精度贮供单元技术;④轻质空间大功率热排放技术;⑤电推进成簇抗干扰运行技术。核电推进技术发展展望见图13。

图13 核电推进技术发展展望Fig.13 Prospects of nuclear electric propulsion technology

3.4 太阳系边际探测

(1)应用需求与策略

太阳系边际探测是空间科学的国际前沿领域,探测过程飞行距离远、任务周期长、探测环境未知多变、能源与动力要求高,实施难度极大[29-30]。由于太阳系边际探测任务周期很长(飞行时间>10年),建议选用近期可具备应用条件的长寿命电推进技术;为提高整体效益,太阳系边际探测可设置为多目标探测任务,需要推进系统具备超高比冲(≥6000s)、变推力连续调节等技术特点;考虑到远距离飞行测控难度大,还需发展智能自主运行能力。

针对太阳系边际探测任务对电推进的应用新需求,兰州空间技术物理研究所突破了双级加速及离子束稳定控制、微牛级推力分辨率连续调节、基于神经网络的推力宽范围自主调节等关键技术,完成了超高比冲技术地面测试,氙工质最高比冲达到10076s;研制了连续变推力离子电推进飞行产品LIPS-100,推力调节分辨率优于13μN,达到国际先进水平,即将开展在轨验证。

(2)后续发展重点

离子电推进工作时序相对独立、参数可解耦,在智能化方面具有优势,应重点开展智能电推进和超高比冲电推进交叉创新,加快突破智能电推进体系架构设计、任务适应性分析与应用策略优化、智能算法设计与组件开发等关键技术,不断提高离子电推进比冲和智能自主运行水平。智能电推进和超高比冲电推进发展展望如图14所示。

图14 智能电推进和超高比冲电推进发展展望Fig.14 Prospects of intelligent EP and ultra-high specific impulse EP

3.5 地月空间科学探测

(1)应用需求与策略

地月空间科学探测是验证先进探测载荷、储备复杂空间科学探测关键新技术的重要手段。基于低成本、高功能密度先进立方星开展商业化地月空间科学探测是重要的发展趋势[31]。目前,典型的地月空间探测的任务主要有月球水冰资源探测、环月通信系统建立、环月矿产资源观测与分析等,对推进系统提出低能耗、高集成度等要求。

针对地月空间商业化探测应用新需求,中国研制了多种技术体制的集成式电推进产品。例如,兰州空间技术物理研究所研制的可变功率LHT-40霍尔电推进系统,功率100～300W可调节,具备电推/冷气双推进模式,特别适用于微小探测器,已实现在轨飞行;北京控制工程研究所研制了300W功率HEP-40MF霍尔电推进系统,推力10mN、比冲1200s,于2022年完成低轨卫星升轨任务,轨道提升近300km;中国科学院微电子所研制了面向微小卫星的碘工质射频离子电推进系统,于2022年搭载“天启19星”实现在轨验证,国内首次实现碘工质电推进系统在轨稳定工作;兰州空间技术物理研究所研制的LRIT-30射频离子电推进系统,功率50～80W,推力0.5～1.1mN,特别适用于微纳环月探测器,已进入工程样机研制阶段;中国科学院力学所以空间引力波探测项目“空间太极计划”对推进系统提出的微牛级推力高精度控制需求[32]为牵引,研制了集成化射频离子电推进系统μRIT-1,已于2019年搭载“太极一号”完成在轨验证;国防科技大学研制的脉冲等离子体电推进(PPT)于2019年搭载“灵鹊1A”卫星实现在轨飞行;北京机械设备研究所面向立方星高精度姿态调整、轨道转移、末期离轨任务,研制了离子液体电喷雾电推进系统,于2019年搭载TY-11卫星完成多次在轨点火试验,性能满足应用需求[32]。

(2)后续发展重点

适用于微小探测器的集成化电推进应坚持“百花齐放”的发展思路。一方面,持续提升低功率集成式离子、霍尔产品成熟度,增加飞行履历,优化应用策略;另一方面,与功能性记忆材料、3D打印和微纳制造等前沿成果开展交叉融合创新,发展以纳米电极阵列为代表的新型高精度微电推进技术。微电推进技术发展展望如图15所示。

图15 微电推进技术发展展望Fig.15 Prospects of micro electric propulsion

4 发展建议

本文总结了电推进在地月及深空探测任务中的应用特点和效益,面向5种典型任务分析了动力需求和电推进应用策略,给出了不同功率层次、不同技术体制的电推进技术后续发展重点和应用前景分析(见表2)。聚焦地月及深空探测新需求,按照“一中一超一微”的发展思路,具体建议如下:

表2 电推进在地月及深空探测中的应用方向Table 2 Application directions of EP in the cislunar and deep space exploration mission

(1)夯实中功率电推进技术基础

中功率电推进的发展重点聚焦在离子、霍尔两种技术路线,重点针对放电振荡、寿命评估、长寿命下的可靠性保证等工程难题背后的机理开展研究;构建多物理场耦合的电推进精细理论模型,指导设计思路创新和设计方法优化;发挥电推进参数调节策略灵活丰富的技术优势,与智能算法等新技术开展交叉创新,提升电推进智能化水平,助力中国中功率电推进在2025年前后达到国际领先水平。

(2)推动大功率电推进交叉创新

建议大功率电推进遵循电磁式技术路线方案创新和霍尔式技术路线改进创新同步发展的思路,探索并掌握高密度磁等离子体高效加速方法、基于特定电磁构型的等离子体约束与加速机制,不断提升大功率电磁推进技术水平;应用高温超导材料、新型热控等技术开展交叉创新,解决特斯拉级强磁场实现、高热流热防护等超大功率电推进特有的难题,加快打通制约大功率电推进工程化的瓶颈。

(3)强化微小功率电推进集成创新

建议微小功率电推进坚持“百花齐放”的发展思路,掌握微尺度等离子体输运特性及其稳定性控制等科学规律,提出高精度微电推进系统新技术方案,基于微纳制造等前沿创新成果开展一体化集成创新,解决高集成度、高功能密度、微流率精细控制等微电推进技术难题。