自今年1月23日，我國(guó)首顆全電推進(jìn)衛(wèi)星“亞太6E”正式開啟電推變軌的旅程以來，該衛(wèi)星已經(jīng)在軌道上發(fā)揮著重要的通信作用?！皝喬?E”采用東方紅三號(hào)E衛(wèi)星平臺(tái)，設(shè)計(jì)壽命15年，配置了25個(gè)Ku波段轉(zhuǎn)發(fā)器和3個(gè)Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器，通信容量超過30Gbps。它的成功發(fā)射和運(yùn)營(yíng)受到了媒體和廣大航天愛好者的廣泛關(guān)注，其原因就在于衛(wèi)星采用了全電推進(jìn)設(shè)計(jì)。那么，電推衛(wèi)星有哪些優(yōu)勢(shì)呢？

(相關(guān)資料圖)

亞太6E衛(wèi)星示意圖（中國(guó)航天科技集團(tuán)五院供圖）

電推技術(shù)帶來高比沖

電推進(jìn)系統(tǒng)使用電能取代化學(xué)能作為衛(wèi)星的主動(dòng)力，是目前最先進(jìn)的空間推進(jìn)技術(shù)，得到了航天大國(guó)越來越多的重視和青睞。俄羅斯和歐美日等國(guó)家和組織很早就將電推進(jìn)系統(tǒng)投入到航天領(lǐng)域，且歐美國(guó)家在商業(yè)衛(wèi)星上使用電推進(jìn)技術(shù)已經(jīng)普及了很多年。

電推進(jìn)技術(shù)之所以受青睞，就在于它有很多優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)航天器比如衛(wèi)星主要使用化學(xué)能火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，依靠燃料和氧化劑燃燒噴氣提供推力。由于化學(xué)燃料受能量密度等因素制約，發(fā)動(dòng)機(jī)比沖不高，而火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖相當(dāng)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率，是制約發(fā)動(dòng)機(jī)和航天器性能的關(guān)鍵指標(biāo)。即使是大型發(fā)動(dòng)機(jī)使用能量最高的液氫燃料并實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)，比如美國(guó)的RL10B-2發(fā)動(dòng)機(jī)也只能做到465秒的比沖。

衛(wèi)星為了變軌、調(diào)姿和維持軌道高度，需要攜帶大量燃料，采用傳統(tǒng)化學(xué)能發(fā)動(dòng)機(jī)的通信衛(wèi)星，大部分重量都被燃料所占。電推進(jìn)技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)就是工作原理不同帶來的高比沖，即使是比沖較低的霍爾電推發(fā)動(dòng)機(jī)，也普遍能做到1500秒以上的比沖。

高比沖意味著能減少燃料攜帶量，提高攜帶載荷的能力，這對(duì)發(fā)射成本極高的航天器來說經(jīng)濟(jì)意義十分重大，也為衛(wèi)星設(shè)計(jì)帶來了巨大優(yōu)勢(shì)。

電推主要分為兩大類

目前，廣泛使用的電推技術(shù)主要分為離子電推和霍爾電推兩大類。離子電推屬于靜電式電推，也就是靜電場(chǎng)中把工質(zhì)離解為離子和電子，噴出高速的離子產(chǎn)生推力。霍爾電推屬于電磁式電推，利用霍爾效應(yīng)電離工質(zhì)，加速離子噴出產(chǎn)生推力。

霍爾電推相比離子電推，優(yōu)勢(shì)在于技術(shù)和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但同等技術(shù)水平下的比沖較低。美國(guó)和蘇聯(lián)都曾研制和使用過電熱式電推，它使用電能把工質(zhì)加熱為蒸汽噴射產(chǎn)生推力，比沖介于化學(xué)能發(fā)動(dòng)機(jī)和霍爾電推之間。雖然電熱式技術(shù)最簡(jiǎn)單，重量也最輕，但比沖優(yōu)勢(shì)不明顯，現(xiàn)在已經(jīng)很少使用了。

電推技術(shù)最主要的優(yōu)勢(shì)是發(fā)動(dòng)機(jī)比沖很高，即使是電熱式電推，比如美國(guó)的MR-510電弧式電推，其比沖也有600秒左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于化學(xué)能發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖。而蘇聯(lián)/俄羅斯研制的老式霍爾電推，比如廣泛應(yīng)用的pps1350g發(fā)動(dòng)機(jī)，其比沖達(dá)到了1660秒。老式離子電推以美國(guó)深空一號(hào)探測(cè)器使用的NSTAR為例，比沖更是達(dá)到3100秒。

如今一些國(guó)家研制的新一代電推發(fā)動(dòng)機(jī)，霍爾電推也能做到3000秒以上，離子電推不乏4000秒以上的例子，而概念更先進(jìn)的磁等離子體動(dòng)力推力器和可變比沖磁等離子體火箭，比沖甚至能達(dá)到6000秒和12000秒。

根據(jù)齊奧爾科夫斯基公式，發(fā)動(dòng)機(jī)比沖的提高可以指數(shù)級(jí)地提高有效載荷質(zhì)量比。例如，1顆重量4.8噸、設(shè)計(jì)壽命15年的靜止軌道通信衛(wèi)星，它攜帶的化學(xué)燃料和儲(chǔ)箱的重量就有3噸，如果使用離子電推，可節(jié)約810公斤的燃料。如果使用全電推進(jìn)方案，衛(wèi)星重量能降低到2噸以下。

“亞太6E”作為我國(guó)首顆全電推進(jìn)衛(wèi)星，它的本體質(zhì)量只有約2噸，而使用傳統(tǒng)化學(xué)能發(fā)動(dòng)機(jī)的同級(jí)別通信衛(wèi)星質(zhì)量普遍在5噸左右，所以電推帶來的性能優(yōu)勢(shì)相當(dāng)明顯。

亞太6E衛(wèi)星（中國(guó)航天科技集團(tuán)五院供圖）

運(yùn)用前景寬廣

目前，美國(guó)和俄羅斯的電推技術(shù)積累最雄厚，工程實(shí)踐和商業(yè)應(yīng)用最出色，尤其是美國(guó)商業(yè)通信衛(wèi)星上，電推已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)配置。

歐洲的航天器制造商也引進(jìn)和自行研制了各種電推發(fā)動(dòng)機(jī)，并發(fā)展了自己的電推衛(wèi)星，空客航天防務(wù)公司除了研制傳統(tǒng)大型商業(yè)通信衛(wèi)星外，還研制了使用電推的一網(wǎng)衛(wèi)星。日本的電推技術(shù)也可圈可點(diǎn)，由于日本在商業(yè)通信衛(wèi)星領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力差，名氣主要體現(xiàn)在“隼鳥”等深空探測(cè)器上。

2012年，我國(guó)發(fā)射的實(shí)踐9號(hào)衛(wèi)星就在我國(guó)衛(wèi)星中首次實(shí)現(xiàn)了電推進(jìn)，填補(bǔ)了我國(guó)電推技術(shù)在軌應(yīng)用的空白。該衛(wèi)星讓我國(guó)突破和掌握了離子電推和霍爾電推技術(shù)，現(xiàn)在還在積極研究和應(yīng)用新一代電推，以及各種新概念電推技術(shù)。

隨著“東方紅4號(hào)E”和“東方紅3號(hào)E”等平臺(tái)通信衛(wèi)星的陸續(xù)服役，以及東方紅5號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)的出現(xiàn)，我國(guó)的電推衛(wèi)星也逐漸成為主流。

電推技術(shù)作為目前最先進(jìn)和性能最強(qiáng)的航天器推進(jìn)方式，是空間推進(jìn)技術(shù)的重要發(fā)展方向，已經(jīng)逐漸成為新一代衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)配置。同時(shí)，電推進(jìn)技術(shù)不僅在各種商業(yè)通信衛(wèi)星上得到越來越多的應(yīng)用，深空探測(cè)對(duì)速度增量要求高，同樣是電推技術(shù)大顯身手的領(lǐng)域。

美國(guó)以深空一號(hào)探測(cè)器和黎明號(hào)探測(cè)器為代表，越來越多的探測(cè)器開始使用電推技術(shù)。哪怕是極端追求技術(shù)可靠性，新技術(shù)應(yīng)用較為保守的載人航天領(lǐng)域，電推技術(shù)也得到了應(yīng)用。我國(guó)的天和號(hào)核心艙已經(jīng)裝有電推發(fā)動(dòng)機(jī)，美國(guó)計(jì)劃打造的月球門戶空間站的動(dòng)力能源模塊，將使用性能更先進(jìn)的新一代大功率電推發(fā)動(dòng)機(jī)。

另外，美國(guó)還計(jì)劃使用電推發(fā)動(dòng)機(jī)作為未來載人火星探測(cè)組合體的主發(fā)動(dòng)機(jī)。

當(dāng)然，電推技術(shù)并非完美解決一切問題的“靈丹妙藥”，雖然電推發(fā)動(dòng)機(jī)比沖很高，但受限于電力供應(yīng)和發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，推力遠(yuǎn)不能和化學(xué)能發(fā)動(dòng)機(jī)相比，在需要大推力、快速響應(yīng)和快速變軌的場(chǎng)合，化學(xué)能發(fā)動(dòng)機(jī)仍然大有用武之地。（作者：張雪松）

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