在2014年10月剛剛結(jié)束的中國(guó)衛(wèi)星應(yīng)用大會(huì)上，蘭州空間技術(shù)物理研究所特種推進(jìn)技術(shù)研究室主任張?zhí)炱降膱?bào)告尤其引人關(guān)注。他向與會(huì)的學(xué)界、業(yè)內(nèi)專家介紹了中國(guó)空間電推進(jìn)技術(shù)的研究應(yīng)用情況。

　　所謂電推進(jìn)，就是用電能作為衛(wèi)星的主要?jiǎng)恿?lái)源。

　　衛(wèi)星動(dòng)力是衡量衛(wèi)星水平的一個(gè)關(guān)鍵因素。“目前，國(guó)際衛(wèi)星市場(chǎng)上的通信衛(wèi)星中超過(guò)50%采用混合動(dòng)力，即包括常規(guī)化學(xué)燃料和電推進(jìn)系統(tǒng);另外40%以上采用常規(guī)化學(xué)推進(jìn)劑。通信衛(wèi)星之外的其他類型衛(wèi)星，則極少采用電推進(jìn)技術(shù)。”張?zhí)炱綄?duì)《瞭望東方周刊》解釋說(shuō)，混合電推進(jìn)系統(tǒng)衛(wèi)星在進(jìn)入軌道前采用常規(guī)化學(xué)燃料，入軌后再開(kāi)啟電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)。

　　電推進(jìn)技術(shù)帶給人的深刻印象來(lái)自兩次衛(wèi)星發(fā)射事故。2001年7月發(fā)射的歐洲阿特米斯衛(wèi)星，由于發(fā)射故障未能進(jìn)入預(yù)定軌道，在接下來(lái)的18個(gè)月用電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行軌道轉(zhuǎn)移，成功到達(dá)預(yù)定軌道，首次證明了電推進(jìn)系統(tǒng)具有超強(qiáng)的修復(fù)軌道錯(cuò)誤的能力。

　　另一次是洛克希德——馬丁公司在2010年8月發(fā)射衛(wèi)星時(shí)發(fā)生意外，用兩臺(tái)電推進(jìn)推力器花費(fèi)14個(gè)月，完成了幾乎全部的軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)。

　　“現(xiàn)在國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的基本性能和歐美國(guó)家相當(dāng)，但從研制出樣機(jī)到最后工程應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)，國(guó)外已經(jīng)大量成熟應(yīng)用，我國(guó)現(xiàn)在才開(kāi)始，和國(guó)外差十年。”張?zhí)炱秸f(shuō)。

　　電推進(jìn)技術(shù)將大大提升中國(guó)在國(guó)際衛(wèi)星市場(chǎng)的地位。特別在具有成本優(yōu)勢(shì)的情況下，促進(jìn)中國(guó)航天事業(yè)自“科研型”向“市場(chǎng)型”的轉(zhuǎn)變。

　　為什么要買中國(guó)衛(wèi)星

　　相較化學(xué)劑推進(jìn)，電推進(jìn)的最大優(yōu)勢(shì)是節(jié)省推進(jìn)劑，從而增加有效載荷、降低發(fā)射重量、延長(zhǎng)衛(wèi)星工作壽命。

　　中國(guó)衛(wèi)通集團(tuán)“中星10號(hào)”工程總師、“實(shí)踐13號(hào)”工程副總師閔長(zhǎng)寧告訴《瞭望東方周刊》，一顆5.5噸的通信衛(wèi)星，通常化學(xué)燃料占3.1噸，如果采用電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，三四百公斤足矣，“維持衛(wèi)星正常運(yùn)轉(zhuǎn)一年需要化學(xué)燃料55公斤，氙離子只需要5公斤。”

　　節(jié)約的重量和空間可以用來(lái)安裝更多設(shè)備。通信衛(wèi)星多安裝轉(zhuǎn)發(fā)器，可以顯著增加經(jīng)濟(jì)效益;燃料系統(tǒng)如果可以維持更長(zhǎng)的衛(wèi)星在軌時(shí)間，又間接增加了衛(wèi)星的經(jīng)濟(jì)效益。

　　一般來(lái)說(shuō)，離子發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率比常規(guī)化學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)大約高10倍。這在專業(yè)術(shù)語(yǔ)上，就是所謂高比沖。

　　比沖是指火箭發(fā)動(dòng)機(jī)單位重量推進(jìn)劑產(chǎn)生的沖量，或單位重量、流量的推進(jìn)劑產(chǎn)生的推力，又稱比推力。對(duì)空間應(yīng)用來(lái)講，比沖是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)效率的最終體現(xiàn)。

　　動(dòng)力系統(tǒng)一直是制約中國(guó)衛(wèi)星走進(jìn)國(guó)際市場(chǎng)的短板。“我國(guó)以往出口通信衛(wèi)星大都依賴于國(guó)家間的友好關(guān)系。”張?zhí)炱綄?duì)本刊記者說(shuō)。

　　現(xiàn)在國(guó)際衛(wèi)星市場(chǎng)上份額最大的是美國(guó)，占有約50%，其次是俄羅斯。通信衛(wèi)星在國(guó)際衛(wèi)星市場(chǎng)中只占很少一部分，主體還是其他各類小衛(wèi)星，“在通信衛(wèi)星國(guó)際市場(chǎng)份額排名中，中國(guó)排第八位。”張?zhí)炱秸f(shuō)，美國(guó)的份額超過(guò)60%，歐洲也占有20%以上。

　　中國(guó)的通信衛(wèi)星少量出售給一些第三世界國(guó)家，如委內(nèi)瑞拉、尼日利亞等國(guó)。“和美國(guó)、歐洲一些大的衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)公司相比，目前我國(guó)通信衛(wèi)星的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)不明顯。”張?zhí)炱秸f(shuō)。

　　選用中國(guó)衛(wèi)星產(chǎn)品的國(guó)家，一方面出于友好關(guān)系，同時(shí)對(duì)通信衛(wèi)星的容量要求不高，中國(guó)產(chǎn)品的通信能力能夠滿足需求。再者，中國(guó)采取微利模式，同性能產(chǎn)品具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

　　當(dāng)前國(guó)際市場(chǎng)上的通信衛(wèi)星主要采用氙離子電推進(jìn)系統(tǒng)和霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)。張?zhí)炱浇忉屨f(shuō)，二者同屬于靜電加速類型，只是在工作原理上有些差別。“離子電推進(jìn)系統(tǒng)的放電、加速等幾個(gè)過(guò)程分別獨(dú)立，霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)中這幾個(gè)過(guò)程是耦合在一起的。”

　　他認(rèn)為，國(guó)際衛(wèi)星市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)主要集中在有效載荷比與成本這兩個(gè)方面。

　　在使用常規(guī)化學(xué)燃料的當(dāng)下，中國(guó)的通信衛(wèi)星平臺(tái)只能安裝50多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器，是混合推進(jìn)技術(shù)的三分之二左右。

　　“‘東方紅3B’衛(wèi)星平臺(tái)加載電推進(jìn)系統(tǒng)后，已經(jīng)比較接近國(guó)外電推進(jìn)系統(tǒng)平臺(tái)的性價(jià)比、載荷比。以后使用電推進(jìn)技術(shù)的‘東方紅5號(hào)’，性能要達(dá)到當(dāng)前國(guó)際先進(jìn)水平。”張?zhí)炱秸f(shuō)。

　　閔長(zhǎng)寧則解釋，目前國(guó)際市場(chǎng)上受歡迎的還是混合電推進(jìn)技術(shù)的衛(wèi)星，“通信衛(wèi)星空間轉(zhuǎn)移軌道時(shí)用化學(xué)推進(jìn)劑，進(jìn)入靜止軌道后改用電推進(jìn)，這能節(jié)省幾百公斤的重量。全電推進(jìn)的市場(chǎng)還不好，全電推進(jìn)衛(wèi)星轉(zhuǎn)移軌道需要半年時(shí)間，影響衛(wèi)星的運(yùn)營(yíng)。”

　　壽命更長(zhǎng)的中國(guó)衛(wèi)星

　　中國(guó)電推進(jìn)技術(shù)研究在1967年始于中科院電工研究所。1978年，蘭州空間技術(shù)物理研究所前身——航天五院510所制造的中國(guó)第一臺(tái)新型離子電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)機(jī)，獲得國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

　　這一階段，美國(guó)、俄羅斯已處于電推進(jìn)樣機(jī)研制和飛行試驗(yàn)階段。

　　不過(guò)，當(dāng)時(shí)中國(guó)并沒(méi)有注意到電推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用前景，此后電推進(jìn)技術(shù)的研究進(jìn)入蕭條期。

　　在2012年10月14日成功發(fā)射的“實(shí)踐9號(hào)”上，中國(guó)用兩種電推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了在軌飛行測(cè)試。

　　作為中國(guó)衛(wèi)星通信主要開(kāi)拓者之一，總參通訊部原副部長(zhǎng)、中國(guó)衛(wèi)星應(yīng)用大會(huì)主席楊千里對(duì)《瞭望東方周刊》說(shuō)：“如果我們的衛(wèi)星有了電推進(jìn)技術(shù)，就相當(dāng)于多了一重保險(xiǎn)，并能節(jié)約一些燃料，別國(guó)就會(huì)愿意購(gòu)買。”

　　張?zhí)炱秸f(shuō)，雖然開(kāi)始對(duì)電推進(jìn)技術(shù)的重要性認(rèn)識(shí)程度不足，但正是在中國(guó)空間技術(shù)研究院參加國(guó)際競(jìng)標(biāo)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)電推進(jìn)技術(shù)是競(jìng)標(biāo)的基礎(chǔ)條件，由此引起了特別重視。

　　他說(shuō)，“實(shí)踐9號(hào)”對(duì)電推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了首次飛行測(cè)試，不過(guò)“應(yīng)用時(shí)間比較短，它主要驗(yàn)證了電推進(jìn)技術(shù)在空間與地面之間性能的差異，以及對(duì)空間環(huán)境的適應(yīng)性、與衛(wèi)星的兼容性等方面”。

　　他解釋說(shuō)，“實(shí)踐9號(hào)”屬于搭載飛行，是新技術(shù)驗(yàn)證。當(dāng)時(shí)共驗(yàn)證了20多項(xiàng)新技術(shù)，電推進(jìn)技術(shù)只是其中之一，所以只能算是中國(guó)電推進(jìn)技術(shù)的首次空間飛行試驗(yàn)。

　　中國(guó)空間技術(shù)研究院通過(guò)自籌資金，于2010年確定在“東方紅3B衛(wèi)星平臺(tái)”上進(jìn)行電推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用實(shí)施。

　　所謂的“東方紅3B”衛(wèi)星平臺(tái)，是基于這一平臺(tái)系統(tǒng)，有一系列的衛(wèi)星。

　　“實(shí)際上，‘東方紅3B’最早立項(xiàng)時(shí)沒(méi)有電推進(jìn)技術(shù)，是中國(guó)空間技術(shù)研究院后來(lái)自己加進(jìn)來(lái)的。通過(guò)它的研制，在電推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用方面取得很好的進(jìn)展。”張?zhí)炱浇忉專?ldquo;東方紅3B”采用200毫米的氙離子電推進(jìn)系統(tǒng)——電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射口徑為200毫米，這是電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力大小與性能的具體體現(xiàn)。

　　截至目前，這一平臺(tái)電推進(jìn)技術(shù)地面試驗(yàn)已接近5000小時(shí)。

　　閔長(zhǎng)寧說(shuō)，采取“東方紅3B”平臺(tái)的“實(shí)踐13號(hào)”通信衛(wèi)星已定于2017年第一季度發(fā)射。

　　它將攜帶四臺(tái)200毫米口徑的氙離子電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，在軌壽命15年。為滿足這個(gè)要求，攜帶的常規(guī)化學(xué)燃料減少了四五百公斤，有效載荷將增加40%。

　　自2000年開(kāi)始，世界領(lǐng)域內(nèi)衛(wèi)星電推進(jìn)技術(shù)和應(yīng)用已進(jìn)入擴(kuò)展階段。現(xiàn)在在軌的混合電推進(jìn)動(dòng)力的通信衛(wèi)星超過(guò)百顆，未來(lái)兩年，全電推進(jìn)動(dòng)力的衛(wèi)星也要相繼升空，美國(guó)、歐洲即將進(jìn)入全電推進(jìn)時(shí)代。

　　目前在研發(fā)的“東方紅5號(hào)”對(duì)電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求是：工作總累計(jì)時(shí)間超過(guò)4.2萬(wàn)小時(shí)，開(kāi)關(guān)機(jī)次數(shù)超過(guò)1.2萬(wàn)次。而美國(guó)的離子電推進(jìn)系統(tǒng)地面試驗(yàn)壽命已超過(guò)5萬(wàn)小時(shí)。

　　在中國(guó)未來(lái)的空間電推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用中，近地小行星探測(cè)、遠(yuǎn)深空探測(cè)、載人深空探測(cè)、空間太陽(yáng)能電站軌道維持等都將是它的用武之地。