在2014年10月剛剛結束的中國衛(wèi)星應用大會上，蘭州空間技術物理研究所特種推進技術研究室主任張?zhí)炱降膱蟾嬗绕湟岁P注。他向與會的學界、業(yè)內專家介紹了中國空間電推進技術的研究應用情況。

　　所謂電推進，就是用電能作為衛(wèi)星的主要動力來源。

　　衛(wèi)星動力是衡量衛(wèi)星水平的一個關鍵因素。“目前，國際衛(wèi)星市場上的通信衛(wèi)星中超過50%采用混合動力，即包括常規(guī)化學燃料和電推進系統(tǒng);另外40%以上采用常規(guī)化學推進劑。通信衛(wèi)星之外的其他類型衛(wèi)星，則極少采用電推進技術。”張?zhí)炱綄Α恫t望東方周刊》解釋說，混合電推進系統(tǒng)衛(wèi)星在進入軌道前采用常規(guī)化學燃料，入軌后再開啟電推進發(fā)動機。

　　電推進技術帶給人的深刻印象來自兩次衛(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)射故障未能進入預定軌道，在接下來的18個月用電推進系統(tǒng)進行軌道轉移，成功到達預定軌道，首次證明了電推進系統(tǒng)具有超強的修復軌道錯誤的能力。

　　另一次是洛克希德——馬丁公司在2010年8月發(fā)射衛(wèi)星時發(fā)生意外，用兩臺電推進推力器花費14個月，完成了幾乎全部的軌道轉移任務。

　　“現(xiàn)在國內產(chǎn)品的基本性能和歐美國家相當，但從研制出樣機到最后工程應用時間較長，國外已經(jīng)大量成熟應用，我國現(xiàn)在才開始，和國外差十年。”張?zhí)炱秸f。

　　電推進技術將大大提升中國在國際衛(wèi)星市場的地位。特別在具有成本優(yōu)勢的情況下，促進中國航天事業(yè)自“科研型”向“市場型”的轉變。

　　為什么要買中國衛(wèi)星

　　相較化學劑推進，電推進的最大優(yōu)勢是節(jié)省推進劑，從而增加有效載荷、降低發(fā)射重量、延長衛(wèi)星工作壽命。

　　中國衛(wèi)通集團“中星10號”工程總師、“實踐13號”工程副總師閔長寧告訴《瞭望東方周刊》，一顆5.5噸的通信衛(wèi)星，通?；瘜W燃料占3.1噸，如果采用電推進發(fā)動機，三四百公斤足矣，“維持衛(wèi)星正常運轉一年需要化學燃料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安裝更多設備。通信衛(wèi)星多安裝轉發(fā)器，可以顯著增加經(jīng)濟效益;燃料系統(tǒng)如果可以維持更長的衛(wèi)星在軌時間，又間接增加了衛(wèi)星的經(jīng)濟效益。

　　一般來說，離子發(fā)動機的燃燒效率比常規(guī)化學發(fā)動機大約高10倍。這在專業(yè)術語上，就是所謂高比沖。

　　比沖是指火箭發(fā)動機單位重量推進劑產(chǎn)生的沖量，或單位重量、流量的推進劑產(chǎn)生的推力，又稱比推力。對空間應用來講，比沖是火箭發(fā)動機效率的最終體現(xiàn)。

　　動力系統(tǒng)一直是制約中國衛(wèi)星走進國際市場的短板。“我國以往出口通信衛(wèi)星大都依賴于國家間的友好關系。”張?zhí)炱綄Ρ究浾哒f。

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

　　中國的通信衛(wèi)星少量出售給一些第三世界國家，如委內瑞拉、尼日利亞等國。“和美國、歐洲一些大的衛(wèi)星運營公司相比，目前我國通信衛(wèi)星的競爭優(yōu)勢不明顯。”張?zhí)炱秸f。

　　選用中國衛(wèi)星產(chǎn)品的國家，一方面出于友好關系，同時對通信衛(wèi)星的容量要求不高，中國產(chǎn)品的通信能力能夠滿足需求。再者，中國采取微利模式，同性能產(chǎn)品具有價格優(yōu)勢。

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

　　他認為，國際衛(wèi)星市場上的競爭主要集中在有效載荷比與成本這兩個方面。

　　在使用常規(guī)化學燃料的當下，中國的通信衛(wèi)星平臺只能安裝50多個轉發(fā)器，是混合推進技術的三分之二左右。

　　“‘東方紅3B’衛(wèi)星平臺加載電推進系統(tǒng)后，已經(jīng)比較接近國外電推進系統(tǒng)平臺的性價比、載荷比。以后使用電推進技術的‘東方紅5號’，性能要達到當前國際先進水平。”張?zhí)炱秸f。

　　閔長寧則解釋，目前國際市場上受歡迎的還是混合電推進技術的衛(wèi)星，“通信衛(wèi)星空間轉移軌道時用化學推進劑，進入靜止軌道后改用電推進，這能節(jié)省幾百公斤的重量。全電推進的市場還不好，全電推進衛(wèi)星轉移軌道需要半年時間，影響衛(wèi)星的運營。”

　　壽命更長的中國衛(wèi)星

　　中國電推進技術研究在1967年始于中科院電工研究所。1978年，蘭州空間技術物理研究所前身——航天五院510所制造的中國第一臺新型離子電推進發(fā)動機試驗機，獲得國家科技進步一等獎。

　　這一階段，美國、俄羅斯已處于電推進樣機研制和飛行試驗階段。

　　不過，當時中國并沒有注意到電推進技術的應用前景，此后電推進技術的研究進入蕭條期。

　　在2012年10月14日成功發(fā)射的“實踐9號”上，中國用兩種電推進技術進行了在軌飛行測試。

　　作為中國衛(wèi)星通信主要開拓者之一，總參通訊部原副部長、中國衛(wèi)星應用大會主席楊千里對《瞭望東方周刊》說：“如果我們的衛(wèi)星有了電推進技術，就相當于多了一重保險，并能節(jié)約一些燃料，別國就會愿意購買。”

　　張?zhí)炱秸f，雖然開始對電推進技術的重要性認識程度不足，但正是在中國空間技術研究院參加國際競標的過程中，發(fā)現(xiàn)電推進技術是競標的基礎條件，由此引起了特別重視。

　　他說，“實踐9號”對電推進技術進行了首次飛行測試，不過“應用時間比較短，它主要驗證了電推進技術在空間與地面之間性能的差異，以及對空間環(huán)境的適應性、與衛(wèi)星的兼容性等方面”。

　　他解釋說，“實踐9號”屬于搭載飛行，是新技術驗證。當時共驗證了20多項新技術，電推進技術只是其中之一，所以只能算是中國電推進技術的首次空間飛行試驗。

　　中國空間技術研究院通過自籌資金，于2010年確定在“東方紅3B衛(wèi)星平臺”上進行電推進技術應用實施。

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

　　“實際上，‘東方紅3B’最早立項時沒有電推進技術，是中國空間技術研究院后來自己加進來的。通過它的研制，在電推進技術應用方面取得很好的進展。”張?zhí)炱浇忉專?ldquo;東方紅3B”采用200毫米的氙離子電推進系統(tǒng)——電推進發(fā)動機的噴射口徑為200毫米，這是電推進發(fā)動機動力大小與性能的具體體現(xiàn)。

　　截至目前，這一平臺電推進技術地面試驗已接近5000小時。

　　閔長寧說，采取“東方紅3B”平臺的“實踐13號”通信衛(wèi)星已定于2017年第一季度發(fā)射。

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

　　自2000年開始，世界領域內衛(wèi)星電推進技術和應用已進入擴展階段。現(xiàn)在在軌的混合電推進動力的通信衛(wèi)星超過百顆，未來兩年，全電推進動力的衛(wèi)星也要相繼升空，美國、歐洲即將進入全電推進時代。

　　目前在研發(fā)的“東方紅5號”對電推進發(fā)動機的要求是：工作總累計時間超過4.2萬小時，開關機次數(shù)超過1.2萬次。而美國的離子電推進系統(tǒng)地面試驗壽命已超過5萬小時。

　　在中國未來的空間電推進技術應用中，近地小行星探測、遠深空探測、載人深空探測、空間太陽能電站軌道維持等都將是它的用武之地。