中國衛星動力破局電推進技術促轉向“市場型”

　　 中國衛星動力破局

　　“如果我們的衛星沒有電推進技術，別國可能就不買，如果有了電推進技術，就相當于多了一重保險，并能節約一些燃料，別國就會愿意購買”

　　《瞭望東方周刊》記者吳銘/北京報道

　　在2014年10月剛剛結束的中國衛星應用大會上，蘭州空間技術物理研究所特種推進技術研究室主任張天平的報告尤其引人關注。他向與會的學界、業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，就是用電能作為衛星的主要動力來源。

　　衛星動力是衡量衛星水平的一個關鍵因素。“目前，國際衛星市場上的通信衛星中超過50%采用混合動力，即包括常規化學燃料和電推進系統；另外40%以上采用常規化學推進劑。通信衛星之外的其他類型衛星，則極少采用電推進技術。”張天平對《瞭望東方周刊》解釋說，混合電推進系統衛星在進入軌道前采用常規化學燃料，入軌后再開啟電推進發動機。

　　電推進技術帶給人的深刻印象來自兩次衛星發射事故。2001年7月發射的歐洲阿特米斯衛星，由于發射故障未能進入預定軌道，在接下來的18個月用電推進系統進行軌道轉移，成功到達預定軌道，首次證明了電推進系統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月發射衛星時發生意外，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。

　　“現在國內產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，國外已經大量成熟應用，我國現在才開始，和國外差十年。”張天平說。

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

　　為什么要買中國衛星

　　相較化學劑推進，電推進的最大優勢是節省推進劑，從而增加有效載荷、降低發射重量、延長衛星工作壽命。

　　中國衛通集團“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噸的通信衛星，通常化學燃料占3.1噸，如果采用電推進發動機，三四百公斤足矣，“維持衛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。”

　　節約的重量和空間可以用來安裝更多設備。通信衛星多安裝轉發器，可以顯著增加經濟效益；燃料系統如果可以維持更長的衛星在軌時間，又間接增加了衛星的經濟效益。

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

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

　　動力系統一直是制約中國衛星走進國際市場的短板。“我國以往出口通信衛星大都依賴于國家間的友好關系。”張天平對本刊記者說。

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

　　中國的通信衛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、歐洲一些大的衛星運營公司相比，目前我國通信衛星的競爭優勢不明顯。”張天平說。

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

　　當前國際市場上的通信衛星主要采用氙離子電推進系統和霍爾電推進系統。張天平解釋說，二者同屬于靜電加速類型，只是在工作原理上有些差別。“離子電推進系統的放電、加速等幾個過程分別獨立，霍爾電推進系統中這幾個過程是耦合在一起的。”

　　他認為，國際衛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。

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

　　“‘東方紅3B’衛星平臺加載電推進系統后，已經比較接近國外電推進系統平臺的性價比、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。”張天平說。

　　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星，“通信衛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，這能節省幾百公斤的重量。全電推進的市場還不好，全電推進衛星轉移軌道需要半年時間，影響衛星的運營。”

　　壽命更長的中國衛星

　　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。

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

　　張天平說，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，發現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，以及對空間環境的適應性、與衛星的兼容性等方面”。

　　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衛星平臺”上進行電推進技術應用實施。

　　所謂的“東方紅3B”衛星平臺，是基于這一平臺系統，有一系列的衛星。

　　“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。”張天平解釋，“東方紅3B”采用200毫米的氙離子電推進系統——電推進發動機的噴射口徑為200毫米，這是電推進發動機動力大小與性能的具體體現。

　　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”通信衛星已定于2017年第一季度發射。

　　它將攜帶四臺200毫米口徑的氙離子電推進發動機，在軌壽命15年。為滿足這個要求，攜帶的常規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，世界領域內衛星電推進技術和應用已進入擴展階段。現在在軌的混合電推進動力的通信衛星超過百顆，未來兩年，全電推進動力的衛星也要相繼升空，美國、歐洲即將進入全電推進時代。

　　目前在研發的“東方紅5號”對電推進發動機的要求是：工作總累計時間超過4.2萬小時，開關機次數超過1.2萬次。而美國的離子電推進系統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。