电推进系统的过去、现在及未来

正当前,航天器主要使用化学推进系统和电推进系统。化学推进系统是在航天器内加注化学推进剂并产生化学反应,产生推力,推动火箭飞行;电推进系统是使用电能产生推力,推动航天器飞行。相比起化学推进系统,电推进系统所需要加注的推进剂少,且不必受推进剂产生/释放化学能量大小的制约,可以有效地将电能转化为动能,具有比冲高、工作时间长的优势。在太空特有的真空失重状态下,电推进系统能够长时间工作,持续做功,帮助航天器完成位置保持和轨道机动。     

离子电推进技术:四十年坚守后的重大突破

不久前,实践九号A星携带的离子电推进系统首次点火成功,稳定工作3分钟,随后又进行了第二次点火,稳定工作了近4分钟,实践九号A星离子电推进系统飞行试验取得了开门红。40年磨一"箭"这是我国第一次在卫星上使用离子电推进系统。这个离子电推进系统由中国空间技术研究院510所研制,从预研到成功上天,该所的科研人员整整花费了40年的时间。整个离子电推分系统包括1个推进剂贮存     

小行星探测电推进系统方案研究

小行星探测以及资源开发与利用对国家抢占深空探测主动权和制高点有着不可估量的战略意义。电推进具有高比冲、长寿命和高度自主巡航等特点,小行星探测器采用电推进执行巡航阶段轨道机动任务,将大幅减少推进剂重量和提高载重比。调研了国外小行星探测的电推进系统方案,针对我国小行星探测对电推进系统的任务需求及现有电推力器的技术基础,提出了5种电推进系统方案,并进行多维度对比,对最优方案进行了设计和关键技术梳理。     

电推进系统在静止轨道卫星平台上应用的关键技术

在未来静止轨道平台上应用电推进系统是我国航天事业发展的必然趋势。将氙离子电推进系统(XIPS)应用于静止轨道卫星平台,除了要解决电推力器本身的问题之外,还要在系统应用方面做大量工作。以该静止轨道卫星对电推进系统的需求为基础,从三个方面对电推进系统在未来静止轨道平台上应用所涉及到的关键技术进行了分类及梳理:一是电推进系统与电推力器之间的关系,包括电推力器与推进剂贮存和供给子系统、电源子系统、控制子系统联合工作所涉及到的关键技术;二是电推进系统与化学推进系统的协调工作,包括两种推进系统的任务分工及相互影响所涉及到的关键技术;三是电推进系统对整星及大系统的影响,包括电推进系统对电源、热控、羽流污染控制、电磁兼容性(EMC)、遥测遥控、自主管理等所涉及到的关键技术。通过对这三个方面的关键技术进行梳理,明确了电推进系统在整星上应用所需要开展的工作。     

霍尔电推进技术-促成10年后去火星

日前,中国航天科技集团公司五院502所研制的“磁聚焦霍尔电推进系统”在实践－17卫星上完成了全部在轨飞行验证工作,这是世界首套完成在轨飞行验证的“磁聚焦霍尔电推进系统”。“磁聚焦霍尔电推进系统”采用新一代霍尔电推进技术,代表着国际上目前的主流发展方向,可广泛应用于我国新一代通信、全电推进等卫星平台。相比我国目前广泛采用的化学推进系统,“磁聚焦霍尔电推进系统”技术比冲高出6倍以上,对于同样的宇航任务,电推进消耗的推进剂约为化学推进的1/6,甚至更少,可显著提升航天器有效载荷,延长航天器在轨寿命,降低航天器发射成本。     

大功率轨道转移航天器全电推进系统研究

采用基于电推进的空间运输系统(转移级)完成使命,相对于采用化学推进可节省大量的推进剂,能够显著降低航天器的发射重量或者把更多的有效载荷送达探测目标地。调研了国外大功率电推力器的研究情况,针对近地空间的大功率轨道转移航天器任务需求,给出了电推进系统方案设计,并对采用不同性能指标推力器的多种方案进行对比,得到综合最优的方案。最后针对我国电推进技术发展现状,给出了我国大功率电推力器的关键技术和发展建议。     

东三B平台全配完成首秀

<正>中星16号卫星使用的是东方红三号B平台,该平台是中国研制的最新一代中等容量通信卫星平台,采用了综合电子、电推进、高效热控、锂离子蓄电池、FDIR等先进技术,平台技术可推广至其他卫星平台。电推进比冲是常规化学推进剂的10倍以上,可使卫星携带更少的推进剂,为有效载荷提供更大空间。完全国产化的东三B平台于2009年立项,中星16号卫星是东三B平台的全配置首发星。电推进的高比冲,使卫星发射质     

电推进发展现状

电推进具有比冲高、质量轻、体积小,特别是消耗工质少等优点,用于航天器能显著提高有效载荷比,若增加推进剂携带量则可延长工作寿命。但与单组元或双组元液体推进系统相比,它还存在推力小、效率低和工作寿命不够长等不足。尽管如此,电推进已越来越多地用于地球静止轨道卫星的轨道保持和姿态控制,并开始作为深空探测器的主推进,执行轨道机动和轨道转移任务。     

液化气体推进剂在微小卫星推进系统中的应用

随着微小型卫星的发展,液化气推进系统成为了此类航天器推进系统的选择。目前,国内外常用的液化气推进剂有一氧化二氮、丁烷、丙烷、氨等。本文对液化气推进剂的发展历史和研究现状进行了综述,对液化气推进系统在应用中面临的技术问题进行了分析,并在综合考虑各项因素的情况下,推荐采用一氧化二氮作为微小卫星液化气推进系统的推进剂。     

核热火箭应用前景与展望

<正>空间活动的核心是推进系统,单位质量推进剂在单位时间内能够获得的能量及其能够持续的时间,直接决定能够开展的空间活动的范围与规模。目前采用的推进方式包括化学推进和基于太阳能的电推进均有其自身的不足,不能满足日益发展的航天活动的需要。相对化学推进及电推进,核热火箭兼具比冲高、推力大的优势,可满足更大规模的深空探索需求,是未来航天运输系统及航天动力技术发展的重要方向。     

“田园一号”微推进系统设计与性能测试

针对“田园一号”微纳星编队飞行任务的技术需求，开展了微推进系统的总体设计。常规冷气推进由于其比冲低、贮存压力高、结构复杂，难以满足微纳卫星需求。选择R134a作为推进工质，通过将推进剂液化，减小系统体积。基于3D打印技术，设计贮箱、稳压罐、管路一体的推进系统。采用MEMS加工工艺，设计并研制出电加热喷口，从而提高系统比冲。分析了不同喷口尺寸、供气压力以及温度下所产生的推力和比冲大小，确定出喷口设计。表征测试所研制的电加热喷口，结果表明喷口加工误差控制在2%以内。真空条件下，采用扭摆测量系统测试推力器推进性能，测试结果表明，当稳压罐内气体压力在0.1～0.2 MPa变化时，推力大小为5～10 mN。当喷气温度从25℃升至95℃时，推进系统比冲可提升10%以上。     

主带小行星采样返回任务中的离子电推进应用方案

由于离子电推进的高比冲特性,采用它执行小行星探测器巡航阶段轨道机动任务时,将使探测器在同样的有效载荷下的发射重量大大减轻。针对我国规划中的主带小行星采样返回任务,调研了国外离子电推进在深空探测任务中的应用情况,在借鉴国外成功经验和任务需求分析的基础上,设计了主带小行星探测器离子电推进系统方案和应用策略,计算了在目前离子推力器寿命水平下,既定探测任务对离子电推进推力、比冲、推进剂量以及功耗需求。研究表明,目前研制的离子推力器可以满足规划中的主带小行星探测任务需求。研究成果对探测器的方案设计有参考价值。     

Integrated design of solar thermal propulsion system for microsatellite with liquid ammonia as propellant

This paper presents a design of solar thermal propulsion (STP) system for microsatellite with liquid ammonia as propellant. The system was equipped with two concentrators, which were respectively placed in the tank and thrust chamber for propellant supply and heating. A platelet heat exchanger was adopted to heat the propellant in the chamber, and the fluid–solid coupling effect between the wall and the gas was considered. Meanwhile, the effects of satellite mass, initial orbit, nozzle size and target temperature on the performance of STP system were analyzed. The results show that for microsatellites with a total mass of 100 kg, the STP system can fully heat the propellant to more than 2050 K, generate an intermittent thrust of about 26 N, and enable the satellite to obtain a velocity increment of more than 1470 m/s within 19 days, consuming only 42 kg of propellant, which can directly meet the transfer mission from the geostationary transfer orbit (GTO) to the geostationary orbit (GEO). The maximum velocity increment could reach more than 1950 m/s when the propellant was completely consumed; Changing the mass and initial orbit of the satellite will not affect the thrust and specific impulse. Satellites with smaller mass will spend less time and propellant during orbit transfer. The lower is the perigee height of the initial orbit, the greater is the propellant consumption, while the shorter is the time of orbit transfer; The reduction of nozzle throat size and target temperature will lead to the increase of specific impulse and the decrease of orbital transfer time, but the reduction of thrust.     

国外电喷推进技术发展与趋势

电喷推进是一种具有高比冲、高效率、快启动、高集成度的微小功率电推进技术,非常适合于微纳卫星轨道转移、位置保持任务和引力波探测器等较大型航天器的高精度姿态控制、无拖曳控制等任务。电喷推进技术概念形成于1960年。国外电喷推进在经历了曲折的发展历程后,从20世纪90年代开始,在微制造、新材料、离子液体、高性能电源等技术大幅进步的推动下,取得了巨大进展,目前已经达到空间应用水平。美国、瑞士、英国研究电喷推进较深入,其中又以美国投入最大、创新最显著、成果最丰富。美国MIT大学提提出并开展了有利于实现高比冲和批产化的iEPS系列电喷推力器芯片研究,近年来主要在开展推力密度和可靠性提升的研究工作。Busek公司主要发展大推力和宽调节电喷推进。密苏里科技大学提出并开展了基于一种含能液体推进剂的、具有化学推进模式和电喷推进模式的化电双模微推进技术研究。密歇根理工大学则提出了基于铁磁流体的流体成型发射体电喷推进技术。本文通过对国外电喷推进发展历程、最新进展的研究,提出了电喷推进发展趋势以及对我国电喷推进发展的建议。     

Feasibility analysis of solar thermal propulsion system with thermal energy storage

Possessing relatively high specific impulse and moderate thrust levels, solar thermal propulsion (STP) is a promising candidate in spacecraft propulsion system. However, the traditional solar thermal propulsion system suffers from thrust failure in the shadow area, which seriously affects its applicability. In this paper, we investigate feasibility of regenerative solar thermal propulsion system (RSTP) incorporating thermal energy storage, which can effectively overcome unmatched synchronous working time and illumination time. A numerical model for RSTP considering the whole energy transfer process from light concentrating, heat storage, to thrust generation is built, which is verified by experiment measurements with relative errors less than 15 %. The result shows that the maximum time to complete heat storage is about 4000 s, which is within the illumination time for low Earth orbit. In the solar eclipse region, the thrust (F_t) and the specific impulse (I_sp) of the system increase with the propellant flow rate, which can reach about 2 N and 690 s, respectively. What’s more, the system can operate for around 100 s continuously at the maximum thrust in the shadow area. This work provides alternative approaches for microsatellite propulsion with high specific impulse, high thrust, and continuous operation despite presence of solar eclipse.     

In orbit performance of butane propulsion system

The present work focuses on the determination of the in orbit performance of the Alsat-1 microsatellite propulsion system. The satellite mass is 90 kg, of which 6.2 kg is the propulsion system dry mass. The system is a butane propulsion system using low power resistojet thruster with 2.3 kg of propellant. The liquefied butane gas was selected due to its higher storage density and safety compared to the other propellants used for microsatellites. The purpose of this paper is the analysis of the firings performed after the launch of the satellite and to evaluate the system specific impulse and thrust level during the system lifetime. A total of 273 firings were performed on the Alsat-1 propulsion system in the period between the end of 2002 and mid 2009, the cumulated firing time is more than 12 h 49 min. The analysis of all the propulsion telemetry data shows that the system provides a total mission delta V of 25.3 m/s which is more than the 10 m/s specified for this mission. Furthermore, the mission average specific impulse and thrust are respectively 99.9 s and 48.8 mN.     

小功率电弧等离子体发动机试验及性能研究

电推进技术已应用于航天的多个领域,电弧等离子体发动机（Arcjet)因其高比冲、高推力／功率比以及大的推进剂选择范围等特点成为当前国际上电火箭研究和应用的热点。文章总结小功率Arcjet实验及性能研究,介绍了实验研究系统的主要组成,给出初步的发动机工作性能参数及实验结果分析。