[科普中国]-离子电推进系统

基本概念

离子电推进系统是属于非常规推进系统，它借助电能使工质离解成为带电粒子，再通过加速这种带电粒子流来获得推力。它的排气速度很高，每秒可达几十、几百千米，甚至更高。离子电推进技术具有大幅减少推进剂燃料、操控更灵活、定位更精准、推进速度增量更高等显著优势。

传统的火箭是通过尾部喷出高速的气体实现向前推进的，能短时间内产生巨大的推力，但工作时间短。离子推进器也是采用同样的喷气式原理，它所喷出的是一束带电粒子或是离子。它所提供的推动力或许相对较弱，但关键的是这种离子推进器所需要的燃料要比普通火箭少得多，推力更持久。只要离子推进器能够长期保持性能稳定，它最终能够把太空飞船加速到更高的速度。1

工作原理利用原子的猛烈撞击，使原子外层的电子外脱离原子核飞出来，成为带电的离子，用高压电场将这些离子加速到每小时15万公里的速度，高速离子流从喷口喷出，推动火箭前进。这也是一种小功率的火箭，它的寿命很长，可以在10年以上的时间内连续提供小推力。先用大功率的化学火箭将飞行器送入环绕地球的轨道，然后用这种小推力火箭去执行各种特殊任务。一个16吨的飞船，在离子火箭的推动下，不断加速，只需三年便可到达土星。美国从1964年7月研制这种火箭，第一台离子火箭推力仅为0.3牛。前苏联也从1966年10月开始进行试验。在今后的宇宙航行中，这种小推力火箭将发挥重要作用。2

离子电火箭是一种高比冲(高喷气速度)、长寿命的新型高效卫星或飞船用发动机，美国1998年发射升空的“深空一号”电火箭工作时，是将经过电场数周甚至数月加速后的离子，以每小时10.46万公里的速度喷射出去的力量反推前进。尽管粒子产生的推力仅相当于一页纸的重量，但是在太空微重力环境下，一点点力就可以发挥相当大的作用：连续不断的推动使“深空一号”的时速每天提高25至32公里，连续300天增加推力就可将时速提高到9700公里。2

发展与应用最早的离子引擎于1960年左右由美国航宇局的刘易斯研究中心制成，但之后一直处于试验阶段。1998年美国探测彗星的“深空”1号才首次将离子推进器作为主力推进系统应用在深空飞行中。

离子电推进作为先进的空间推进技术，美国和前苏联一直都是这种先进技术的垄断者，直到近年来，相关技术才开始扩散。比如日本的“隼鸟”探测器和欧洲的“智慧”1号探测器等，而且技术已经取得了很大的进步和经济效益。目前，国际上已经形成了离子电推进和霍尔电推进两大主流应用产品，并将采用电推进系统作为衡量大容量、长寿命通信卫星平台先进性的重要标志。欧空局已经将电推进作为未来十大尖端技术之一。

当前，我国航天器工程已对应用电推进系统提出了非常迫切的需求，特别是新一代地球同步轨道卫星平台、深空探测航天器等。这些航天器的方案论证表明：如果不应用电推进系统，卫星平台就不具备先进性，不仅没有国际竞争力，甚至无法满足用户的要求；在现有运载条件下，某些深空探测任务将难以实现。1

记者从中国航天科技集团五院510所获悉，由该所独立自主研制的我国首台200毫米离子电推进系统，经过“实践九号”卫星空间飞行试验验证后，在长寿命地面考核试验中持续工作超过1万小时（约417天，1年又3个月）。这台200毫米离子电推进系统推力40毫牛、比冲3000秒、束流发散角15度、工作寿命10000至15000小时。“实践九号”卫星搭载这一离子电推进系统进行了长达一年空间飞行试验验证，验证表明该系统表现优异。

这种发动机的价值在于可以消耗极少的工质而提供长期推动力，实现航天器超远距离宇航。此外，这种发动机质量远小于化学燃料火箭，可用于长期在轨工作卫星的姿态调整。

510所所长张伟文介绍，目前我国发射的航天器一直由化学燃料执行空间推进职能，为了完成变轨、姿态调整和南北位置保持任务，航天器需要携带大量燃料，这不仅占用空间，还大大增加了自身重量。他举例说，以一颗15年寿命的高轨道卫星为例，卫星约重4.8吨，其中化学燃料贮箱重量就达3吨。如果采用离子电推进系统替代化学推进，仅南北位置保持就可省去810公斤燃料，如果执行全电推进方案，使卫星“瘦身”至2吨以下，省出来的空间和重量可安装更多科学设备载荷。

相比以往航天器的推进方式，离子电推进技术具有大幅减少推进剂燃料、操控更灵活、定位更精准、推进速度增量更高等显著优势。510所自2007年从工程样机起步，研制成功200毫米离子电推进系统。随后，510所于2010年率先承担了我国第一颗电推进卫星型号任务，在“东方红三B”卫星平台上用离子电火箭完成南北位保（位置保持）使命，并进入初样鉴定产品研制阶段；在深空探测飞行器型号论证中，经反复比对论证，我国小行星探测总体单位也于今年3月决定使用它承担深空探测主推进任务。2501所在5年内，走完了国外同阶段耗时近10年才走完的路。该系统装载在2012年发射的“实践九号”卫星上，经过长达一年的在轨飞行试验考验，表现优异。专家认为该系统已达到国际先进水平，一些主要技术指标优于国外同类产品。

据悉，2015年前后，电推进系统将有望在我国航天器上全面应用，从而大大提升我国通信卫星系列平台、深空探测航天器、重力场测量卫星、载人航天空间站等航天器的整体技术水平和整器性能3。