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中国卫星动力破局 电推进技术促转向“市场型”
2014-12-12 09:11  

“如果我们的卫星没有电推进技术,别国可能就不买,如果有了电推进技术,就相当于多了一重保险,并能节约一些燃料,别国就会愿意购买”

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2014/12/308805.shtm?id=308805

  在2014年10月刚刚结束的中国卫星应用大会上,兰州空间技术物理研究所特种推进技术研究室主任张天平研究员的报告尤其引人关注。他向与会的学界、业内专家介绍了中国空间电推进技术的研究应用情况。

  所谓电推进,就是用电能作为卫星的主要动力来源。

  卫星动力是衡量卫星水平的一个关键因素。“目前,国际卫星市场上的通信卫星中超过50%采用混合动力,即包括常规化学燃料和电推进系统;另外40%以上采用常规化学推进剂。通信卫星之外的其他类型卫星,则极少采用电推进技术。”张天平对《瞭望东方周刊》解释说,混合电推进系统卫星在进入轨道前采用常规化学燃料,入轨后再开启电推进发动机。

  电推进技术带给人的深刻印象来自两次卫星发射事故。2001年7月发射的欧洲阿特米斯卫星,由于发射故障未能进入预定轨道,在接下来的18个月用电推进系统进行轨道转移,成功到达预定轨道,首次证明了电推进系统具有超强的修复轨道错误的能力。

  另一次是洛克希德——马丁公司在2010年8月发射卫星时发生意外,用两台电推进推力器花费14个月,完成了几乎全部的轨道转移任务。

  “现在国内产品的基本性能和欧美国家相当,但从研制出样机到最后工程应用时间较长,国外已经大量成熟应用,我国现在才开始,和国外差十年。张天平说。

  电推进技术将大大提升中国在国际卫星市场的地位。特别在具有成本优势的情况下,促进中国航天事业自“科研型”向“市场型”的转变。

  为什么要买中国卫星

  相较化学剂推进,电推进的最大优势是节省推进剂,从而增加有效载荷、降低发射重量、延长卫星工作寿命

  中国卫通集团“中星10号”工程总师、“实践13号”工程副总师闵长宁告诉《瞭望东方周刊》,一颗5.5吨的通信卫星,通常化学燃料占3.1吨,如果采用电推进发动机,三四百公斤足矣,“维持卫星正常运转一年需要化学燃料55公斤,氙离子只需要5公斤。”

  节约的重量和空间可以用来安装更多设备。通信卫星多安装转发器,可以显著增加经济效益;燃料系统如果可以维持更长的卫星在轨时间,又间接增加了卫星的经济效益。

  一般来说,离子发动机的燃烧效率比常规化学发动机大约高10倍。这在专业术语上,就是所谓高比冲。

  比冲是指火箭发动机单位重量推进剂产生的冲量,或单位重量、流量的推进剂产生的推力,又称比推力。对空间应用来讲,比冲是火箭发动机效率的最终体现。

  动力系统一直是制约中国卫星走进国际市场的短板。“我国以往出口通信卫星大都依赖于国家间的友好关系。”张天平对本刊记者说。

  现在国际卫星市场上份额最大的是美国,占有约50%,其次是俄罗斯。通信卫星在国际卫星市场中只占很少一部分,主体还是其他各类小卫星,“在通信卫星国际市场份额排名中,中国排第八位。”张天平说,美国的份额超过60%,欧洲也占有20%以上。

  中国的通信卫星少量出售给一些第三世界国家,如委内瑞拉、尼日利亚等国。“和美国、欧洲一些大的卫星运营公司相比,目前我国通信卫星的竞争优势不明显。”张天平说。

  选用中国卫星产品的国家,一方面出于友好关系,同时对通信卫星的容量要求不高,中国产品的通信能力能够满足需求。再者,中国采取微利模式,同性能产品具有价格优势。

  当前国际市场上的通信卫星主要采用氙离子电推进系统和霍尔电推进系统。张天平解释说,二者同属于静电加速类型,只是在工作原理上有些差别。“离子电推进系统的放电、加速等几个过程分别独立,霍尔电推进系统中这几个过程是耦合在一起的。”

  他认为,国际卫星市场上的竞争主要集中在有效载荷比与成本这两个方面。

  在使用常规化学燃料的当下,中国的通信卫星平台只能安装50多个转发器,是混合推进技术的三分之二左右。

  “‘东方红3B’卫星平台加载电推进系统后,已经比较接近国外电推进系统平台的性价比、载荷比。以后使用电推进技术的‘东方红5号’,性能要达到当前国际先进水平。”张天平说。

  闵长宁则解释,目前国际市场上受欢迎的还是混合电推进技术的卫星,“通信卫星空间转移轨道时用化学推进剂,进入静止轨道后改用电推进,这能节省几百公斤的重量。全电推进的市场还不好,全电推进卫星转移轨道需要半年时间,影响卫星的运营。”

  寿命更长的中国卫星  

  中国电推进技术研究在1967年始于中科院电工研究所。1978年,兰州空间技术物理研究所前身——航天五院510所制造的中国第一台新型离子电推进发动机试验机,获得国家科技进步一等奖。

  这一阶段,美国、俄罗斯已处于电推进样机研制和飞行试验阶段。

  不过,当时中国并没有注意到电推进技术的应用前景,此后电推进技术的研究进入萧条期。

  在2012年10月14日成功发射的“实践9号”上,中国用两种电推进技术进行了在轨飞行测试。

  作为中国卫星通信主要开拓者之一,总参通讯部原副部长、中国卫星应用大会主席杨千里对《瞭望东方周刊》说:“如果我们的卫星有了电推进技术,就相当于多了一重保险,并能节约一些燃料,别国就会愿意购买。”

  张天平说,虽然开始对电推进技术的重要性认识程度不足,但正是在中国空间技术研究院参加国际竞标的过程中,发现电推进技术是竞标的基础条件,由此引起了特别重视

  他说,“实践9号”对电推进技术进行了首次飞行测试,不过“应用时间比较短,它主要验证了电推进技术在空间与地面之间性能的差异,以及对空间环境的适应性、与卫星的兼容性等方面”。

  他解释说,“实践9号”属于搭载飞行,是新技术验证。当时共验证了20多项新技术,电推进技术只是其中之一,所以只能算是中国电推进技术的首次空间飞行试验。

  中国空间技术研究院通过自筹资金,于2010年确定在“东方红3B卫星平台”上进行电推进技术应用实施。

  所谓的“东方红3B”卫星平台,是基于这一平台系统,有一系列的卫星。

  “实际上,‘东方红3B’最早立项时没有电推进技术,是中国空间技术研究院后来自己加进来的。通过它的研制,在电推进技术应用方面取得很好的进展。”张天平解释,“东方红3B”采用200毫米的氙离子电推进系统——电推进发动机的喷射口径为200毫米,这是电推进发动机动力大小与性能的具体体现。

  截至目前,这一平台电推进技术地面试验已接近5000小时。

  闵长宁说,采取“东方红3B”平台的“实践13号”通信卫星已定于2017年第一季度发射。它将携带四台200毫米口径的氙离子电推进发动机,在轨寿命15年。为满足这个要求,携带的常规化学燃料减少了四五百公斤,有效载荷将增加40%。

  自2000年开始,世界领域内卫星电推进技术和应用已进入扩展阶段。现在在轨的混合电推进动力的通信卫星超过百颗,未来两年,全电推进动力的卫星也要相继升空,美国、欧洲即将进入全电推进时代。

  目前在研发的“东方红5号”对电推进发动机的要求是:工作总累计时间超过4.2万小时,开关机次数超过1.2万次。而美国的离子电推进系统地面试验寿命已超过5万小时。

  在中国未来的空间电推进技术应用中,近地小行星探测、远深空探测、载人深空探测、空间太阳能电站轨道维持等都将是它的用武之地。

转自《瞭望东方周刊》

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