太阳能电推技术：目标直指载人深空任务

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▲劳拉公司的第三代（300kw级）太阳能电推方案，用于大型的载人深空探索任务

化学火箭是人类进入太空的唯一途径，但在太空中可就不一样了，虽然火箭发动机仍然是卫星和飞船主要的动力系统，但空间太阳能电推自几十年前蹒跚学步开始，现在已经得到了越来越广泛的应用。太阳能电推技术蓬勃发展，空间系统公司（SSL）将其大致划分为三代，它在商业通信卫星、深空探测器乃至空间站上都将大显身手。

电推的由来和优势

电推技术并不是一个新概念，1906年美国航天先驱戈达德就提出了电推发动机的想法，那时他还只是一个24岁的青年，而他亲手制作的人类历史上第一枚液体火箭，还要再过20年才会发射。尽管如此，电推发动机从概念变为现实，已经是1960年的事情，NASA刘易斯研究中心制造了第一台实用电推发动机，1964年两台静电式电推发动机发射升空，进行了第一次太空工作试验。美国的静电式离子推进器比冲高，早期就能做到3000秒，但结构复杂、可靠性差，而且需要高压供电，这都制约了它的实用化。霍尔效应电推发动机结构简单运行可靠，更早的走向实用化，但实用的霍尔电推发动机比冲较低，比如俄国的SPT-100霍尔电推发动机比冲只有1500秒左右。

太阳能电推技术有很多劣势，它需要大面积高效率的太阳翼发电，需要高压配电系统，需要使用高价的稀有气体如氙作为工质，电推发动机的带电粒子喷流不仅会造成通讯电波的衰减，羽流污染也是卫星设计需要考虑的问题。总而言之，电推发动机用起来相当麻烦。话虽如此，太阳能电推技术还是得到了越来越多的青睐，尽管它缺点不少，但它的比冲优势实在太大了！

以我国的嫦娥一号月球探测器为例，它的发射质量为2350千克，但其中燃料就有1200千克，而有效载荷仅有8种24件，总计130千克。“嫦娥一号”使用东方红三号卫星平台，而使用这个平台的通信卫星载荷重量也仅有约220千克。全化学推进的卫星平台，一般地说燃料质量占比为55%，平台质量36%，而载荷质量为9%左右。“嫦娥一号”使用普通化学火箭发动机，比冲仅有约300秒，而电推发动机的比冲提高了一个数量级，比如我国实践九号A卫星就携带了一台比冲3000秒的LIPS-200电推发动机，还有一台比冲1500秒的HET-40霍尔电推发动机。

当然，电推发动机不仅有高比冲的优势，也有小推力的劣势，比如LIPS-200离子电推发动机的推力只有40毫牛，对比传统的490牛化学火箭发动机，推力仅为后者的不到万分之一！通信卫星也好，飞船探测器也罢，变轨飞行时仍会受到引力影响，变轨的一部分能量要用于克服引力，变轨时间越长能量损失越大，同样从转移轨道到地球同步轨道，使用化学火箭发动机需要约1800米/秒的速度增量，而用电推发动机需要的速度增量大致翻倍。对此工程师们想到一个好办法：既然小推力的电推发动机用于变轨燃料损失太大，变轨时间又太长，那用于通信卫星南北位置保持，不就扬长避短了么？这就是第一代电/化学混合推进卫星概念，劳拉公司使用SPT-100电推进技术制造了数十颗第一代混电卫星。

不过话说回来，即使电推发动机有这样那样的问题，但它的比冲优势太大，仍将卫星有效载荷提高到空前的水平！以使用俄国1.5千瓦的SPT-100霍尔电推发动机为例，混电通信卫星的化学推进剂质量比降低为45%，电推发动机工质和发动机占比4%，而载荷质量比提高到16%！考虑到通信卫星的单位质量发射成本1千克就上万美元，有效载荷比例提高这么多，这对商业公司都是流水般的钱。正因为如此，现在商业通信卫星不使用电推系统，都不好意思标榜自己的先进性了。

▲ 嫦娥一号月球探测器

二代电推系统的应用

商业通信卫星市场的领头羊劳拉公司不仅使用俄罗斯法克尔设计局的霍尔电推制造了第一代混电通信卫星，它还继续引进俄罗斯更先进的霍尔电推技术，研制了使用第二代电推发动机的新一代混电卫星，卫星性能上又有很大的提高。

上文提到，电推发动机推力小会带来能量损失，通俗的说就是克服引力做功消耗了更多燃料，那么加大推力不就可以降低损耗吗？劳拉公司的第一代混电卫星使用10千瓦/100伏特的太阳翼，配电系统可为电推系统提供1.5千瓦/300伏特的电力供应，而SPT-100电推发动机只能达到83毫牛的平均推力和1500秒的平均比冲。现在劳拉公司使用推力更大的SPT-140电推发动机，同时又改进了太阳翼和配电系统，第二代太阳能电推系统的性能可谓今非昔比。

劳拉公司的第二代太阳能电推系统包括25千瓦/100伏特的太阳翼，功率4.5千瓦/电压300伏特的大功率高压配电系统，电推也升级为SPT-140发动机，这台发动机虽然平均工作比冲约为1800秒，但推力可达0.25牛/250毫牛，推力提高3倍的同时，氙工质携带量也从170千克增加到500千克甚至600千克。第二代混电卫星的电推除了用于卫星南北位置保持，还可承担部分或主要的轨道提升（EoR）工作，得益于SPT-140电推更大的功率和推力，第二代混电卫星中只有29%的重量是化学推进剂，另有6%用于太阳能电推系统，而载荷质量比达到了30%。相比传统的全化学推进通信卫星，第二代混电卫星的载荷质量比提高了3倍还多！

霍尔电推并不是只能在一个推力下工作，通过调节输入功率它的推力调节范围也不小。SPT-140霍尔电推在0.3到4.5千瓦功率下，推力范围为15到270毫牛，这带来了更灵活的使用方式，它不仅能用于通信卫星的升轨操作和南北位置保持，也在深空探测器上得到了应用。美国未来的灵神星号探测器将探索位于小行星带的16号小行星灵神星，它使用劳拉公司的SSL1300卫星平台，推进系统就是SPT-140大功率霍尔电推发动机。

▲深空门户站预定2022年发射第一个能源推进模块（PPE）

▲美国未来的灵神星号小行星探测器，推进系统使用了SPT-140大功率霍尔电推发动机

深空任务的第三代电推系统

美国的劳拉公司使用俄罗斯的SPT系列霍尔电推，电推系统的核心技术受制于人，这有苏联在霍尔电推上率先突破和实用化的因素。当然美国并不怕俄罗斯人卡脖子，美国的霍尔电推已经迎头赶上，劳拉公司应用美国技术正在研制和推销第三代太阳能电推系统。

美国Busek公司专注卫星推进领域，研制了一系列霍尔电推发动机。2006年12月16日，使用BHT-200电推的战术星2号小卫星发射升空，这也是美国第一台在轨试验的霍尔电推发动机。BHT-200作为试验型霍尔电推性能指标很低，电推全系统净重约8.5千克，功率约200瓦，只有约1400秒的比冲和13.5毫牛的推力，但Busek公司后续研制的BHT-4000霍尔电推发动机可就强多了，它的功率达到了4千瓦，推力可达270毫牛，该公司还完成了BHT-8000霍尔电推的研制。Busek公司授权Aerojet公司生产BHT-4000霍尔电推，用于先进极高频（AEHF）卫星，无巧不成书，第一颗AEHF卫星的远地点发动机就出了故障，但使用BHT-4000电推顺利完成了升轨。

美国宇航局刘易斯研究中心早已改名为格伦研究中心，它也在继续从事电推的研制工作，并研制了一系列高比冲长寿命的霍尔电推：50千瓦级别的NASA-457M V1原理样机。这台50千瓦功率的霍尔电推使用100安培的电流，试验演示中达到了63%的效率，推力可达2.3牛同时比冲超过了2500秒。改进的NASA-457M V2原理样机使用氪作为工质时，曾达到64千瓦的功率，在1100伏特电压下获得了4700秒的高比冲！Busek公司也在研制新一代大推力霍尔电推，更强大的BHT-20K和BHT-50K等大功率霍尔电推发动机正在研制中，其中BHT-20K电推20千瓦功率下推力可达1牛，比冲约为2700秒，BHT-50K电推功率进一步提高到50千瓦。

电推发动机的功率大幅度提高，配电和发电能力也得跟上。美国已经在轨试验了革命性的ROSA柔性太阳能阵列，大大降低了太阳翼的体积和重量，提高了航天器的发电能力。劳拉公司正在研制的第三代太阳能电推系统，就使用了ROSA柔性太阳翼发电，实现300伏特/75千瓦的发电能力，同时配电系统的供电能力也提高到15千瓦/600伏特，发动机使用Busek公司的新一代大功率霍尔电推，单台推力可达0.8牛比冲约为3000秒。劳拉公司提出了基于商业电推的深空探索电推构想，使用SSL1300平台外加单侧25千瓦ROSA太阳翼，整个平台的电推功率可达到50千瓦；大型的MegaRosa太阳翼更可以达到75千瓦的单侧功率，让总功率提高到150千瓦；劳拉公司更进一步提出了300千瓦的太阳能电推系统计划，用于行星际的货物运输任务。

劳拉公司的50千瓦太阳能电推系统携带10吨氙工质，150千瓦系统携带16吨氙工质，还有更大的300千瓦功率的行星际运输航天器。劳拉公司的野心并非空穴来风，美国宇航局的小行星重定向任务（ARM）任务已经取消，但它在月球轨道深空门户站（LOP-G）上借尸还魂。深空门户站预定2022年发射第一个能源推进模块（PPE），它几乎就是ARM的衍生版，核心就是大功率太阳能电推方案。美国宇航局去年发布了PPE模块的信息征询书，今年将竞标确定它的基本设计，尽快完成研制工作。

劳拉公司雄心勃勃地提出第三代太阳能电推系统，突出大功率的特色，目标就是竞争PPE模块的合同。深空门户站可不只有PPE模块，第二阶段的深空运输器（DST）将用于载人火星探索，劳拉公司的300千瓦太阳能电推方案，瞄准的也正是这块大蛋糕。美国宇航局只为PPE模块分配了5.42亿美元的研制预算，PPE的研制不可能片面追求高端先进，那么劳拉公司从商业通信卫星的太阳能电推系统出发，平滑过渡到PPE乃至DST的第三代太阳能电推路线图，无疑具有不小的竞争优势。

▲ NASA的小行星重定向（ARM）任务

▲ SPT-140霍尔电推发动机

▲ 深空运输器（DST）

▲ 深空门户站