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幻實說

電推進系統(tǒng)是一種不依賴化學燃燒就能產生推力的航天設備，在衛(wèi)星、飛船、星際探測器等航天器的姿態(tài)、軌道控制等方面，電推力器有著得天獨厚的優(yōu)勢。

那么，電推進系統(tǒng)的基本原理是什么，目前中國的電推進技術發(fā)展處于怎樣的階段？相比于傳統(tǒng)的化學推進，電推進有何長處？稀有氣體與半導體器件在整個電推進系統(tǒng)中分別扮演著怎樣的角色？

本期我們邀請到上海空間推進研究所電推進事業(yè)部副部長杭觀榮先生，聽他講述國產電推進系統(tǒng)的發(fā)展歷程。

以下內容由對話音頻整理

本期話題

● 我國電推進系統(tǒng)的發(fā)展歷程 ● 電推進系統(tǒng)的技術難點有哪些？ ● 電推進用氣體產品與傳統(tǒng)工業(yè)氣體有何不同？ ● 品質要求十分苛刻，核心器件還需精益求精

我國電推進系統(tǒng)的發(fā)展歷程

幻實（主播） 本期節(jié)目非常榮幸邀請到上海空間推進研究所研究員，博士，碩士生導師杭觀榮先生。杭老師目前是上?？臻g推進研究所電推進事業(yè)部的副部長。先請杭老師給大家介紹一下他的主要研究方向。

杭觀榮（嘉賓） 大家好，我的主要研究方向是空間電推進系統(tǒng)。眾所周知，目前火箭發(fā)射大多需要采用的是化學推進技術，但化學推進的推進劑利用效率較低，對需要在空間中長期運行的衛(wèi)星而言十分不利，電推進器的研發(fā)就是基于這個問題展開的。衛(wèi)星采用電推進之后，它的在軌壽命以及載荷的承載能力都能夠大幅增加。

電推進系統(tǒng)一般分為三個部分：電源處理單元、推進劑工質貯存與供應單元、推力器。它的原理是利用太陽能轉化為電能，然后將電能轉化為動能，這樣推進劑的利用效率便得到大幅提升。例如，重量達5噸的GEO衛(wèi)星（地球靜止軌道衛(wèi)星），如果采用化學推進，燃料占比將非常大，若是采用電推進技術，在功能不變的情況下，衛(wèi)星的質量將降低一半。

但是，電推進技術比化學推進更加復雜，因為將航天器的電轉變成推力器和其他設備工作所需的電要借助更多的電子設備，這其中也涉及到電力的變化。

幻實（主播） 這里是否也涉及到一些芯片的應用？

杭觀榮（嘉賓） 是的。電推進器的控制也很復雜，很多控制器件都和芯片產業(yè)相關。 幻實（主播） 我看到關于您的介紹上寫到您參與了國內首次霍爾電推進系統(tǒng)空間飛行試驗，您也因此獲得了國防科學技術進步的二等獎。不妨跟大家解釋一下我們國家電推進的發(fā)展歷程，和國外相比，我國的電推進技術又存在哪些差距？ 杭觀榮（嘉賓） 其實在錢學森先生回國之后，我國的電推進技術就已經展開，但那時候相關的研究投入很少，一方面，我國航天器的電能很小，不足以支持電推進器運行；另一方面，國家的航天任務比較少。

典型的電推進航天器推進劑氙氣加載量 （圖源：北京空間信息科技研究所）

到上世紀80年代，我國研制出了國內首臺汞離子推力器；2000年之后，國家開始大力開展電推進方面的研究；2012年國內首個搭載霍爾和離子電推進的衛(wèi)星成功發(fā)射并進行了在軌實驗，這也預示著中國的整套電推進的技術體系、材料體系和研發(fā)能力都達到可用階段；

現(xiàn)在越來越多的研究單位、航天高校都在進行電推進相關的研究。目前我們的研究方向主要集中于應用端，聚焦點在1000瓦到5000瓦的電推力器上。

電推進系統(tǒng)的技術難點有哪些？

幻實（主播）

您覺得電推進技術在發(fā)展的過程中，我們會在哪些方面遇到難點？電推進技術是否需要其它領域的支撐？

杭觀榮（嘉賓）

難點有很多，比如電推力器本身如何實現(xiàn)點火，如何實現(xiàn)高效率和長壽命等；

電推進器的正常工作離不開其特殊的推進劑，例如高純度的氙氣等；

一般電推進器是高功率設備，相較于之前的衛(wèi)星而言，需要更高的電壓，這就對電能的高效率利用及高電壓的變化技術提出了很高的要求；

推進劑一般儲存于高壓的氣瓶中，如果想要穩(wěn)定供應給電推力器，中間就涉及到減壓和微流量的控制，因為電推力器的流速約為幾毫克到幾微克每秒。

霍爾電推進系統(tǒng)原理圖

（圖源：新浪科技）

幻實（主播）

在研究過程中，半導體產業(yè)是否會制約電推進技術的向前發(fā)展？

杭觀榮（嘉賓）

目前會受到一定程度的制約。比如霍爾離子推力器需要用高電壓加速離子才能實現(xiàn)較高的比重，雖然高電壓環(huán)境在地面上比較容易實現(xiàn)，但想在空間中實現(xiàn)卻并不容易，這里涉及到一些電力電子的抗輻照器件和高效率的磁芯等。

電推進用氣體產品與傳統(tǒng)工業(yè)氣體有何不同？

幻實（主播）

您剛剛提到了氙氣可作為推進劑用于電推進系統(tǒng)中，這和一般的工業(yè)用氙氣是否會有不同？

杭觀榮（嘉賓）

氙氣的臨界壓力為5.83MPa，這使得氙在推進劑的容器中能夠以液態(tài)形式被儲存，這和使用氪氣或氬氣這樣的永久性氣體相比，推進劑氣瓶可以做的更輕更薄，節(jié)省航天器的發(fā)射重量。

其實我國很早就擁有了氙氣的制備能力，但電推力器中負責點火和羽流中和的空心陰極里有一種功能材料叫發(fā)射體，它對氣體的純度要求非常高，所以工業(yè)用氙氣難以用于電推進器中，需要經過進一步的提純才能被使用。我國相關氙氣的制備工藝經歷好幾年的攻關已經達到可用水平，目前空間中一些電推進航天器也都使用了國產氙氣。

幻實（主播）

電推進系統(tǒng)對半導體器件、工業(yè)氣體等產品的需求量有多大？會不會帶動這些領域的發(fā)展？

杭觀榮（嘉賓）

目前我國對電推力器的使用剛剛起步，對各領域產品的需求相對而言不是很多，但現(xiàn)在正是我國對電推進系統(tǒng)研究的高速發(fā)展階段。即使我們沒有將航天器發(fā)射到太空，我們依然需要工業(yè)氣體的支持，在電推進系統(tǒng)研發(fā)過程中或是對航天器進行壽命考核時，都需要用到這些氣體。

電推力器的工作壽命一般能達到幾千到上萬小時，工程師會按照航天任務的需求在地面上進行1:1或者1:1.5的長壽命實驗。例如需要研制出一臺壽命達到1萬小時的電推力器，在地面上至少要考核1萬小時，不僅如此，為了測試其可靠性，可能需要多臺推力器多次實驗，這些過程對氙氣或其他推進劑的需求量十分大。

質量》50KG的地球同步軌道和低地軌道衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量

（圖源：北京空間信息科技研究所）

另外，在發(fā)射過程中，航天器也會裝載推進劑，由于氣體充裝存在一定損失，所以通常一顆用作位置保持的GEO衛(wèi)星需要搭載100~200公斤推進劑。

美國SpaceX公司的星鏈計劃家喻戶曉，他們采用了氪霍爾推力器來替代氙霍爾電推力器，每一顆衛(wèi)星大約搭載10~20公斤的氪氣，雖然每顆衛(wèi)星裝載的推進劑不多，但是星鏈計劃四萬顆衛(wèi)星累計所需的推進劑總量還是十分驚人的。

品質要求十分苛刻，核心器件還需精益求精

幻實（主播）

中國航天會不會有類似“星鏈計劃”的布局？

杭觀榮（嘉賓）

我國也會有相應的布局。之前國內很多產品都是“有而不精”，像電推進系統(tǒng)就對稀有氣體的的純度和產量提出了很高的要求，只有精益求精的產品才能縮短與國外的差距。

幻實（主播）

對半導體器件的產品質量要求是否也會很苛刻？

杭觀榮（嘉賓）

是的，電推力器對于半導體器件的需求量雖然不大，但是品質要求十分苛刻。因為太空環(huán)境與地面上的應用工況大不相同，太空輻照、高低溫等都會影響器件運行。不僅如此，一般電推進系統(tǒng)需要工作15~20年，對半導體器件的可靠性、抗干擾能力，高低溫環(huán)境下的工作能力等都算得上是極大的考驗。

電推力器在某衛(wèi)星上的安裝位置示意圖，紅色處為電推力器

（圖源：氣體圈子官網）

幻實（主播）

如果您那邊需要國產化的半導體器件，我們也十分愿意把國內好的產品推送過去，為中國的航天發(fā)展盡自己的一份力。

杭觀榮（嘉賓）

我們當前的目標就是提高設備的國產化率，努力實現(xiàn)各核心設備的完全國產化，當然國外的器件廠商如果能夠提供優(yōu)質的產品，我們也十分歡迎。

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我國電推進系統(tǒng)在航天領域的應用仍取決于自身核心器件的技術發(fā)展，核心設備的國產化率越高，電推進技術發(fā)展的空間越大。

另外，航天器對器件、設備等的需求十分苛刻，電推進系統(tǒng)的向前發(fā)展也在帶動其他產業(yè)產品的精進。航天器搭載的電推進系統(tǒng)拉動稀有氣體、半導體等領域的需求量增長是逐漸的、長期的，電推進技術越成熟，其應用領域就越廣泛，對稀有氣體、半導體等領域的高精尖產品需求也就越大，這種互生共贏的良性循環(huán)是其他許多產業(yè)值得參考的案例。

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