在系統(tǒng)調(diào)研2000年以來國內(nèi)外空間電推進(jìn)技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)展的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了電推進(jìn)在GEO衛(wèi)星位置保持和軌道轉(zhuǎn)移、深空探測主推進(jìn)、科學(xué)觀測和試驗(yàn)等領(lǐng)域的空間應(yīng)用情況，分別給出了離子電推進(jìn)、霍爾電推進(jìn)和其他電推進(jìn)類型的新研產(chǎn)品及主要性能，對電推進(jìn)新技術(shù)發(fā)展情況進(jìn)行了概要性的介紹，最后對空間電推進(jìn)技術(shù)及應(yīng)用的新進(jìn)展給出了簡要總結(jié)和評述。

1、引言

　　自1902年俄羅斯的齊奧爾科夫斯基和1906年美國的哥達(dá)德博士分別提出電推進(jìn)概念以來，電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展已經(jīng)走過了一個(gè)多世紀(jì)的歷程，大致分四個(gè)階段:1902年～1964年為概念提出和原理探索階段，美國、英國、德國分別研制出離子電推進(jìn)樣機(jī)，俄羅斯研制了霍爾電推進(jìn)樣機(jī);1964年～1980年為地面和飛行試驗(yàn)階段，美國完成汞離子電推進(jìn)飛行試驗(yàn)，俄羅斯完成SPT霍爾電推進(jìn)飛行試驗(yàn);1980年～2000年為航天器開始應(yīng)用階段，俄羅斯的霍爾電推進(jìn)和美國的離子型電推進(jìn)相繼應(yīng)用，日本、德國等其它國家的電推進(jìn)也開始飛行試驗(yàn);2000年至今為電推進(jìn)技術(shù)和應(yīng)用快速發(fā)展階段。在系統(tǒng)調(diào)研2000年以來國內(nèi)外空間電推進(jìn)應(yīng)用和技術(shù)進(jìn)展的基礎(chǔ)上，從電推進(jìn)應(yīng)用、新產(chǎn)品研制、新技術(shù)研究等方面對電推進(jìn)技術(shù)新進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)介紹和簡要評述。

2、電推進(jìn)應(yīng)用情況介紹

2.1、GEO衛(wèi)星位置保持

　　美國波音公司在BSS-601HP平臺衛(wèi)星上繼續(xù)應(yīng)用XIPS-13離子電推進(jìn)系統(tǒng)完成南北位保任務(wù)，2000年以來成功發(fā)射了Galaxy4R、Galaxy10R、PAS9、DirecTV4S、Astra2C、PAS10、AsiaSat4、Galaxy13、Measat、SES-7等10顆衛(wèi)星，使得應(yīng)用XIPS-13離子電推進(jìn)系統(tǒng)的衛(wèi)星總數(shù)達(dá)到18顆。

　　波音公司繼續(xù)在BSS-702平臺衛(wèi)星上應(yīng)用XIPS-25完成全部位置保持任務(wù)，2000年以來成功發(fā)射了AnikF1、PAS1R、XM1、XM2、Galaxy3C、AnikF2、XM3、Spaceway1、Spaceway2、XM4、WGS1、Spaceway3、DIRECTV10、DIRECTV11、DIRECTV12、WGS2、WGS3、WGS4、WGS5等19顆衛(wèi)星，使得應(yīng)用XIPS-25離子電推進(jìn)系統(tǒng)的衛(wèi)星總數(shù)達(dá)到20顆。

　　美國空間系統(tǒng)牢拉公司在LS-1300平臺上應(yīng)用SPT-100霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)完成南北位保任務(wù)，自2004年首發(fā)以來成功發(fā)射了MBSat1、Telstar8、Thaicom4、NSS12、XM5、Telstar11N、SiriusFM5、QuetzSat1、SiriusFM6、SES5等10顆衛(wèi)星。

　　歐洲阿斯特里姆公司在EUROSTAR-3000平臺上應(yīng)用SPT-100和PPS-1350霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)完成南北位保任務(wù)，自2004年首發(fā)以來成功發(fā)射了Intelsat10-02、Inmarsat4-F1、Inmarsat4-F2、Inmarsat4-F3、Ka-Sat、YahSat1A、YahSat1B等7顆衛(wèi)星。

　　歐洲泰麗斯-阿萊尼亞公司在SPACEBUS-4000C平臺上應(yīng)用SPT-100霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)完成南北位保任務(wù)，自2005年首發(fā)以來成功發(fā)射了AMC12、AMC23、Giel2、EutelsatW2A、EutelsatW7、EutelsatW3B等6顆衛(wèi)星。

　　俄羅斯應(yīng)用力學(xué)聯(lián)合體繼續(xù)在MSS-2500等平臺應(yīng)用SPT-100系列霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)完成全部位保任務(wù)，自2000年以來成功發(fā)射了ExpressA2、SESAT、ExpressA3、ExpressA4(1R)、ExpressAM22、ExpressAM11、ExpressAM1、ExpressAM2、ExpressAM3、ExpressAM33、ExpressAM44等11顆衛(wèi)星。

　　俄羅斯能源設(shè)計(jì)局在YAMAL-100平臺衛(wèi)星上應(yīng)用SPT-70霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)完成全部位保任務(wù)，2003年成功發(fā)射了Yamal-201和Yamal-202等2顆衛(wèi)星。

　　美國洛馬公司在A2100M平臺上開始應(yīng)用BPT-4000霍爾電推進(jìn)完成南北位保任務(wù)，自2010年首發(fā)以來成功發(fā)射了AEHF-1、AEHF-2等2顆衛(wèi)星，后續(xù)計(jì)劃中還有2顆衛(wèi)星待發(fā)射，4顆衛(wèi)星在研制。

　　歐洲最新ALPHABUS平臺確定采用Snecma公司的PPS-1350霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)完成南北位保任務(wù)，已經(jīng)完成首發(fā)衛(wèi)星電推進(jìn)產(chǎn)品交付，計(jì)劃于2013年發(fā)射。2007年啟動(dòng)的歐洲小型GEO平臺將采用SPT-100和HEMP-3050組合的電推進(jìn)系統(tǒng)完置保持。中國DFH-3B試驗(yàn)衛(wèi)星將采用LIPS-200離子電推進(jìn)系統(tǒng)完成15年南北位置保持任務(wù)，計(jì)劃2015年發(fā)射。

2.2、深空探測主推進(jìn)

　　1998年10月美國發(fā)射的深空一號(DS-1)航天器應(yīng)用單臺NSTAR-30離子電推進(jìn)系統(tǒng)完成小行星探測的主推進(jìn)任務(wù)，在歷時(shí)3年多的飛行任務(wù)中離子電推進(jìn)系統(tǒng)累計(jì)工作16265h，開關(guān)機(jī)200多次，共消耗氙氣73.4kg，產(chǎn)生速度增量4.3km/s。

　　2003年5月日本發(fā)射的隼鳥號(Hayabusa)航天器應(yīng)用4臺μ-10微波離子電推進(jìn)系統(tǒng)完成S類近地小行星絲川(Itokawa)的采樣返回的主推進(jìn)任務(wù)，2010年6月返回艙成功降落到澳大利亞并回收。在整個(gè)飛行任務(wù)中離子電推進(jìn)系統(tǒng)累計(jì)工作39637h、消耗氙氣47kg、產(chǎn)生速度增量2.2km/s，單臺推力器最長工作時(shí)間達(dá)到14830h、1805次開關(guān)。

　　2003年9月歐洲發(fā)射智慧一號(SMART-1)航天器應(yīng)用單臺PPS-1350霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)完成月球探測主推進(jìn)任務(wù)，2005年完成了月球探測使命最終墜落月球表面。在整個(gè)飛行任務(wù)中電推進(jìn)累計(jì)工作近5000h，由于推進(jìn)系統(tǒng)的良好性能，使得航天器繞月球探測工作時(shí)間從原計(jì)劃的6個(gè)月延長到了1.5年。2007年9月美國發(fā)射的黎明號(Dawn)航天器應(yīng)用3臺NSTAR-30離子電推進(jìn)系統(tǒng)完成對主帶小行星中灶神星(Vesta)和谷神星(Ceres)科學(xué)探測的主推進(jìn)任務(wù)，航天器于2011年7月實(shí)現(xiàn)Vesta的軌道捕獲，2012年9月完成為期1年的Vesta科學(xué)探測任務(wù)并離開，電推進(jìn)累計(jì)工作25000h、消耗氙氣262kg、產(chǎn)生速度增量7km/s。目前航天器正在奔向Ceres的征途中，計(jì)劃2015年到達(dá)。

　　日本計(jì)劃于2014年發(fā)射的隼鳥二號(Hayabusa-2)航天器將繼續(xù)采用4臺μ-10微波離子電推進(jìn)系統(tǒng)完成1999JU3小行星采樣返回的主推進(jìn)任務(wù)，航天器計(jì)劃2017年到達(dá)1999JU3并采樣，2020年返回地球。ESA和JAXA聯(lián)合研制的水星探測貝布克倫布(Bepicolombo)航天器將應(yīng)用4臺T6離子電推進(jìn)系統(tǒng)把磁圈軌道器和星體軌道器送入水星軌道，航天器計(jì)劃2015年發(fā)射，2021年到達(dá)水星。電推進(jìn)系統(tǒng)在整個(gè)任務(wù)中提供不少于5km/s的速度增量，推力器累計(jì)工作20000h以上。

　　加利福尼亞理工學(xué)院分析驗(yàn)證了用40kW電推進(jìn)完成近地小行星捕獲并轉(zhuǎn)移到繞月軌道的可行性，計(jì)劃于2020年中期實(shí)施。ESA正在論證采用太陽能電推進(jìn)和同位素核能電推進(jìn)組合完成距離太陽200AU進(jìn)行太陽和星際探測的可行性。NASA正在開始進(jìn)行針對載人深空探測太陽電推進(jìn)系統(tǒng)的飛行驗(yàn)證計(jì)劃，電推進(jìn)總功率30kW，用1年時(shí)間完成從400kmLEO到地月L2的軌道轉(zhuǎn)移，計(jì)劃2018年飛行。中國正在論證應(yīng)用LIPS-200+離子電推進(jìn)系統(tǒng)完成近地小行星探測的技術(shù)方案。

5、總結(jié)和評述

5.1、電推進(jìn)應(yīng)用

　　(1)目前已經(jīng)應(yīng)用的電推進(jìn)類型包括肼電熱、肼電弧、氙離子、氙霍爾、PPT等，列入應(yīng)用計(jì)劃的還包括場發(fā)射、膠體等，其中直流放電型離子和SPT霍爾是目前應(yīng)用最多的主流產(chǎn)品，已經(jīng)出現(xiàn)肼電熱推力器被淘汰，肼電弧推力器被更高性能的離子推力器和霍爾推力器逐漸取代的發(fā)展趨勢。

　　(2)已經(jīng)應(yīng)用電推進(jìn)的國家包括美國、俄羅斯、歐洲、日本、印度等，中國、韓國、以色列等國家正在制定或?qū)嵤╇娡七M(jìn)應(yīng)用計(jì)劃。

　　(3)電推進(jìn)的主用應(yīng)用包括GEO位置保持、深空探測主推進(jìn)、無拖曳控制、姿態(tài)控制、軌道轉(zhuǎn)移等方面，其中GEO軌道位置保持為主導(dǎo)性應(yīng)用，深空探測主推進(jìn)為快速擴(kuò)展性應(yīng)用。

　　(4)應(yīng)用電推進(jìn)的航天器數(shù)量在快速增長，當(dāng)前在軌運(yùn)行的應(yīng)用電推進(jìn)的航天器大約100個(gè)，離子電推進(jìn)累計(jì)工作時(shí)間接近200000h，霍爾電推進(jìn)累計(jì)工作時(shí)間接近100000h。

5.2、新產(chǎn)品研制

　　(1)型譜化電推進(jìn)產(chǎn)品正在形成。一些主要的型譜產(chǎn)品包括美國L3公司的XIPS離子系列、Busek公司的BHT霍爾系列、AMPAC-ISP公司的T霍爾系列、日本的μ微波系列、英國T離子系列、德國RIT射頻系列、俄羅斯的SPT霍爾系列、中國的LIPS離子系列和LHT霍爾系列等;

　　(2)為滿足軌道轉(zhuǎn)移和深空探測等未來應(yīng)用需求，電推進(jìn)產(chǎn)品正在向高功率方向發(fā)展。除傳統(tǒng)的數(shù)百千瓦高功率MPD電推進(jìn)外，美國HiPEP離子推力器功率為34kW、德國RIT-45射頻推力器預(yù)期功率35kW、GRCNASA-457霍爾推力器功率73kW、美國火箭公司的VASIMR類型電推進(jìn)VX-200功率達(dá)到200kW。

　　(3)在微小功率電推進(jìn)方面，除了FEEP、PPT等傳統(tǒng)推力器外，基于最成熟離子和霍爾類型技術(shù)的小功率產(chǎn)品研制取得重要進(jìn)展，如德國RIT-2.5、Busek公司BFRIT-1、日本μ-1等的功率只有數(shù)十瓦，完全有可能取代FEEP實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。

　　(4)離子和霍爾推力器長壽命驗(yàn)證取得新突破。XIPS-13和NSTAR-30壽命驗(yàn)證達(dá)到30000h，NEXT推力器的壽命驗(yàn)證已經(jīng)超過48000h(還在繼續(xù))，PPS-1350G推力器的壽命驗(yàn)證達(dá)到10000h，BPT-4000的壽命驗(yàn)證預(yù)計(jì)超過20000h，LEEP-150完成了3000h試驗(yàn)。

5.3、新技術(shù)發(fā)展

　　(1)電推進(jìn)新技術(shù)不斷擴(kuò)展，包括離子和霍爾變異類型及混合類型、非傳統(tǒng)類電推進(jìn)新類型、不同推進(jìn)劑類型等。

　　(2)磁屏效應(yīng)為霍爾推力器的長壽命問題解決帶來希望。在BPT-4000推力器10400h壽命試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)推力器陶瓷腔在5600～10400h之間幾乎為零腐蝕。為了從根源上搞清楚，JPL支持下發(fā)展了Hall2De程序模擬推力器工作過程，并由此發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致腐蝕降低的磁屏效應(yīng)。

　　(3)環(huán)型離子推力器和DS4G多級離子推力器成為離子推力器實(shí)現(xiàn)高功率的主要技術(shù)途徑，多通道霍爾推力器成為霍爾推力器實(shí)現(xiàn)高功率的主要技術(shù)途徑。

　　(4)非傳統(tǒng)類型VASIMR正在成為未來大功率電推進(jìn)的主要候選者。它具有比沖調(diào)節(jié)、無電極設(shè)計(jì)、多種推進(jìn)劑選擇、中性等離子輸出、相對高效率、輻射屏蔽等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有系統(tǒng)復(fù)雜尺寸大和磁場強(qiáng)電磁干擾大的明顯缺點(diǎn)。