中国航天已用上离子电推进即将用于小行星探测

40年磨一“箭”打破美俄技术垄断

兰州科研人员研制出国际领先航天器离子电推进系统

日前我国发射的实践9号携带的卫星上第一次使用了离子电推力技术，从此为我国的航天技术开启了一扇新的大门。此前该种技术一直被美俄等航天强国所垄断。而打破美俄技术垄断，研制出这种国际领先推力系统的正是兰州空间物理研究所（510）所的科研团队。12月26日，记者采访了该所的科研团队，了解了这种国际领先技术的诞生过程。

40年坚守电火箭技术达到国际先进水平

在不久前，实践9号A星携带的510所自主研制的离子电推进系统首次点火成功，稳定工作3分钟，随后又进行了第二次点火，稳定工作了近4分钟，实践九号A星离子电推进系统飞行试验取得了开门红。整个离子电推分系统包括1个推进剂贮存模块、1个调压模块、4个流量控制模块、4台离子电推进器以及其他附属设备，系统干重约140千克。单台离子电推进器额定推力40豪牛，比冲3000秒左右，工作寿命在10000至15000小时之间，达到了国际先进水平。这也是国内第一次在卫星上使用离子电推进系统。

可是有谁知道这次的成功让510所的科研人员整整花费了40年的时间。510所所长张伟文告诉记者：“这两次点火虽然只用了7分钟的时间，可是为了这7分钟的成功，我们却花了40年来研究。这次电火箭在实践9号上的20次点火把卫星的轨道提高了324米，让中国拥有了以往只有美国和俄罗斯等航天强国才有的技术。”据了解，510所是国内最早开展电推进技术研究的单位，早在1974年就开始研制离子电推力系统，到了1986年研制了80毫米汞离子电推进，该成果于1987年获得了国家科技进步一等奖，在当时达到了国际领先水平，产品水平不弱于从上世纪50年代就开始从事此方面研究的美国。可这反而成了离子电推进系统由胜转衰的时候。由于当时科学技术的制约，以及美国也没有开始应用，国家相关部门决定不再从事离子电推进系统的研究。而这一放就是十年。但是510所看好这项技术在未来的发展前途，并没有解散这支科研队伍，通过自筹资金一直维持着这支科研队伍。并于1988年至1993年期间研制成功了90毫米氙离子电推进系统。

张伟文说，直到1997年，美国的SPI卫星上首次应用了离子电推进系统，在世界航天界引起轰动。1999年国家相关部门开始对离子电推进器进行二次研究。这时的510所立刻投入到了研究之中，在1999年至2004年研制了200毫米离子电推进系统原理样机，主要性能达到国外同类产品水平。2004年至2007年完成了200毫米离子电推进系统工程样机研制，通过了环境条件鉴定试验。2007年至2012年为实践九号卫星研制了200毫米离子电推进子系统，该卫星已经于今年10月发射并实现首次空间飞行试验（美国做到这一点用了8年时间，而510所只花了5年），510所研制的离子电推力火箭作为这次空间试验的3个最主要的测试系统之一。此次离子电推力系统的成功应用，对我国的航天事业来说是里程碑式的。

据了解，目前国内开展离子电推进技术研究的单位包括510所、801所、502所、哈尔滨工业大学、西北工业大学、北京航空航天大学、国防科大、上海交大等，其中，只有510所和801所属于工程产品研制单位，其它只进行相关技术研究，而能做出离子电推力系统的只有510所，并且突破了诸多电推进技术，其中不少技术一直被美国长期垄断。

用电取代化学燃料实现经济利益的翻番

什么是离子电推进系统？它与以往的用化学燃料的推进器有什么差别呢？510所特种推进室主任张天平研究员告诉记者，所谓的离子电推进系统就是通常所说的电火箭，属于非常规推进系统。是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，每秒可达几十公里、几百公里，甚至更高。最早的离子引擎于1960年左右由NASA的研究中心制成，但之后一直处于试验阶段。直到1998年，探测彗星的深空1号才首次将离子引擎作为主力推进系统应用在深空飞行中。

传统的火箭是通过尾部喷出高速的气体实现向前推进的。离子推进器也是采用同样的喷气式原理，但是它并不是采用燃料燃烧而排出炽热的气体，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。只要离子推进器能够长期保持性能稳定，它最终将能够把太空飞船加速到更高的速度。

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，相关技术才应用到一些太空飞船上，比如日本的“隼鸟”太空探测器和欧洲的“智能1号”太空船等，而且技术已经取得了很大的进步和经济效益。

510所副所长王润福说，电火箭除了定位精准之外，而且可以大大减少卫星和探测器上的化学燃料的携带量，节省下来大量空间携带更多的仪器，为国家带来更大的经济利益。“我给你举个例子，比如东方红4号卫星平台上有两个1400升的化学储剂箱，这里面的燃料主要是卫星用来变轨的。而用了离子电推进之后可以节省燃料80%以上，同时，卫星的自身重量也大大降低，现在一颗通讯卫星大概重量是4.8吨，用了这种技术自身重量就减为了1.8吨。那么空出来的空间就可以把它利用起来，比如现在星上只有56台转发器，节省下来的空间我们就可以把它增加到100台，一个转发器产生的价值大约是100万美元。也就是说以后一颗用离子电推进系统的卫星，上面的科学仪器是现在的两倍。”

未来深空探测离子电推进系统是必选项

也许有人会问，我国多少年来火箭和卫星一直动用化学燃料推进，改成离子电推进有必要吗？记者也带着这个疑问咨询了离子电推力器系统的副指挥于安民，他告诉记者，这不但完全有必要，而且我国的航天器要想在未来的太空有一席之地，在卫星上运用离子电推力器是势在必行的。

进入21世纪后，考察一个国家的航天航空能力不仅仅是能否探月、是否有空间站，而是能否开展对火星以远深空探测应用。王润福告诉记者，要想搞好深空探测，离子电推进系统是必选项。我国深空探测长远发展规划中包括了采样返回、木星探测和库伯带小行星探测任务。在现有运载条件下依靠化学能火箭，完成这些深空探测任务几乎是不可能的。首先，深空探测距离很长，因此如果用化学染料，火箭和卫星上大部份的位置将会被燃料所占据，那么相应的科学探测仪器将会减少很多，而且化学燃料成本也非常高。而在使用离子电推进系统之后，因为它的比冲是化学燃料的10倍，且需要的工作介质少，因此它能在太空无重力状态下连续工作几年时间。NASA计算过运用离子电推力的探测器到达土星的飞行时间只需要3年，而传统航天器则要花费7年的时间。少带了燃料就可以多带科学仪器，从而避免了后期再运送仪器或燃料等产生的花费。同时，用化学染料推进的航天器需要选择合适的发射窗口，而离子电推进则不需要。此外，张伟文向记者透露，510所的LIPS-200+离子电推进系统不久将应用于我国首次小行星探测航天器，完成主推进任务，我国未来的东方红3B、4号、5号、7号等通讯卫星上都将使用该推进器，2020年将要应用的空间站上也将使用4台离子电推力系统，这也是我国空间站与美俄空间站相比的创新之处。