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▲勞拉公司的第三代（300kw級）太陽能電推方案，用于大型的載人深空探索任務

化學火箭是人類進入太空的唯一途徑，但在太空中可就不一樣了，雖然火箭發(fā)動機仍然是衛(wèi)星和飛船主要的動力系統(tǒng)，但空間太陽能電推自幾十年前蹣跚學步開始，現(xiàn)在已經(jīng)得到了越來越廣泛的應用。太陽能電推技術(shù)蓬勃發(fā)展，空間系統(tǒng)公司（SSL）將其大致劃分為三代，它在商業(yè)通信衛(wèi)星、深空探測器乃至空間站上都將大顯身手。

電推的由來和優(yōu)勢

電推技術(shù)并不是一個新概念，1906年美國航天先驅(qū)戈達德就提出了電推發(fā)動機的想法，那時他還只是一個24歲的青年，而他親手制作的人類歷史上第一枚液體火箭，還要再過20年才會發(fā)射。盡管如此，電推發(fā)動機從概念變?yōu)楝F(xiàn)實，已經(jīng)是1960年的事情，NASA劉易斯研究中心制造了第一臺實用電推發(fā)動機，1964年兩臺靜電式電推發(fā)動機發(fā)射升空，進行了第一次太空工作試驗。美國的靜電式離子推進器比沖高，早期就能做到3000秒，但結(jié)構(gòu)復雜、可靠性差，而且需要高壓供電，這都制約了它的實用化?；魻栃娡瓢l(fā)動機結(jié)構(gòu)簡單運行可靠，更早的走向?qū)嵱没珜嵱玫幕魻栯娡瓢l(fā)動機比沖較低，比如俄國的SPT-100霍爾電推發(fā)動機比沖只有1500秒左右。

太陽能電推技術(shù)有很多劣勢，它需要大面積高效率的太陽翼發(fā)電，需要高壓配電系統(tǒng)，需要使用高價的稀有氣體如氙作為工質(zhì)，電推發(fā)動機的帶電粒子噴流不僅會造成通訊電波的衰減，羽流污染也是衛(wèi)星設(shè)計需要考慮的問題。總而言之，電推發(fā)動機用起來相當麻煩。話雖如此，太陽能電推技術(shù)還是得到了越來越多的青睞，盡管它缺點不少，但它的比沖優(yōu)勢實在太大了！

以我國的嫦娥一號月球探測器為例，它的發(fā)射質(zhì)量為2350千克，但其中燃料就有1200千克，而有效載荷僅有8種24件，總計130千克。“嫦娥一號”使用東方紅三號衛(wèi)星平臺，而使用這個平臺的通信衛(wèi)星載荷重量也僅有約220千克。全化學推進的衛(wèi)星平臺，一般地說燃料質(zhì)量占比為55%，平臺質(zhì)量36%，而載荷質(zhì)量為9%左右?！版隙鹨惶枴笔褂闷胀ɑ瘜W火箭發(fā)動機，比沖僅有約300秒，而電推發(fā)動機的比沖提高了一個數(shù)量級，比如我國實踐九號A衛(wèi)星就攜帶了一臺比沖3000秒的LIPS-200電推發(fā)動機，還有一臺比沖1500秒的HET-40霍爾電推發(fā)動機。

當然，電推發(fā)動機不僅有高比沖的優(yōu)勢，也有小推力的劣勢，比如LIPS-200離子電推發(fā)動機的推力只有40毫牛，對比傳統(tǒng)的490?；瘜W火箭發(fā)動機，推力僅為后者的不到萬分之一！通信衛(wèi)星也好，飛船探測器也罷，變軌飛行時仍會受到引力影響，變軌的一部分能量要用于克服引力，變軌時間越長能量損失越大，同樣從轉(zhuǎn)移軌道到地球同步軌道，使用化學火箭發(fā)動機需要約1800米/秒的速度增量，而用電推發(fā)動機需要的速度增量大致翻倍。對此工程師們想到一個好辦法：既然小推力的電推發(fā)動機用于變軌燃料損失太大，變軌時間又太長，那用于通信衛(wèi)星南北位置保持，不就揚長避短了么？這就是第一代電/化學混合推進衛(wèi)星概念，勞拉公司使用SPT-100電推進技術(shù)制造了數(shù)十顆第一代混電衛(wèi)星。

不過話說回來，即使電推發(fā)動機有這樣那樣的問題，但它的比沖優(yōu)勢太大，仍將衛(wèi)星有效載荷提高到空前的水平！以使用俄國1.5千瓦的SPT-100霍爾電推發(fā)動機為例，混電通信衛(wèi)星的化學推進劑質(zhì)量比降低為45%，電推發(fā)動機工質(zhì)和發(fā)動機占比4%，而載荷質(zhì)量比提高到16%！考慮到通信衛(wèi)星的單位質(zhì)量發(fā)射成本1千克就上萬美元，有效載荷比例提高這么多，這對商業(yè)公司都是流水般的錢。正因為如此，現(xiàn)在商業(yè)通信衛(wèi)星不使用電推系統(tǒng)，都不好意思標榜自己的先進性了。

▲ 嫦娥一號月球探測器

二代電推系統(tǒng)的應用

商業(yè)通信衛(wèi)星市場的領(lǐng)頭羊勞拉公司不僅使用俄羅斯法克爾設(shè)計局的霍爾電推制造了第一代混電通信衛(wèi)星，它還繼續(xù)引進俄羅斯更先進的霍爾電推技術(shù)，研制了使用第二代電推發(fā)動機的新一代混電衛(wèi)星，衛(wèi)星性能上又有很大的提高。

上文提到，電推發(fā)動機推力小會帶來能量損失，通俗的說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損耗嗎？勞拉公司的第一代混電衛(wèi)星使用10千瓦/100伏特的太陽翼，配電系統(tǒng)可為電推系統(tǒng)提供1.5千瓦/300伏特的電力供應，而SPT-100電推發(fā)動機只能達到83毫牛的平均推力和1500秒的平均比沖?，F(xiàn)在勞拉公司使用推力更大的SPT-140電推發(fā)動機，同時又改進了太陽翼和配電系統(tǒng)，第二代太陽能電推系統(tǒng)的性能可謂今非昔比。

勞拉公司的第二代太陽能電推系統(tǒng)包括25千瓦/100伏特的太陽翼，功率4.5千瓦/電壓300伏特的大功率高壓配電系統(tǒng)，電推也升級為SPT-140發(fā)動機，這臺發(fā)動機雖然平均工作比沖約為1800秒，但推力可達0.25牛/250毫牛，推力提高3倍的同時，氙工質(zhì)攜帶量也從170千克增加到500千克甚至600千克。第二代混電衛(wèi)星的電推除了用于衛(wèi)星南北位置保持，還可承擔部分或主要的軌道提升（EoR）工作，得益于SPT-140電推更大的功率和推力，第二代混電衛(wèi)星中只有29%的重量是化學推進劑，另有6%用于太陽能電推系統(tǒng)，而載荷質(zhì)量比達到了30%。相比傳統(tǒng)的全化學推進通信衛(wèi)星，第二代混電衛(wèi)星的載荷質(zhì)量比提高了3倍還多！

霍爾電推并不是只能在一個推力下工作，通過調(diào)節(jié)輸入功率它的推力調(diào)節(jié)范圍也不小。SPT-140霍爾電推在0.3到4.5千瓦功率下，推力范圍為15到270毫牛，這帶來了更靈活的使用方式，它不僅能用于通信衛(wèi)星的升軌操作和南北位置保持，也在深空探測器上得到了應用。美國未來的靈神星號探測器將探索位于小行星帶的16號小行星靈神星，它使用勞拉公司的SSL1300衛(wèi)星平臺，推進系統(tǒng)就是SPT-140大功率霍爾電推發(fā)動機。

▲深空門戶站預定2022年發(fā)射第一個能源推進模塊（PPE）

▲美國未來的靈神星號小行星探測器，推進系統(tǒng)使用了SPT-140大功率霍爾電推發(fā)動機

深空任務的第三代電推系統(tǒng)

美國的勞拉公司使用俄羅斯的SPT系列霍爾電推，電推系統(tǒng)的核心技術(shù)受制于人，這有蘇聯(lián)在霍爾電推上率先突破和實用化的因素。當然美國并不怕俄羅斯人卡脖子，美國的霍爾電推已經(jīng)迎頭趕上，勞拉公司應用美國技術(shù)正在研制和推銷第三代太陽能電推系統(tǒng)。

美國Busek公司專注衛(wèi)星推進領(lǐng)域，研制了一系列霍爾電推發(fā)動機。2006年12月16日，使用BHT-200電推的戰(zhàn)術(shù)星2號小衛(wèi)星發(fā)射升空，這也是美國第一臺在軌試驗的霍爾電推發(fā)動機。BHT-200作為試驗型霍爾電推性能指標很低，電推全系統(tǒng)凈重約8.5千克，功率約200瓦，只有約1400秒的比沖和13.5毫牛的推力，但Busek公司后續(xù)研制的BHT-4000霍爾電推發(fā)動機可就強多了，它的功率達到了4千瓦，推力可達270毫牛，該公司還完成了BHT-8000霍爾電推的研制。Busek公司授權(quán)Aerojet公司生產(chǎn)BHT-4000霍爾電推，用于先進極高頻（AEHF）衛(wèi)星，無巧不成書，第一顆AEHF衛(wèi)星的遠地點發(fā)動機就出了故障，但使用BHT-4000電推順利完成了升軌。

美國宇航局劉易斯研究中心早已改名為格倫研究中心，它也在繼續(xù)從事電推的研制工作，并研制了一系列高比沖長壽命的霍爾電推：50千瓦級別的NASA-457M V1原理樣機。這臺50千瓦功率的霍爾電推使用100安培的電流，試驗演示中達到了63%的效率，推力可達2.3牛同時比沖超過了2500秒。改進的NASA-457M V2原理樣機使用氪作為工質(zhì)時，曾達到64千瓦的功率，在1100伏特電壓下獲得了4700秒的高比沖！Busek公司也在研制新一代大推力霍爾電推，更強大的BHT-20K和BHT-50K等大功率霍爾電推發(fā)動機正在研制中，其中BHT-20K電推20千瓦功率下推力可達1牛，比沖約為2700秒，BHT-50K電推功率進一步提高到50千瓦。

電推發(fā)動機的功率大幅度提高，配電和發(fā)電能力也得跟上。美國已經(jīng)在軌試驗了革命性的ROSA柔性太陽能陣列，大大降低了太陽翼的體積和重量，提高了航天器的發(fā)電能力。勞拉公司正在研制的第三代太陽能電推系統(tǒng)，就使用了ROSA柔性太陽翼發(fā)電，實現(xiàn)300伏特/75千瓦的發(fā)電能力，同時配電系統(tǒng)的供電能力也提高到15千瓦/600伏特，發(fā)動機使用Busek公司的新一代大功率霍爾電推，單臺推力可達0.8牛比沖約為3000秒。勞拉公司提出了基于商業(yè)電推的深空探索電推構(gòu)想，使用SSL1300平臺外加單側(cè)25千瓦ROSA太陽翼，整個平臺的電推功率可達到50千瓦；大型的MegaRosa太陽翼更可以達到75千瓦的單側(cè)功率，讓總功率提高到150千瓦；勞拉公司更進一步提出了300千瓦的太陽能電推系統(tǒng)計劃，用于行星際的貨物運輸任務。

勞拉公司的50千瓦太陽能電推系統(tǒng)攜帶10噸氙工質(zhì)，150千瓦系統(tǒng)攜帶16噸氙工質(zhì)，還有更大的300千瓦功率的行星際運輸航天器。勞拉公司的野心并非空穴來風，美國宇航局的小行星重定向任務（ARM）任務已經(jīng)取消，但它在月球軌道深空門戶站（LOP-G）上借尸還魂。深空門戶站預定2022年發(fā)射第一個能源推進模塊（PPE），它幾乎就是ARM的衍生版，核心就是大功率太陽能電推方案。美國宇航局去年發(fā)布了PPE模塊的信息征詢書，今年將競標確定它的基本設(shè)計，盡快完成研制工作。

勞拉公司雄心勃勃地提出第三代太陽能電推系統(tǒng)，突出大功率的特色，目標就是競爭PPE模塊的合同。深空門戶站可不只有PPE模塊，第二階段的深空運輸器（DST）將用于載人火星探索，勞拉公司的300千瓦太陽能電推方案，瞄準的也正是這塊大蛋糕。美國宇航局只為PPE模塊分配了5.42億美元的研制預算，PPE的研制不可能片面追求高端先進，那么勞拉公司從商業(yè)通信衛(wèi)星的太陽能電推系統(tǒng)出發(fā)，平滑過渡到PPE乃至DST的第三代太陽能電推路線圖，無疑具有不小的競爭優(yōu)勢。

▲ NASA的小行星重定向（ARM）任務

▲ SPT-140霍爾電推發(fā)動機

▲ 深空運輸器（DST）

▲ 深空門戶站