电推进空间应用现状与发展趋势

电推进空间应用现状与发展趋势

田雷超^1,2   康小录^1,2   刘佳^1,2   杭观荣^1,2   孙雯熙^1,2

（1.上海空间推进研究所；2.上海空间发动机工程技术研究中心）

摘   要：电推进具有比冲高、推力小、寿命长等优势，可以应用于地球静止轨道（GEO）卫星、低轨（LEO）卫星、深空航天器和微纳卫星等几乎所有的推进任务。本文首先对电推进的空间应用现状进行综述，接着对其未来发展趋势进行展望，最后给出了我国电推进发展的建议。

关键词：电推进；空间应用；发展趋势

电推进是利用电能加热、离解和加速推进剂（工质）形成高速射流而产生推力的一种空间动力技术。一般而言，电推进可以使得推进剂的喷出速度比传统化学推进高出一个数量级。对于一个给定的空间推进任务，采用电推进比采用化学推进可以节约更多推进剂，这对航天器设计无疑是非常有益的。一方面可以使得航天器设计过程中质量分配的紧张局面大大缓解；另一方面可以增加有效载荷的占比，或通过减小航天器质量而降低发射成本。电推进除了具备比冲高的优势外，还具有推力小且精确可调、寿命长等优势。

电推进一般通过下面一种或两种方式的结合来达到提高喷气速度的目的：一种是通过技术手段增加推进剂的热能；另一种是采用电离推进剂并通过电磁场直接对其进行加速。按照工作原理的不同，电推进通常可以分为三大类：

（1）电热推进：推进剂通过某种形式的电过程被加热，然后通过喷管膨胀加速喷出。主要包括电阻加热推力器、电弧推力器等。

（2）静电推进：推进剂通过某种方式被电离为带电粒子，离子被静电场加速喷出。主要包括霍尔推力器、离子推力器、电喷推力器等。

（3）电磁推进：推进剂通过某种方式被电离为带电粒子，离子在电场和磁场的联合作用下加速喷出。主要包括可变比冲等离子体推力器、磁等离子体推力器、脉冲等离子体推力器等。

一、电推进的空间应用

自20世纪初电推进的概念提出以来，经历了一百多年的发展历程。电推进的发展大致可分为4个阶段：1900—1960年为概念提出和原理探索阶段，该阶段对电推进技术进行了大量的理论与实验研究，并开发出离子、霍尔等类型的电推力器原型；1960—1980年为地面和飞行试验阶段，离子推力器、霍尔推力器等电推进产品进行了在轨验证；1980—2000年为初步应用阶段，电推进产品在商业卫星上的应用使其进一步成熟；2000年以后进入应用快速发展阶段，多种类型的电推进系统在航天器中得到了广泛应用。

1980年底，第一颗使用电推进的商业GEO卫星“国际通信卫星”V2（Intelsat-V2，见图1）发射成功，采用电阻加热推力器用于卫星的南北位置保持。该推力器的功率为500W，比冲可达到300s，比传统肼基单组元推力器的比冲高约50%。电阻加热推力器具有易于集成和良性故障模式的特点，在当时显示出巨大的应用优势。1993年，更高性能的电弧推力器首次在“电星”401（Telstar-401）通信卫星上使用，同样使用肼推进剂，比冲超过500s。电弧推力器的引入改变了商业卫星市场，推动了电推进技术的广泛使用。在这之后，1994年，霍尔推力器（Gals-1，MSS-2500-GSO平台）首次商业使用；1997年，离子推力器（PAS-5，BSS-601HP平台）首次商业使用，这两种推力器的比冲都能达到1500s以上。在南北位置保持应用的基础上，1998年美国国家航空航天局（NASA）的“深空”1探测器、2003年欧空局（ESA）的“小型先进技术研究任务”1（SMART-1）探月任务和日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的“隼鸟”1小行星任务、2010年的“先进极高频”1（AEHF-1）及2015年BSS-702SP全电GEO平台，都显示了电推进系统成功完成轨道转移等主推进任务的能力。

从发展来看，电推进技术可以执行多种推进任务，涉及GEO卫星、LEO卫星、深空航天器和微纳卫星等几乎所有需要推进的场合。

图1 第一颗采用电推进的商业卫星Intelsat-V2

（一）GEO卫星

近年来，无论是商业上还是军事上，对电信服务的需求都在不断增长，GEO通信卫星发展迅速，促进了1~5kW电推进的技术成熟。使用电推进系统的GEO卫星比例持续增加，从20世纪80年代的平均20%到近几年的超过40%。

从20世纪80年代起，苏联在KAUR-3、KAUR-4等多个平台使用了霍尔推力器，而早期（20世纪90年代中期到2010年前后）美欧流行的是电弧推力器和离子推力器，洛马公司的A2100平台和波音公司的702平台引领了这一趋势。20世纪90年代初，苏联解体后，多家西方公司从火炬设计局（EDB Fakel）和克尔德什研究中心（Keldysh）等机构获得了霍尔推力器技术，由于该技术具备优异的综合性能，被越来越多的西方公司所采用，如阿尔卡特空间公司（2002年采用）、劳拉空间系统公司和阿斯特里姆公司（2004年采用）。霍尔推力器具有较高的比冲和推功比，以及相对于离子推力器的较低成本，因此非常具有吸引力，目前成为GEO卫星最常用的电推进方式。电阻加热推力器由于价格低廉，集成和工作模式相对简单，仍被用于轨道科学公司的GEOStar-2平台上。

电推进应用于轨道提升最具有代表性的案例是拯救AEHF军用通信卫星。洛马公司为美国空军设计的AEHF卫星采用5千瓦级多模式霍尔电推进系统执行发射后的部分轨道提升和在轨位置保持任务。2010年，首发星AEHF-1卫星发射后，远地点的化学发动机出现故障未能工作，最终由霍尔电推进系统完成大部分的轨道提升工作，确保了卫星14年的预计寿命。2015年初，波音公司交付了第一颗采用XIPS-25离子推力器的全电推进卫星，使得电推进用于轨道提升任务达到顶峰。由于电推进的高比冲特点，全电推进卫星方案的质量大大减小，因此可以将2颗GEO通信卫星（“亚洲广播卫星”3A和“欧洲通信卫星”115 West B）堆叠在一起发射，费效比成倍减小。

电阻加热推力器、电弧推力器、离子推力器和霍尔推力器等4类推力器都被用于GEO卫星，其中离子推力器和霍尔推力器具有更高的比冲和更长的寿命，逐渐取代了电阻加热推力器和电弧推力器。表1给出了国际上主要GEO卫星平台及航天器电推进的使用情况。

表1 国际上主要GEO卫星平台及航天器使用电推进的情况

（二）LEO卫星

LEO卫星可以执行多种任务，如地球观测、大气监测、低延迟对地通信和纯科学任务等。与GEO卫星不同，LEO卫星是小型的低功率平台，由于太阳能电池板的尺寸有限，一般只能产生数百瓦的电能，因此通常只能支撑低功率的电推进系统。

目前，LEO卫星已经使用了7类电推进技术，分别是电喷推力器、电阻加热推力器、电弧推力器、空心阴极推力器、脉冲等离子体推力器、离子推力器和霍尔推力器。最早在LEO上成功使用电推进的卫星是1981年发射的TIP/Nova，该卫星使用脉冲等离子体推力器进行精确的轨道控制。“铱”星星座从1997年首发，总计发射了95颗一代“铱”星，每一颗“铱”星都包含一个MR-501电阻加热推力器，用来执行轨道修正和离轨任务。

最近几年，随着电推进技术的更加成熟和LEO任务推进需求的增加，LEO卫星上电推进系统的使用在快速增加。在多种推力器中，霍尔推力器已经越来越占主导地位。最为突出的是太空探索技术公司（SpaceX）的“星链”计划（见图2）。SpaceX规划总共部署4.2万颗“星链”卫星，单颗卫星的质量约为290kg，使用氪工质的霍尔电推进系统。“星链”计划从2019年首发，截至2023年9月，已发射5070颗卫星，在轨卫星4724颗，是目前卫星在轨数量最多的互联网星座。一网公司的“一网”（OneWeb）星座规划建设6372颗卫星，截至2023年9月，已经发射了636颗卫星（见图3）。“一网”星座单颗卫星的质量约为147kg，采用了300W的SPT-50M霍尔推力器，由于俄乌冲突，后采用美国Busek公司的BHT-350霍尔推力器。

图2 SpaceX 的“星链”卫星

图3 “一网”星座卫星

2021年，“天和”核心舱发射，在化学推进的基础上，采用4台80mN霍尔推力器执行大气阻力补偿任务，为国际上首次将电推进应用于载人航天领域，并且该霍尔电推进系统可在轨更换推力器和气瓶，从而具备长期在轨工作的能力。表2给出了国际上主要LEO卫星及航天器使用电推进的情况。

表2 国际上主要LEO卫星及航天器使用电推进的情况

（三）深空探测器

在过去二十多年中，电推进被应用于10个深空探测器上，如表3所示。由于离子推力器的比冲较高，其中有7个任务使用其作为主推进。电推进的高机动性使得深空探测器能够执行复杂的小行星交会和取样返回任务，实现传统化学推进无法实现的功能，如NASA的“黎明”任务在灶神星和谷神星都成功地完成了轨道插入；日本的“隼鸟”1任务演示了如何使用电推进系统来推动航天器返回地球，完成采样返回。

表3 使用电推进的深空任务

2003年，欧空局发射“小型先进技术研究任务”1前往月球，探测器重约360kg，采用法国斯奈克尔公司制造的PPS 1350霍尔推力器，演示了电推力器用于深空探测的可行性和实际性能，最近的任务是“双小行星重定向测试”（DART）。2021年11月，DART航天器通过SpaceX“猎鹰”9火箭发射升空，用以测试小行星偏转技术，以保护地球免受未来潜在的小行星冲击。DART采用化电混合推进系统，其中电推进采用NEXT-C离子推力器（见图4），比冲高达4170s，与1998年、2007年分别发射的“深空”1和“黎明”航天器的NSTAR离子推力器相比，推力提升了3倍。2022年9月，NASA的NEXT-C离子推力器在DART任务中成功进行了测试，航天器成功撞击了Didymos双小行星系统的小行星Dimorphos。2023年10月，NASA“灵神星”探测器搭载“猎鹰重型”火箭发射，目标是探索富含金属的小行星——灵神星，该探测器采用4台Maxar技术公司的SPT-140 5kW霍尔推力器，这是第一个在月球轨道之外使用霍尔推力器的深空探测器案例。

图4 NEXT-C离子推力器

目前，NASA正在开展月球“门户”项目研究，其中电源和推进单元（PPE）将采用3台Aerojet Rocketdyne公司研制的基于12.5kW磁屏蔽霍尔推力器（HERMeS，见图5）的先进电推进系统和4台Busek公司研制的6kW霍尔推力器。

图5 12.5kW磁屏蔽霍尔推力器

深空探测任务具有高风险和高成本的特点，目前许多任务仍然采用成熟的化学推进系统，如2023年4月发射的“木星冰卫”（JUICE）探测器采用化学推进系统，但推进剂质量占总质量的58.3%。随着技术的不断进步，人们对使用电推进技术的信心不断增强，由于其比冲高的优势，使用电推进系统的深空探测器将会越来越多。

（四）微纳卫星

微纳卫星近些年来得到迅速发展，其具有体积小、成本低、开发周期短、发射方式灵活、可编队组网等优势，应用领域主要包括对地观测、新技术试验、空间环境探测和通信导航等方面。大部分微纳卫星设计简单，作为技术验证星进行低成本的飞行实验，因此在许多情况下，任务设计不需要或者不包括推进系统。不过随着微纳卫星数量的迅速增加和任务的扩展，将会利用这些卫星执行要求更高、更复杂的任务。携带电推进系统的卫星可以不断地补偿阻力，使其在轨时间延长，并且在任务结束后可以进行离轨操作。

微纳卫星基于自身特点对推进系统提出了一些新的要求：第一，推进系统需要输出相对较低的推力，范围在微牛到毫牛之间。第二，需要推进系统在较低的功率水平工作。微纳卫星的太阳能电池板面积有限，因此可用电力有限，可用电力的典型值取决于卫星的大小，从1U立方星（体积为10cm×10cm×10cm）的5W到50kg级卫星的几百瓦之间。第三，推力器系统具有较轻的质量和较小的体积。根据卫星的大小，推进系统的可用体积从不足1/4U到几个U不等，体积限制意味着推进系统的湿重只能达到几千克。

2006年，包含电推进的微纳卫星ION发射，其采用了真空电弧推力器（VAT），由于“第聂伯”（Dnepr）运载火箭的故障，任务失败。此后，微纳卫星上也使用了其他类型的微电推力器，包括微脉冲等离子体推力器、电喷推力器、电阻加热推力器等。

用于微纳卫星的其他推力器技术也正在迅速发展，例如，日本Pale Blue公司研制的水基推进系统于2023年3月成功在近地轨道上进行测试。马歇尔航天飞行中心在实验室验证了使用先进航天器高能无毒推进剂（ASCENT）的双模推进模式。2021年3月发射的意大利GAUSS公司的UNISAT-7立方星，配备了T4i公司的REGULUS无电极射频离子推力器，工质为碘。由于所有的微电推进技术仍处于技术成熟的相对早期阶段，并且具有类似的推进特性，目前还无法预测哪一种技术将成为主导。

二、电推进发展趋势

2023年4月，市场情报公司Straits Research发布了全球卫星电推进市场分析报告。报告指出，2022年全球卫星电推进市场价值5.4371亿美元，预计到2031年将达到7.8059亿美元，在预测期内（2023—2031年）将以4.10%的复合年增长率增长，由此可见，电推进的市场份额将持续扩大。

目前，电推进正朝着多模式、长寿命、大功率的方向发展，应用领域也在进一步拓展，全电推进成为GEO平台等发展的重要方向，以小功率霍尔推力器为代表的电推进在低轨卫星上的应用也越来越广泛。以电推进应用历程和现状为基础，从技术本身的发展层面和应用层面来看，未来电推进呈现出以下发展趋势。

（一）向多模式方向发展，提高任务适应能力

传统电推进具有一个工作点，即功率、推力、比冲等基本不变，因此只能承担诸如在轨位保等单一任务，适应能力较差。近年来，GEO卫星及全电推进平台的轨道转移、位置保持和姿态控制等任务对电推进的功率、推力和比冲等指标需求差异大，需采用多模式电推进技术。目前，美、俄、欧等新研的电推进几乎都具有多模式的能力，任务适应能力强，例如，美国BPT-4000多模式霍尔推力器的功率调节比可达22:1，能够适应GEO平台、全电推进平台和深空探测主推进等多种任务。

（二）功率范围不断扩展，以适应不同规模的航天任务要求

近年来，蓬勃发展的微小卫星及未来载人深空探测等大型航天任务要求电推进从现有的中功率范围拓展至0.1~100kW。

小卫星是航天活动的重要领域，然而，它们大都不含推进系统，机动性差、姿控精度低、在轨时间短，无法充分发挥优势，采用低功率电推进将极大提高小卫星的性能和寿命，功率为数百瓦的霍尔推力器将成为重点应用对象。

美、俄、欧等正面向载人深空探测、星际货物运输等领域研制牛级推力、功率达数十千瓦至兆瓦级的大功率电推进装置，单台推力器的最大试验功率达4MW。研究表明，采用功率为200MW的大功率等离子体电推进和质量功率比为1kg/kW的核电源，可将载人火星探测任务的地火轨道转移时间缩短至39天。

（三）推进剂多样化及贮供小型化

目前，在轨应用的霍尔及离子推力器大部分采用氙气作为推进剂，虽然综合性能较好，但由于氙气在地球上含量很少，所以价格非常昂贵。为了降低成本，采用其他较为廉价的推进剂（如氪气、氩气等）将成为目前主流电推进技术的重要发展方向。SpaceX在第一代“星链”上已经使用氪气作为工质，据估算，氙气的价格为3000~10000美元/kg，而氪的价格约为500~1500美元/kg，这为SpaceX节省了数亿美元。第二代“星链”（V2 mini）配备了氩工质霍尔推力器，这无疑是大幅降低商用卫星成本的又一变革性技术，99.999%的纯氩价格为5~17美元/kg。此外，固体推进剂技术（铋、镁、锂、碘）的应用将极大减轻推进剂贮存的难度，避免了高压贮存的风险，但其物理和化学特性对贮供系统、推力器和功率处理单元（PPU）等均提出了适应性改进甚至采用全新方案的需求。

为了进一步减轻系统质量、简化系统结构、提高贮供系统的控制精度，满足多模式电推进技术的应用需求，基于可变结构的推进剂流量输送技术将成为电推进贮供系统的重要发展方向之一。基于可变结构的节流技术具有可大范围连续调节、调节线性好、耐压力波动性能好、动作响应速度快、结构紧凑、系统质量轻及功耗小等优点。此外，为了满足微小功率电推进技术的小质量、小尺寸和高集成度的技术需求，基于微机电系统（MEMS）技术的小型推进剂贮供系统取得了长足的技术进步。

（四）正在拓展航天应用领域

电推进的航天应用领域正在不断拓展，如大速度增量深空探测任务和低、高轨遥感任务等。

在深空探测任务中，尤其是速度增量很大的小行星伴飞、取样返回及太阳系外行星探测等，利用化学推进会造成推进剂携带量过大，某些任务实际上无法实现，电推进是优势明显甚至是唯一可行的主推进方式。

重力梯度卫星、超低轨遥感卫星等需要在极低的轨道长期运行，化学推进由于比冲低、推力过大而无法完成无拖曳控制、阻尼补偿（轨道维持）、大速度增量轨道转移、长期在轨等任务，采用电推进技术是必然的选择。

高轨遥感卫星工作时需要很高的姿态稳定度，电推进由于推力较小，工作时对卫星平台所产生的扰动也极小，可在卫星不中断服务的前提下执行位保任务，有利于提高卫星使用效率。

（五）某些任务工况较为固定的航天器将实现全电推进设计

电推进目前主要以化电混合推进的方式应用，某些任务工况较为固定的航天器（如GEO卫星和某些小卫星）正在向全电推进方向发展。但要注意到，美、欧等的全电推进GEO平台方案是在电推进研发能力及其应用发展到较高程度的先决条件，以及在市场竞争和一箭双星等约束条件下提出的，以获得最大的经济效益。全电推进平台存在电推进推力小、轨道转移时间长的缺点，因此，对于具体应用任务，不能片面追求使用全电推进，而应该根据实际需求，并结合运载火箭、地面测控等大系统范围的约束条件，对各种推进方式进行组合优化，从而实现效益的最大化。

三、我国电推进发展建议

我国自2012—2013年完成霍尔、离子电推进的首次在轨验证以来，最近十年取得了长足的发展，实现了在空间站、低轨卫星、GEO卫星等数十个航天器上的工程应用。同时也要看到，我国的电推进研发在原始创新、研发效率、产品成熟度、在轨应用方面与国外尚存在较大的差距。为了更好地推动我国电推进的发展，提出如下建议。

（一）加大航天器总体单位的牵引力度

根据我国未来的航天探索任务规划，总体单位需要加强需求分析，牵引电推进技术的发展，为后续加快工程化研发奠定基础。我国空间站采用80mN霍尔推力器执行大气阻力补偿任务，通过型号牵引和研制过程的引领把关，有力地促进了我国电推进工程化的发展，是一个很好的范例，应大力推广。

（二）构建产学研大协作的格局

纵观电推进的发展史，每项技术的发展都是从理论创新、技术研发到工程应用的完整技术创新路径。要实现我国电推进技术的创新和超越，需要构建产学研大协作的格局，以航天企业为技术应用方，以高校为理论创新和技术支撑方，以科研机构为技术攻关方开展合作，相互配合，发挥高校理论基础强、科研院所攻关响应快、航天企业工程化经验丰富的综合优势，形成我国电推进创新发展的合力。

（三）加快电推进产品化及产业化的步伐

利用低轨卫星星座来实现低延迟互联网接入的商业市场正在迅速崛起，如“星链”“一网”星座等。卫星星座在世界范围内的蓬勃发展为电推进提供了广阔的市场，同时也对电推进产品化和低成本提出了更高的要求。因此，要针对互联网卫星星座的新需求，解决好电推进通用化、系列化、模块化等问题，使得电推进产品成为“货架产品”，满足大规模的空间应用需求。同时需要加快生产线建设，提高产品研制配套能力。敏捷生产的低成本电推进系统是实现低轨星座的重要支撑，需要从研发流程、设计方法等层面开展相应电推进系统的研发、生产工作，提高生产效率，降低成本。

（四）尽早布局新型电推进技术

航天发展至今，有许多空间任务因为动力问题成为“不可能”，如载人火星探测等较大规模的星际航行任务，尚没有一款有效的动力解决方案。电推进作为最具优势的空间动力技术，是实现航天任务由“不可能”到“可能”最具潜力的动力类型之一。特别是基于空间核能的极高功率电推进技术已经表现出解决有些“不可能”空间任务的可能性，需要在该方向尽早谋划布局。另外，要加强电推进“技术推动”的深度和广度，适时提出电推进的新概念和新理论，研发新型电推进产品，反哺航天技术，将许多“不可能”变为“可能”。（本文获得国家自然科学基金重点项目（U22B20130）的支持，原刊载于《中国航天》2023年第11期）    

期刊简介

约稿范围

包括但不限于以下方向：空间技术与系统（包括航天运输系统、空间基础设施、载人航天、月球及行星探测、发射场与测控系统、空间环境治理等）；空间应用（包括卫星遥感、卫星通信、卫星导航等卫星应用业务及空间应用产业等）；空间科学（包括空间天文、月球与行星科学、空间环境下的科学实验等）；世界主要航天国家发展分析（包括国外航天技术动态、主要航天国家发展战略及规划研究等）；航天国际交流合作研究（包括外空全球治理，空间科学、空间技术、空间应用等领域国际合作等）。

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