電推進系統，也稱電火箭發動機，是一種不依賴化學燃燒就能產生推力的設備。它的優點是不再需要使用固體或液體燃料，省去了複雜的儲罐、管道、發動機燃燒室、噴管、相應冷卻機構等，能大幅減少太空飛行器的燃料攜帶量
基本介紹
- 中文名：電推進系統
- 外文名：electric propulsion and thruster systems
簡介,特點,套用,分類,國內外發展,美國,俄羅斯,歐洲,日本,中國,發展趨勢,推進劑,研究歷史,
簡介
電推進系統一般分為三個部分：電源處理單元、推進劑工質貯存與供應單元、推力器。
特點
電推進主要特點有：
（1）比沖高。比沖是單位質量的推進劑所產生的衝量，是評價火箭推進劑性能優劣的技術參數，量綱是km/s，也可以是s。化學推進劑的比沖一般為2-4km/s，氫氧推進劑的比沖一般為4-5.5km/s，而電推進系統中的電磁式和靜電式推進劑一般為10-100km/s。
（2）壽命長。由於比沖高，效率高，省去化學系統中複雜的推進設備，可以攜帶更多的有效載荷或減少攜帶的燃料，可以延長推進系統和衛星的壽命。
（3）小推力。由於電推進能源來源於太陽能，功率有限，產生的速度大，推力小，但是可以長時間航行。推進系統引起的振動小，控制精度高。
套用
（1）靜止軌道通信衛星位置保持
歐洲泰雷茲-阿萊尼亞公司在空間客車－4000C（Space Bus－4000C）衛星平台上套用SPT-100霍爾電推進系統完成南北位保任務，發射衛星數量6顆。
（2）深空探測太空飛行器主推進任務
美國的“黎明號”小行星探測器、日本的“隼鳥號”小行星探測器。
（3）靜止軌道衛星的軌道轉移任務
2015年3月發射的ABS-3A和歐洲通信衛星115西B，採用XIPS-25離子電推進系統，完成全部軌道轉移和位置保持。
（4）科學觀測與試驗太空飛行器任務
2009年歐洲發射的“地球重力場和海洋環流探測衛星”（GOCE）套用2台T5離子電推進系統完成240km高度軌道飛行的大氣阻尼精確補償（無拖曳控制），在2年內繪製出了高精度的全球重力場分布圖。
（5）其他套用及飛行試驗
用於姿態控制。
分類
按照工質加速的方式，電推進一般可分為電熱式、電磁式和靜電式三種類型。
電熱式推力器是用利用電能加熱工質並使其氣化，經噴管膨脹加速噴出產生推力。一般可分為電阻加熱式、電弧加熱式和微波加熱式。其中，電阻加熱的原理是利用電阻加熱器加熱工質，常用工質為肼。
電磁式推力器是電能使工質形成電漿，在外加電磁場洛倫茲力作用下加速從噴管噴出。霍爾推進系統是電磁式推進系統一種，也是當前熱門的兩種電推進之一。霍爾推力器的原理是將電子約束在磁場中，並利用電子電離推進劑，加速離子產生推力，並中和羽流中的離子。霍爾推力器的電離區和加速區在同一處，和離子推力器相比，技術簡單但比沖低。
靜電式推力器是電能在靜電場中離解工質，形成電子和離子，並使離子在靜電場作用下加速排出。靜電式推力器又稱離子推力器，和霍爾推力器是當前熱門的兩種電推進系統。離子推力器電離區和加速區分開，比沖高但技術複雜。
國內外發展
美國
1906年，戈達德提出電推進概念。
2007年發射的“黎明”號小行星探測器使用使用離子推力器作為主發動機探測灶神星和古神星。
2010年發射的“先進極高頻衛星”1號最後依靠電推進完成軌道轉移任務。
2015年，由美國製造的世界首批全電推進商業通信衛星成功發射，並使用離子推力器完成軌道轉移和位置保持任務。
俄羅斯
1902年，齊奧爾科夫斯基提出電推進概念。
1982年，SPT-70霍爾電推進系統首次成功套用於GEOO衛星Kosmas1366東西位保任務。
歐洲
2001年發射的“阿特米斯”衛星最後依靠電推進系統進入預定軌道。
2003年歐洲發射的“靈巧”1號月球探測器使用霍爾推力器完成歐洲首次探月任務。
日本
2003年發射的“隼鳥號”小行星探測器最後使用離子推力器完成任務並返回。
中國
1978年，中國航天科技集團五院510所成功研製LIPS-80離子推力器。
2010年在東方紅-3B衛星平台套用電推進完成南北位置保持。
2013年LIPS-200和HET-40電推進成功完成空間飛行試驗驗證。
2014年發射的實踐－9A衛星離子電推進首次完成飛行試驗。
2015年，中國航天科技集團五院510所成功研製200mm離子電推進系統。
發展趨勢
電推進系統發展趨勢有以下幾個方面：
（1） 大功率、大推進。
（2） 低功率、微小推力、寬功率範圍推力持續可調。
（3） 高比沖、長壽命、多模式。
推進劑
推進劑，就是電推進中的工質，按照物質形態可以分為三類。
（1）固體：聚四氟乙烯（脈衝式電漿常用工質，推進劑利用率和推進效率低）、聚乙烯、尼龍-6、鋅、鋰、鎘。
（3）氣體：氮氣、氫氣、一氧化二氮、氬氣、氙氣、氪氣。
但是，到現在為止，套用最廣泛的推進劑是氙。
研究歷史
早在1903年，俄羅斯著名科學家齊奧爾科夫斯基就發表了著名的論文《通過反作用設備實現宇宙飛行的研究》，該論文被視為現代宇宙探索事業的起點。當時的人們已經認識到，用克魯克斯放電管可以把電子加速到很高的速度。到了1924年，他又在論文中指出：“電的力量是無限的，可以產生強有力的氦離子流，用於宇宙飛船。”科學巨匠的前瞻能力令人嘆服，不過在這個問題上，齊奧爾科夫斯基慢了一步。
在大洋彼岸，還有一位火箭先驅，和齊奧爾科夫斯基相比，他是真正的科班出身，這就是美國人戈達德。1913年，戈達德製造出一台設備，可以產生“帶電粒子”，並獲得了專利。1917年，戈達德再次獲得專利，這次他發明的東西稱為“產生帶電氣體射流的方式方法”。此後，又有多位科學家對電火箭的原理和工程實現做了深入的研究。
電火箭發動機的主要問題是推力太小。對於航天發射來說，目前還沒有它的用武之地。但作為衛星、飛船、星際探測器的姿態、軌道控制的推力器，電火箭發動機的優勢無可比擬。因此，航天界也從來沒有忘記電火箭發動機，一直在設法讓它實用化。
1964年7月20日，電火箭終於得到了一試身手的機會，美國宇航局發射了名為“空間電火箭試驗”的衛星，它被火箭發射到遠地點4002公里的高度，然後啟動了兩台電火箭發動機。其中，第一台發動機採用了電子轟擊原理產生離子流，工作了31分16秒，第二台發動機沒能啟動。4年之後，美國宇航局又發射了“ 空間電火箭試驗-II”衛星，進入了高1000公里的極軌道。兩台電火箭發動機分別累計工作了2011小時和3781小時，重新啟動300次。
目前，離子推進器已經在星際航行中證明了自己的性能與可靠性。例如，2003年5月9日，日本發射了“隼鳥號”小行星探測器。“隼鳥號”在兩年多的飛行期間，一直使用氙離子發動機航行，直到2005年8月28日才接近小行星。“隼鳥號”的離子發動機已經累計工作了25800小時，產生了1400米/秒的速度增量，消耗氙氣22公斤。在完成採樣並回航時，“隼鳥號”的幾個化學燃料姿態推力器全都發生了故障，只能依靠離子發動機。
電火箭發動機