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幻實(shí)說(shuō)

電推進(jìn)系統(tǒng)是一種不依賴(lài)化學(xué)燃燒就能產(chǎn)生推力的航天設(shè)備，在衛(wèi)星、飛船、星際探測(cè)器等航天器的姿態(tài)、軌道控制等方面，電推力器有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

那么，電推進(jìn)系統(tǒng)的基本原理是什么，目前中國(guó)的電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展處于怎樣的階段？相比于傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)，電推進(jìn)有何長(zhǎng)處？稀有氣體與半導(dǎo)體器件在整個(gè)電推進(jìn)系統(tǒng)中分別扮演著怎樣的角色？

本期我們邀請(qǐng)到上海空間推進(jìn)研究所電推進(jìn)事業(yè)部副部長(zhǎng)杭觀榮先生，聽(tīng)他講述國(guó)產(chǎn)電推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展歷程。

以下內(nèi)容由對(duì)話(huà)音頻整理

本期話(huà)題

● 我國(guó)電推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展歷程 ● 電推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)有哪些？ ● 電推進(jìn)用氣體產(chǎn)品與傳統(tǒng)工業(yè)氣體有何不同？ ● 品質(zhì)要求十分苛刻，核心器件還需精益求精

我國(guó)電推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展歷程

幻實(shí)（主播） 本期節(jié)目非常榮幸邀請(qǐng)到上海空間推進(jìn)研究所研究員，博士，碩士生導(dǎo)師杭觀榮先生。杭老師目前是上海空間推進(jìn)研究所電推進(jìn)事業(yè)部的副部長(zhǎng)。先請(qǐng)杭老師給大家介紹一下他的主要研究方向。

杭觀榮（嘉賓） 大家好，我的主要研究方向是空間電推進(jìn)系統(tǒng)。眾所周知，目前火箭發(fā)射大多需要采用的是化學(xué)推進(jìn)技術(shù)，但化學(xué)推進(jìn)的推進(jìn)劑利用效率較低，對(duì)需要在空間中長(zhǎng)期運(yùn)行的衛(wèi)星而言十分不利，電推進(jìn)器的研發(fā)就是基于這個(gè)問(wèn)題展開(kāi)的。衛(wèi)星采用電推進(jìn)之后，它的在軌壽命以及載荷的承載能力都能夠大幅增加。

電推進(jìn)系統(tǒng)一般分為三個(gè)部分：電源處理單元、推進(jìn)劑工質(zhì)貯存與供應(yīng)單元、推力器。它的原理是利用太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，然后將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，這樣推進(jìn)劑的利用效率便得到大幅提升。例如，重量達(dá)5噸的GEO衛(wèi)星（地球靜止軌道衛(wèi)星），如果采用化學(xué)推進(jìn)，燃料占比將非常大，若是采用電推進(jìn)技術(shù)，在功能不變的情況下，衛(wèi)星的質(zhì)量將降低一半。

但是，電推進(jìn)技術(shù)比化學(xué)推進(jìn)更加復(fù)雜，因?yàn)閷⒑教炱鞯碾娹D(zhuǎn)變成推力器和其他設(shè)備工作所需的電要借助更多的電子設(shè)備，這其中也涉及到電力的變化。

幻實(shí)（主播） 這里是否也涉及到一些芯片的應(yīng)用？

杭觀榮（嘉賓） 是的。電推進(jìn)器的控制也很復(fù)雜，很多控制器件都和芯片產(chǎn)業(yè)相關(guān)。 幻實(shí)（主播） 我看到關(guān)于您的介紹上寫(xiě)到您參與了國(guó)內(nèi)首次霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)空間飛行試驗(yàn)，您也因此獲得了國(guó)防科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的二等獎(jiǎng)。不妨跟大家解釋一下我們國(guó)家電推進(jìn)的發(fā)展歷程，和國(guó)外相比，我國(guó)的電推進(jìn)技術(shù)又存在哪些差距？ 杭觀榮（嘉賓） 其實(shí)在錢(qián)學(xué)森先生回國(guó)之后，我國(guó)的電推進(jìn)技術(shù)就已經(jīng)展開(kāi)，但那時(shí)候相關(guān)的研究投入很少，一方面，我國(guó)航天器的電能很小，不足以支持電推進(jìn)器運(yùn)行；另一方面，國(guó)家的航天任務(wù)比較少。

典型的電推進(jìn)航天器推進(jìn)劑氙氣加載量 （圖源：北京空間信息科技研究所）

到上世紀(jì)80年代，我國(guó)研制出了國(guó)內(nèi)首臺(tái)汞離子推力器；2000年之后，國(guó)家開(kāi)始大力開(kāi)展電推進(jìn)方面的研究；2012年國(guó)內(nèi)首個(gè)搭載霍爾和離子電推進(jìn)的衛(wèi)星成功發(fā)射并進(jìn)行了在軌實(shí)驗(yàn)，這也預(yù)示著中國(guó)的整套電推進(jìn)的技術(shù)體系、材料體系和研發(fā)能力都達(dá)到可用階段；

現(xiàn)在越來(lái)越多的研究單位、航天高校都在進(jìn)行電推進(jìn)相關(guān)的研究。目前我們的研究方向主要集中于應(yīng)用端，聚焦點(diǎn)在1000瓦到5000瓦的電推力器上。

電推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)有哪些？

幻實(shí)（主播）

您覺(jué)得電推進(jìn)技術(shù)在發(fā)展的過(guò)程中，我們會(huì)在哪些方面遇到難點(diǎn)？電推進(jìn)技術(shù)是否需要其它領(lǐng)域的支撐？

杭觀榮（嘉賓）

難點(diǎn)有很多，比如電推力器本身如何實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，如何實(shí)現(xiàn)高效率和長(zhǎng)壽命等；

電推進(jìn)器的正常工作離不開(kāi)其特殊的推進(jìn)劑，例如高純度的氙氣等；

一般電推進(jìn)器是高功率設(shè)備，相較于之前的衛(wèi)星而言，需要更高的電壓，這就對(duì)電能的高效率利用及高電壓的變化技術(shù)提出了很高的要求；

推進(jìn)劑一般儲(chǔ)存于高壓的氣瓶中，如果想要穩(wěn)定供應(yīng)給電推力器，中間就涉及到減壓和微流量的控制，因?yàn)殡娡屏ζ鞯牧魉偌s為幾毫克到幾微克每秒。

霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)原理圖

（圖源：新浪科技）

幻實(shí)（主播）

在研究過(guò)程中，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是否會(huì)制約電推進(jìn)技術(shù)的向前發(fā)展？

杭觀榮（嘉賓）

目前會(huì)受到一定程度的制約。比如霍爾離子推力器需要用高電壓加速離子才能實(shí)現(xiàn)較高的比重，雖然高電壓環(huán)境在地面上比較容易實(shí)現(xiàn)，但想在空間中實(shí)現(xiàn)卻并不容易，這里涉及到一些電力電子的抗輻照器件和高效率的磁芯等。

電推進(jìn)用氣體產(chǎn)品與傳統(tǒng)工業(yè)氣體有何不同？

幻實(shí)（主播）

您剛剛提到了氙氣可作為推進(jìn)劑用于電推進(jìn)系統(tǒng)中，這和一般的工業(yè)用氙氣是否會(huì)有不同？

杭觀榮（嘉賓）

氙氣的臨界壓力為5.83MPa，這使得氙在推進(jìn)劑的容器中能夠以液態(tài)形式被儲(chǔ)存，這和使用氪氣或氬氣這樣的永久性氣體相比，推進(jìn)劑氣瓶可以做的更輕更薄，節(jié)省航天器的發(fā)射重量。

其實(shí)我國(guó)很早就擁有了氙氣的制備能力，但電推力器中負(fù)責(zé)點(diǎn)火和羽流中和的空心陰極里有一種功能材料叫發(fā)射體，它對(duì)氣體的純度要求非常高，所以工業(yè)用氙氣難以用于電推進(jìn)器中，需要經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的提純才能被使用。我國(guó)相關(guān)氙氣的制備工藝經(jīng)歷好幾年的攻關(guān)已經(jīng)達(dá)到可用水平，目前空間中一些電推進(jìn)航天器也都使用了國(guó)產(chǎn)氙氣。

幻實(shí)（主播）

電推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)半導(dǎo)體器件、工業(yè)氣體等產(chǎn)品的需求量有多大？會(huì)不會(huì)帶動(dòng)這些領(lǐng)域的發(fā)展？

杭觀榮（嘉賓）

目前我國(guó)對(duì)電推力器的使用剛剛起步，對(duì)各領(lǐng)域產(chǎn)品的需求相對(duì)而言不是很多，但現(xiàn)在正是我國(guó)對(duì)電推進(jìn)系統(tǒng)研究的高速發(fā)展階段。即使我們沒(méi)有將航天器發(fā)射到太空，我們依然需要工業(yè)氣體的支持，在電推進(jìn)系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中或是對(duì)航天器進(jìn)行壽命考核時(shí)，都需要用到這些氣體。

電推力器的工作壽命一般能達(dá)到幾千到上萬(wàn)小時(shí)，工程師會(huì)按照航天任務(wù)的需求在地面上進(jìn)行1:1或者1:1.5的長(zhǎng)壽命實(shí)驗(yàn)。例如需要研制出一臺(tái)壽命達(dá)到1萬(wàn)小時(shí)的電推力器，在地面上至少要考核1萬(wàn)小時(shí)，不僅如此，為了測(cè)試其可靠性，可能需要多臺(tái)推力器多次實(shí)驗(yàn)，這些過(guò)程對(duì)氙氣或其他推進(jìn)劑的需求量十分大。

質(zhì)量》50KG的地球同步軌道和低地軌道衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量

（圖源：北京空間信息科技研究所）

另外，在發(fā)射過(guò)程中，航天器也會(huì)裝載推進(jìn)劑，由于氣體充裝存在一定損失，所以通常一顆用作位置保持的GEO衛(wèi)星需要搭載100~200公斤推進(jìn)劑。

美國(guó)SpaceX公司的星鏈計(jì)劃家喻戶(hù)曉，他們采用了氪霍爾推力器來(lái)替代氙霍爾電推力器，每一顆衛(wèi)星大約搭載10~20公斤的氪氣，雖然每顆衛(wèi)星裝載的推進(jìn)劑不多，但是星鏈計(jì)劃四萬(wàn)顆衛(wèi)星累計(jì)所需的推進(jìn)劑總量還是十分驚人的。

品質(zhì)要求十分苛刻，核心器件還需精益求精

幻實(shí)（主播）

中國(guó)航天會(huì)不會(huì)有類(lèi)似“星鏈計(jì)劃”的布局？

杭觀榮（嘉賓）

我國(guó)也會(huì)有相應(yīng)的布局。之前國(guó)內(nèi)很多產(chǎn)品都是“有而不精”，像電推進(jìn)系統(tǒng)就對(duì)稀有氣體的的純度和產(chǎn)量提出了很高的要求，只有精益求精的產(chǎn)品才能縮短與國(guó)外的差距。

幻實(shí)（主播）

對(duì)半導(dǎo)體器件的產(chǎn)品質(zhì)量要求是否也會(huì)很苛刻？

杭觀榮（嘉賓）

是的，電推力器對(duì)于半導(dǎo)體器件的需求量雖然不大，但是品質(zhì)要求十分苛刻。因?yàn)樘窄h(huán)境與地面上的應(yīng)用工況大不相同，太空輻照、高低溫等都會(huì)影響器件運(yùn)行。不僅如此，一般電推進(jìn)系統(tǒng)需要工作15~20年，對(duì)半導(dǎo)體器件的可靠性、抗干擾能力，高低溫環(huán)境下的工作能力等都算得上是極大的考驗(yàn)。

電推力器在某衛(wèi)星上的安裝位置示意圖，紅色處為電推力器

（圖源：氣體圈子官網(wǎng)）

幻實(shí)（主播）

如果您那邊需要國(guó)產(chǎn)化的半導(dǎo)體器件，我們也十分愿意把國(guó)內(nèi)好的產(chǎn)品推送過(guò)去，為中國(guó)的航天發(fā)展盡自己的一份力。

杭觀榮（嘉賓）

我們當(dāng)前的目標(biāo)就是提高設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化率，努力實(shí)現(xiàn)各核心設(shè)備的完全國(guó)產(chǎn)化，當(dāng)然國(guó)外的器件廠商如果能夠提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，我們也十分歡迎。

幻實(shí)說(shuō)

我國(guó)電推進(jìn)系統(tǒng)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用仍取決于自身核心器件的技術(shù)發(fā)展，核心設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化率越高，電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展的空間越大。

另外，航天器對(duì)器件、設(shè)備等的需求十分苛刻，電推進(jìn)系統(tǒng)的向前發(fā)展也在帶動(dòng)其他產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品的精進(jìn)。航天器搭載的電推進(jìn)系統(tǒng)拉動(dòng)稀有氣體、半導(dǎo)體等領(lǐng)域的需求量增長(zhǎng)是逐漸的、長(zhǎng)期的，電推進(jìn)技術(shù)越成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域就越廣泛，對(duì)稀有氣體、半導(dǎo)體等領(lǐng)域的高精尖產(chǎn)品需求也就越大，這種互生共贏的良性循環(huán)是其他許多產(chǎn)業(yè)值得參考的案例。

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