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美国制造全电推进商业通信卫星 开启小而美的传奇

2016-02-27 09:56:20

在不久前揭晓的2015全球十大航天新闻中,“世界首批全电推进商业通信卫星进入太空”位列其中。由美国制造的世界首批全电推进商业通信卫星——亚洲广播卫星—3A和欧洲通信卫星—115西B去年初成功发射,被认为是全电推进技术实现成熟应用的标志。那么,什么是全电推进?它对卫星产业的发展到底有多大魔力呢?

所谓全电推进,是指地球静止轨道卫星在星箭分离后,使用电推进系统,从而取代传统的化学推进系统来完成轨道转移任务、进入工作轨道,并且入轨后的位置保持任务也完全由电推进系统来执行。

目前,星箭分离后的卫星轨道转移以及在轨位置的保持,大都使用化学推进系统来完成。化学推进系统的原理是通过推进剂催化反应或氧化剂燃烧剂反应产生高温,将推进剂加热后喷出产生推力。电推进系统则用电能加热或电离推进剂,使其加速喷射产生推力。也就是说,这是一种把外部电能转换为推进剂喷射动能的火箭,所以又称电火箭。

全电推进系统是目前世界最先进的空间推进技术。虽然化学推进系统和电推进系统都要消耗推进剂,但这两种推进系统的推进剂消耗量区别很大,两者的效率差高达10倍。电推进系统具有比冲高、效率高、省燃料、振动小、成本低、寿命长等一系列优点,可显著降低发射质量,从而大幅降低发射成本,大大增加卫星的有效载荷量,或者可以大大增加推进剂的携带量,从而延长卫星的使用寿命。也就是说,“小身材”的电火箭,性能却很高。

在电火箭具备的诸多优点中,特别值得一提的是降低卫星发射质量这一条。提高有效载荷比,一直是大型静止轨道卫星研制追求的目标。目前,大多数卫星是用化学推进系统进行轨道转移和在轨位置保持的,这种系统的质量占静止轨道卫星的干重比约为40%。因此,如果能降低推进系统质量,堪称实用价值巨大,会影响未来卫星产业的发展。

电推进系统是一种全新的发展思路,有望进一步激发全球卫星制造业降低研制成本的竞争,将对未来通信卫星的制造和技术创新产生重要影响。目前存在的不足之处,就是推力小、耗电多,所以卫星用电推进系统可支持对姿态精度要求较高的有效载荷,但它用于变轨时所需要的时间较长,在设计时还要考虑卫星的供电能力。

总之,电推进系统可广泛用于地球静止轨道卫星位置保持和轨道转移、空间探测器和载人深空探测的主推进、低轨卫星的轨道维持等许多方面。目前,电推进系统的电能是由太阳能经转换装置获得的,所以功率有限,未来有望由核能提供,从而研制出大功率的电推进系统,用于打造核动力载人火星飞船,从而大大缩短飞往火星的时间。(庞之浩)