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[科普资料] 我国的离子电推进技术

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fly2014 发表于 2014-12-8 13:27 | 显示全部楼层
http://news.ifeng.com/a/20141208/42667999_0.shtml
中国卫星动力破局

“如果我们的卫星没有电推进技术,别国可能就不买,如果有了电推进技术,就相当于多了一重保险,并能节约一些燃料,别国就会愿意购买”

《瞭望东方周刊》记者吴铭/北京报道

在2014年10月刚刚结束的中国卫星应用大会上,兰州空间技术物理研究所特种推进技术研究室主任张天平的报告尤其引人关注。他向与会的学界、业内专家介绍了中国空间电推进技术的研究应用情况。

所谓电推进,就是用电能作为卫星的主要动力来源。

卫星动力是衡量卫星水平的一个关键因素。“目前,国际卫星市场上的通信卫星中超过50%采用混合动力,即包括常规化学燃料和电推进系统;另外40%以上采用常规化学推进剂。通信卫星之外的其他类型卫星,则极少采用电推进技术。”张天平对《瞭望东方周刊》解释说,混合电推进系统卫星在进入轨道前采用常规化学燃料,入轨后再开启电推进发动机。

电推进技术带给人的深刻印象来自两次卫星发射事故。2001年7月发射的欧洲阿特米斯卫星,由于发射故障未能进入预定轨道,在接下来的18个月用电推进系统进行轨道转移,成功到达预定轨道,首次证明了电推进系统具有超强的修复轨道错误的能力。

另一次是洛克希德——马丁公司在2010年8月发射卫星时发生意外,用两台电推进推力器花费14个月,完成了几乎全部的轨道转移任务。

“现在国内产品的基本性能和欧美国家相当,但从研制出样机到最后工程应用时间较长,国外已经大量成熟应用,我国现在才开始,和国外差十年。”张天平说。

电推进技术将大大提升中国在国际卫星市场的地位。特别在具有成本优势的情况下,促进中国航天事业自“科研型”向“市场型”的转变。

为什么要买中国卫星

相较化学剂推进,电推进的最大优势是节省推进剂,从而增加有效载荷、降低发射重量、延长卫星工作寿命。

中国卫通集团“中星10号”工程总师、“实践13号”工程副总师闵长宁告诉《瞭望东方周刊》,一颗5.5吨的通信卫星,通常化学燃料占3.1吨,如果采用电推进发动机,三四百公斤足矣,“维持卫星正常运转一年需要化学燃料55公斤,氙离子只需要5公斤。”

节约的重量和空间可以用来安装更多设备。通信卫星多安装转发器,可以显著增加经济效益;燃料系统如果可以维持更长的卫星在轨时间,又间接增加了卫星的经济效益。

一般来说,离子发动机的燃烧效率比常规化学发动机大约高10倍。这在专业术语上,就是所谓高比冲。

比冲是指火箭发动机单位重量推进剂产生的冲量,或单位重量、流量的推进剂产生的推力,又称比推力。对空间应用来讲,比冲是火箭发动机效率的最终体现。

动力系统一直是制约中国卫星走进国际市场的短板。“我国以往出口通信卫星大都依赖于国家间的友好关系。”张天平对本刊记者说。

现在国际卫星市场上份额最大的是美国,占有约50%,其次是俄罗斯。通信卫星在国际卫星市场中只占很少一部分,主体还是其他各类小卫星,“在通信卫星国际市场份额排名中,中国排第八位。”张天平说,美国的份额超过60%,欧洲也占有20%以上。

中国的通信卫星少量出售给一些第三世界国家,如委内瑞拉、尼日利亚等国。“和美国、欧洲一些大的卫星运营公司相比,目前我国通信卫星的竞争优势不明显。”张天平说。

选用中国卫星产品的国家,一方面出于友好关系,同时对通信卫星的容量要求不高,中国产品的通信能力能够满足需求。再者,中国采取微利模式,同性能产品具有价格优势。

当前国际市场上的通信卫星主要采用氙离子电推进系统和霍尔电推进系统。张天平解释说,二者同属于静电加速类型,只是在工作原理上有些差别。“离子电推进系统的放电、加速等几个过程分别独立,霍尔电推进系统中这几个过程是耦合在一起的。”

他认为,国际卫星市场上的竞争主要集中在有效载荷比与成本这两个方面。

在使用常规化学燃料的当下,中国的通信卫星平台只能安装50多个转发器,是混合推进技术的三分之二左右。

“‘东方红3B’卫星平台加载电推进系统后,已经比较接近国外电推进系统平台的性价比、载荷比。以后使用电推进技术的‘东方红5号’,性能要达到当前国际先进水平。”张天平说。

闵长宁则解释,目前国际市场上受欢迎的还是混合电推进技术的卫星,“通信卫星空间转移轨道时用化学推进剂,进入静止轨道后改用电推进,这能节省几百公斤的重量。全电推进的市场还不好,全电推进卫星转移轨道需要半年时间,影响卫星的运营。”

寿命更长的中国卫星

中国电推进技术研究在1967年始于中科院电工研究所。1978年,兰州空间技术物理研究所前身——航天五院510所制造的中国第一台新型离子电推进发动机试验机,获得国家科技进步一等奖。

这一阶段,美国、俄罗斯已处于电推进样机研制和飞行试验阶段。

不过,当时中国并没有注意到电推进技术的应用前景,此后电推进技术的研究进入萧条期。

在2012年10月14日成功发射的“实践9号”上,中国用两种电推进技术进行了在轨飞行测试。

作为中国卫星通信主要开拓者之一,总参通讯部原副部长、中国卫星应用大会主席杨千里对《瞭望东方周刊》说:“如果我们的卫星有了电推进技术,就相当于多了一重保险,并能节约一些燃料,别国就会愿意购买。”

张天平说,虽然开始对电推进技术的重要性认识程度不足,但正是在中国空间技术研究院参加国际竞标的过程中,发现电推进技术是竞标的基础条件,由此引起了特别重视。

他说,“实践9号”对电推进技术进行了首次飞行测试,不过“应用时间比较短,它主要验证了电推进技术在空间与地面之间性能的差异,以及对空间环境的适应性、与卫星的兼容性等方面”。

他解释说,“实践9号”属于搭载飞行,是新技术验证。当时共验证了20多项新技术,电推进技术只是其中之一,所以只能算是中国电推进技术的首次空间飞行试验。

中国空间技术研究院通过自筹资金,于2010年确定在“东方红3B卫星平台”上进行电推进技术应用实施。

所谓的“东方红3B”卫星平台,是基于这一平台系统,有一系列的卫星。

“实际上,‘东方红3B’最早立项时没有电推进技术,是中国空间技术研究院后来自己加进来的。通过它的研制,在电推进技术应用方面取得很好的进展。”张天平解释,“东方红3B”采用200毫米的氙离子电推进系统——电推进发动机的喷射口径为200毫米,这是电推进发动机动力大小与性能的具体体现。

截至目前,这一平台电推进技术地面试验已接近5000小时。

闵长宁说,采取“东方红3B”平台的“实践13号”通信卫星已定于2017年第一季度发射。
它将携带四台200毫米口径的氙离子电推进发动机,在轨寿命15年。为满足这个要求,携带的常规化学燃料减少了四五百公斤,有效载荷将增加40%。

自2000年开始,世界领域内卫星电推进技术和应用已进入扩展阶段。现在在轨的混合电推进动力的通信卫星超过百颗,未来两年,全电推进动力的卫星也要相继升空,美国、欧洲即将进入全电推进时代。

目前在研发的“东方红5号”对电推进发动机的要求是:工作总累计时间超过4.2万小时,开关机次数超过1.2万次。而美国的离子电推进系统地面试验寿命已超过5万小时。

在中国未来的空间电推进技术应用中,近地小行星探测、远深空探测、载人深空探测、空间太阳能电站轨道维持等都将是它的用武之地。

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padamsli 发表于 2015-1-2 15:23 | 显示全部楼层
本帖最后由 padamsli 于 2015-1-2 17:34 编辑

中国电推进系统将正式应用于航天器
http://finance.chinanews.com/ny/2015/01-02/6930047.shtml

中新社兰州1月2日电(南如卓玛魏建军)2日零时,由中国航天科技集团公司五院510所自主研制的中国首台200毫米离子电推进系统,地面寿命及可靠性试验验证累计工作时间达到6000小时,该试验证实了电推进系统可确保卫星在轨运行15年以上,将正式应用于“东方红三号B”卫星平台。

  电推进系统是五院510所在国内首家研制,该产品具有大幅减少推进剂燃料、操控更灵活、定位更精准、推进速度增量更高等优势,应用于通信卫星平台、深空探测航天器、重力场测量卫星等空间技术。

  五院510所所长张伟文接受中新社记者采访时介绍说,这标志着中国的高轨道卫星平台拥有了世界一流的离子火箭发动机。自此,首台200毫米离子电推进系统进入实用阶段,由科研正式转化为航天器型号产品。

  据张伟文介绍,在外太空环境下,电推进系统能彻底代替化学燃料为航天器整体“瘦身”,还能为走得更远的深空探测器提供主推力。

  1974年,地处西北兰州的五院510所在国内率先开始离子电推进系统研究,和美苏等欧洲国家“同时起步”。?

  “非常遗憾,这项研究从1987年之后处于停止状态长达10年左右,因为研究成果已超越了中国当时航天工程的现实需要,先进技术无用武之地。”张伟文介绍说,?直到20世纪90年代,?中国开始发展大容量卫星平台,该所的电推进系统研究进入了“追赶时代”。

  2013年12月25日开始,510所启动电推进系统在地面开展模拟外太空工作的1:1寿命与可靠性试验,截至2014年1月2日成功完成试验,累计工作6000小时,完成3000次开关机。

  电推进系统正式应用于航天器后带来的经济效益也十分可观,可大幅节省推进剂燃料,使卫星装载更多的有效载荷。
padamsli 发表于 2015-1-2 17:35 | 显示全部楼层
中国成功研制世界先进水平航天器“发动机”
http://news.xinhuanet.com/2015-01/02/c_1113853336.htm

   新华网兰州1月2日电(记者张文静、朱基钗)由中国航天科技集团公司五院自主研制电推进系统2日取得重要成果:电推进系统在试验中已突破6000小时,开关机3000次,具备确保该卫星在轨可靠运行15年的能力。

    这意味着中国的电推进系统已达到国际先进水平,将全面迈入工程应用阶段,满足中国通信卫星系列平台、高轨遥感平台、低轨星座以及深空探测器的发展需求。

    510所所长、电推进系统项目总指挥张伟文告诉记者,2013年12月25日,510所正式启动电推进系统地面长寿命考核试验,这是决定中国电推进系统正式应用于卫星型号的最重要试验。地面寿命考核试验是国际航天界解决电推进系统长寿命、高可靠问题的有效手段和通行做法。
    近年来,国际宇航界已形成普遍共识,没有电推进系统的卫星将缺乏竞争力。

    张伟文介绍,如同汽车的核心是发动机一样,推进系统是航天器的核心。与航天器用化学燃料排出炽热气体的推进方式相比,电推进技术则采用喷出带电粒子或离子的新方式,有大幅减少推进剂燃料、定位更精准等优势。

    张伟文说,电推进系统能大幅减少卫星和探测器上的燃料携带量,节省下的空间可携带更多有效载荷,实现经济利益最大化。以中国东方红四号通信卫星平台为例,该卫星上装有两个1400升的化学燃料贮箱;若采用电推进系统整星可节省80%的燃料。同时卫星将得到“瘦身”,一颗重量大约为4.8吨的通信卫星重量将减少到1.9吨。“当人类开展深空探测需要向更加遥远的火星、小行星、银河系边缘时,不可能携带大量燃料,电推进系统就是必然选择。”

    510所电推进技术研究室主任张天平说,电推进系统定位更精准。化学燃料的推力非常大,但到了外太空后,卫星处于微重力环境,需要微小推力,而推力较小的电推进系统就能满足精准定位与控制的要求。

    张伟文表示,510所从上世纪70年代就开始电推进技术研究。历经40余年时间,目前电推进技术已成熟,并于2012年10月14日搭载“实践九号A卫星”成功开展在轨飞行验证,飞行两年余时间,产品性能表现优异。

    如今,电推进系统已成为人类深空探测的重要手段,中国也不例外。在现有运载条件下比如不可能携带更多推进剂燃料,要进行更深更远的太空探测,电推进系统将是完成探测任务的必然选择。

    张伟文等科研人员透露,预计2015年底,搭载着上述电推进系统的中国新型通信卫星将待命出发。以此为起点,510所研制的电推进系统将在中国航天器上全面应用,这将大大提升中国通信卫星系列平台、深空探测航天器、重力场测量卫星等的整体技术水平及性能,进一步增强中国商业卫星的国际市场竞争力。
fly2014 发表于 2015-1-3 22:17 | 显示全部楼层
“预计2015年底,搭载着上述电推进系统的中国新型通信卫星将待命出发。”东三b平台卫星?
spacedog 发表于 2015-1-4 09:24 | 显示全部楼层
fly2014 发表于 2015-1-3 22:17
“预计2015年底,搭载着上述电推进系统的中国新型通信卫星将待命出发。”东三b平台卫星?

“……闵长宁说,采取“东方红3B”平台的“实践13号”通信卫星已定于2017年第一季度发射。……”
前面讲了兔子带电推的“实践13号”通信卫星将在2017年一季度首飞,后面又冒出来电推2015年底发射的消息,哪个是正确的?难道2015年这个居然是比计划提前的早产儿?
hand 发表于 2015-1-4 12:04 | 显示全部楼层
spacedog 发表于 2015-1-4 09:24
“……闵长宁说,采取“东方红3B”平台的“实践13号”通信卫星已定于2017年第一季度发射。……”
前面讲 ...


楼上的消息的确很矛盾,如果不是记者理解出现偏差的话。则可能存在两种型号的电推星星,个人瞎猜一个是全电的DHF4SP,东四全电星。另一个则是DHF3B混合电推(离子推进器只负责NSSK即南北位保)
楠宫晓风vn 发表于 2015-1-4 12:05 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
fly2014 发表于 2015-1-3 22:17
“预计2015年底,搭载着上述电推进系统的中国新型通信卫星将待命出发。”东三b平台卫星?

很可能是东4E,科技集团微信在说东4增强型平台结构强度测试的事
zhh894217 发表于 2015-1-4 12:20 | 显示全部楼层
本帖最后由 zhh894217 于 2015-1-4 12:36 编辑
spacedog 发表于 2015-1-4 09:24
“……闵长宁说,采取“东方红3B”平台的“实践13号”通信卫星已定于2017年第一季度发射。……”
前面讲 ...

今年底的是老挝一号,17年的是实践13,都是采用带电推的东3B平台
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等等,好像不对,老挝一号的东3B平台是否带电推不确定
喵科动物 发表于 2015-1-4 17:55 | 显示全部楼层
fly2014 发表于 2014-12-8 13:27
http://news.ifeng.com/a/20141208/42667999_0.shtml
中国卫星动力破局

全电星升轨要半年,是从GEO升近地点还是直接从LEO升上去?有没有多次穿越辐射带的问题?
ssizz 发表于 2015-1-4 19:20 | 显示全部楼层
喵科动物 发表于 2015-1-4 17:55
全电星升轨要半年,是从GEO升近地点还是直接从LEO升上去?有没有多次穿越辐射带的问题?

从GTO升到GEO要半年以上
陷阱 发表于 2015-1-4 19:50 | 显示全部楼层
喵科动物 发表于 2015-1-4 17:55
全电星升轨要半年,是从GEO升近地点还是直接从LEO升上去?有没有多次穿越辐射带的问题?

远征2号就可以直接送入geo轨道,不需要电推变轨,所以上面级很有前途
楠宫晓风vn 发表于 2015-1-4 19:52 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
zhh894217 发表于 2015-1-4 12:20
今年底的是老挝一号,17年的是实践13,都是采用带电推的东3B平台
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等等,好像不对,老挝一 ...

近日,中国航天科技集团公司五院东方红四号增强型平台工程星力学环境试验圆满完成。该平台是五院为适应我国快速提高的民商用等多领域通信卫星的能力需求,以及日益加剧的国际商业通信卫星市场竞争态势而自主投入开发的大中容量静止轨道卫星平台。该平台的开发和应用,将为提高我国通信卫星技术水平、提升国内通信卫星应用能力和实现整星商业出口起到重要作用。此次东四增强型平台工程星总装与力学环境试验任务的顺利完成,为后续业务卫星的正样研制奠定了良好的基础。

很可能是东4E……
shaolin1254 发表于 2015-1-5 10:37 | 显示全部楼层
中国首台电火箭研制成功
来源:人民网  日期:2015/01/05 字体:【大】【中】【小】

由中国航天科技集团公司五院510所自主研制的中国首台200毫米离子电推进系统2日取得重要成果:电推进系统在试验中已突破6000小时,开关机3000次,具备确保该卫星在轨可靠运行15年的能力。这意味着我国的电推进系统进入实用阶段,由科研正式转化为航天器型号产品。

由中国航天科技集团公司五院510所自主研制的中国首台200毫米离子电推进系统2日取得重要成果:电推进系统在试验中已突破6000小时,开关机3000次,具备确保该卫星在轨可靠运行15年的能力。这意味着我国的电推进系统进入实用阶段,由科研正式转化为航天器型号产品,性能已达到国际先进水平,满足我国通信卫星系列平台、高轨遥感平台、低轨星座以及深空探测器的发展需求。

510所所长、电推进系统项目总指挥张伟文告诉记者,2013年12月25日,510所正式启动电推进系统地面长寿命考核试验,这是决定我国电推进系统正式应用于卫星型号的最重要试验。

张伟文介绍,如同汽车的核心是发动机一样,推进系统是航天器的核心。与航天器用化学燃料排出炽热气体的推进方式相比,电推进技术则采用喷出带电粒子或离子的新方式,有大幅减少推进剂燃料、定位更精准、推进速度增量更高等优势,应用于通信卫星平台、深空探测航天器、重力场测量卫星等空间技术。

张伟文说,电推进系统能大幅减少卫星和探测器上的燃料携带量,节省下的空间可携带更多有效载荷,实现经济利益最大化。以我国东方红四号通信卫星平台 为例,该卫星上装有两个1400升的化学燃料贮箱;若采用电推进系统整星可节省80%的燃料。同时卫星将得到“瘦身”,一颗重量大约为4.8吨的通信卫星 重量将减少到1.9吨。“当人类开展深空探测需要向更加遥远的火星、小行星、银河系边缘时,不可能携带大量燃料,电推进系统就是必然选择。”

http://www.spacechina.com/n25/n144/n206/n214/c825823/content.html
喵科动物 发表于 2015-1-5 17:19 | 显示全部楼层
ssizz 发表于 2015-1-4 19:20
从GTO升到GEO要半年以上

近地点从几百公里提升上去也要多次过辐射带吧?或者打GTO的时候把近地点打的稍高一点?
Nighthawk 发表于 2015-1-5 17:54 | 显示全部楼层
shaolin1254 发表于 2015-1-5 10:37
中国首台电火箭研制成功
来源:人民网  日期:2015/01/05 字体:【大】【中】【小】

4.8t-->1.9t,有这么显著吗?是不是delta M=1.9t?
ssizz 发表于 2015-1-5 17:59 | 显示全部楼层
本帖最后由 ssizz 于 2015-1-5 18:13 编辑
Nighthawk 发表于 2015-1-5 17:54
4.8t-->1.9t,有这么显著吗?是不是delta M=1.9t?

我觉得这说的是卫星平台加一半载荷的质量。也就是同样300kg有效载荷,平台质量从4500减少到1600kg,这很正常,光推进剂都能减少近2.5吨,相应的结构重量也会大幅减轻。
ssizz 发表于 2015-1-5 18:02 | 显示全部楼层
喵科动物 发表于 2015-1-5 17:19
近地点从几百公里提升上去也要多次过辐射带吧?或者打GTO的时候把近地点打的稍高一点?

不知道你说的多次过辐射带是啥意思
射的时候还是标准的GTO,以后可能流行射到1500m/s to GEO
cmj9808 发表于 2015-1-5 19:46 | 显示全部楼层
ssizz 发表于 2015-1-5 18:02
不知道你说的多次过辐射带是啥意思
射的时候还是标准的GTO,以后可能流行射到1500m/s to GEO

位于GTO的卫星每个轨道周期要来回穿越两次范氏带,所以抬升近地点的耗时越久,穿越范氏带的次数越多。

喵科动物 发表于 2015-1-6 03:02 | 显示全部楼层
cmj9808 发表于 2015-1-5 19:46
位于GTO的卫星每个轨道周期要来回穿越两次范氏带,所以抬升近地点的耗时越久,穿越范氏带的次数越多。

...

一般穿一次折合平常多长时间的剂量,能屏蔽的部分靠屏蔽是否保护的住?
cmj9808 发表于 2015-1-6 11:43 | 显示全部楼层
喵科动物 发表于 2015-1-6 03:02
一般穿一次折合平常多长时间的剂量,能屏蔽的部分靠屏蔽是否保护的住?

这个真不知道。下个月波音的全电双星发射后可能会有相关信息报道
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