地月及深空探測先進電推進技術的發展

吳辰宸,耿海,王紫桐,李得天,*

1.蘭州空間技術物理研究所,蘭州 730000 2.真空技術與物理重點實驗室,蘭州 730000 3.甘肅省空間電推進技術重點實驗室,蘭州 730000

1 引言

電推進(electric propulsion,EP)是一種將電能高效轉化為動能的先進宇航動力技術,其工作原理是利用電能將推進劑原子電離產生等離子體,再利用電場/磁場加速等離子體產生推力。根據工作原理,電推進可分為電熱式、靜電式、電磁式三大類,高比沖是電推進最顯著的技術特點,應用電推進可大幅降低航天器的推進劑攜帶量,進而提高荷載比[1]。

當前,電推進已廣泛應用于近地軌道通信導航衛星、遙感衛星和科學試驗衛星,主要執行位置保持、軌道維持和大范圍軌道轉移等動力任務。截至目前,中國已在軌應用或計劃應用的電推進產品主要覆蓋離子電推進、霍爾電推進、脈沖等離子體電推進、液滴式電推進4種類型。其中,離子電推進在高軌領域優勢明顯,霍爾電推進在中低軌和商業航天領域效益顯著。

總體上看,中國近地軌道航天器應用電推進技術較為成熟,在地月及深空探測領域應用電推進仍處于起步階段。為推動電推進技術在地月及深空探測領域實現廣泛應用,本文結合國際上基于電推進的地月及深空探測典型任務,分析深空探測任務的使命特點及電推進的應用效益,針對5種典型場景介紹了電推進優化應用策略,給出了在地月及深空探測領域發展和應用電推進技術的參考建議。

2 基于電推進的地月及深空探測任務

2.1 美國

1998年10月,“深空1號”(Deep Space-1/DS-1)探測器發射升空[2-3],這是人類首次應用電推進開展深空探測活動。探測器采用NSTAR離子電推進作為主推進器,完成了軌道轉移任務和部分俯仰、偏航控制任務,成功實現多目標(小行星+彗星)探測,該探測器于2001年12月壽命耗盡。整個任務周期NSTAR離子電推進系統共消耗82kg氙推進劑,提供4.5km/s的速度增量。

2007年9月,首個主帶小行星探測器“黎明號”(Dawn)啟程[4],開展灶神星和谷神星兩顆小行星環繞探測任務,采用優化后的NSTAR離子電推進系統作為主推進器,創造了最長在軌工作時間(超過55000h)和最豐富的工作模式(112個工作點)兩項紀錄,僅消耗450kg推進劑實現了11km/s的速度增量(采用化學推進實現相同的速度增量需消耗6500kg推進劑)?！袄杳魈枴比蝿盏某晒Τ浞肿C明了離子電推進在長周期、高速度增量任務中的獨特價值,黎明號探測器概念圖如圖1所示。

圖1 “黎明號”探測器Fig.1 DAWN

2022年9月,世界上首個行星防御計劃“雙小行星重定向測試(DART)”[5]成功撞擊小行星,任務應用了目前在軌功率最高(6.9kW)的NEXT-C離子電推進系統。

2022年11月,月球冰立方探測器(Lunar IceCube)和月球極區氫繪圖儀(LunarH-Map)搭載“阿爾忒彌斯號”(Artemis I)成功發射[6-7],任務分別是探測月球表面水資源和探測月球水冰深度和分布。兩顆立方星體積均為6U(1U=10cm×10cm×10cm),質量約14kg,主推進都采用BIT-3碘工質射頻離子電推進。而原計劃一同發射的NASA環月空間站“門戶”(Gateway)延后至2024年發射[8],“門戶”能夠為載人月球和更遠的載人火星任務、其他科學探測任務提供便利?！伴T戶”明確采用大功率霍爾電推進簇(2個13kW的AEPS霍爾電推進和4個6kW的BHT-6000霍爾電推進)執行軌道維持和大范圍軌道轉移任務,要求工作壽命15年,且具備推進劑在軌補加能力,“門戶”概念圖如圖2所示。

圖2 “門戶”Fig.2 Gateway

“賽姬”(Psyche)是美國一項低成本小行星探測任務[9],預計2023年底發射,計劃采用SPT-140霍爾電推進,執行行星際軌道轉移、觀測軌道維持和巡航期動量管理等任務,要求推進劑消耗量控制在1030kg以內。任務實施后,“賽姬”將是首個應用霍爾電推進開展地月以外深空探測的探測器。

2025年,美國計劃發射CAESAR[10]彗星取樣返回探測器,該探測器擬采用三臺NEXT-C離子電推進成簇執行姿態實時調整任務,同時保證太陽電池陣產生足夠功率和樣品處于低溫環境,任務要求電推進壽命不少于13年。

面向載人火星任務,美國計劃使用電推進和化學推進作為組合動力[11],其中電推進主要負責地-火段軌道轉移,擬采用1.9MW核電推進系統,由20臺100kW霍爾電推進組成(18臺同時工作,2臺備份)。

2.2 歐洲

2006年6月,首個應用電推進的月球探測器“智慧1號”(SMART-1)成功撞月[12],結束了為期3年的任務。探測器采用PPS-1350霍爾電推進系統,也是迄今為止唯一應用霍爾電推進的深空探測任務。

2018年,“貝皮-科倫布”(Bepi-Colombo)水星探測器首次應用電推進開展內行星探測[13]。探測器采用T6離子電推進系統,發揮了離子電推進連續變推力功能,通過“持續剎車”模式抵近水星,規避了采用化學推進快速抵近可能引發的“彈射”風險。

歐空局和NASA正在共同推進火星采樣返回任務(ExoMars),預計2026年發射首顆探測器,歐空局負責研制地球返回軌道器(Earth Return Orbiter,ERO)[14],計劃采用電推+化推混合動力,電推進動力擬采用7.5kW的RIT-2X射頻離子電推進,ERO概念圖如圖3所示。

圖3 地球返回軌道器Fig.3 ERO

2.3 日本

“隼鳥1號”(Hayabusa)是人類首次成功實施的太空采礦任務[15-16],也是首個基于電推進的采樣返回任務,采用μ-10微波離子電推進系統完成了60億千米航程主推進任務,在化學燃料泄露的故障條件下,依靠電推進完成了主要探測使命。2014年,“隼鳥2號”(Hayabusa-2)成功發射[17],開展“龍宮”小行星探測與采樣返回任務,仍然采用μ-10微波離子電推進執行軌道轉移、往返和高精度姿態控制任務,電推進運行總時長約40000h。2020年,探測器成功返回地球軌道并釋放樣本艙,由于推進劑仍有余量,“隼鳥2號”將繼續開展1998KY26小行星探測任務。與“隼鳥2號”一同發射的還有1顆50kg級微型深空探測器PROCYON[18],應用0.3mN的μ-1微波離子電推進系統,雖然最終因故障導致任務失敗,但為基于微納衛星開展低成本太空探索提供了新思路,“隼鳥2號”總裝狀態如圖4所示。

圖4 “隼鳥2號”探測器Fig.4 Hayabusa 2

2.4 中國

中國計劃于2025年發射首顆應用電推進的深空探測器“天問2號”(Tianwen-2)[19],任務預計共耗時10年?！疤靻?號”探測器主要使命是開展2016HO3小行星探測及采樣返回和主帶彗星探測,探測器采用LIPS-300S多模式離子電推進系統執行主帶彗星轉移和高精度抵近任務[20],降低對行星引力輔助的依賴,使發射窗口期更為靈活。

2.5 小結

總結國際上已開展和計劃開展的地月及深空探測任務,見表1,可以看出,電推進在地月及深空探測領域應用具有以下特點:

表1 地月及深空探測任務情況總覽Table 1 Overview of cislunar and deep space exploration missions

1)提供極高的速度增量/推進劑消耗比。與化學推進相比,電推進高比沖的技術特點能夠以低一個量級的推進劑消耗量提供相同的速度增量,以1500kg月球探測器為例,完成總速度增量300m/s的任務,化學推進(235s)需要消耗推進劑183.1kg,電推進(比沖3200s)則只需消耗推進劑14.3kg,僅為化學推進的十分之一。能夠支撐多目標天體探測、行星際軌道轉移等任務在較高容錯度下開展。

2)實現高精度抵近。電推進推力精確(毫?；蛭⑴＜?、連續可調節的技術特點,能夠執行高精度的姿態控制和軌道調整等任務。

3)長時間巡航能力。電推進的壽命一般是在10000h以上,且在長壽命下具有較高的可靠性,能夠滿足主帶小行星探測、彗星探測等遠距離探測器動力系統長期運行的需求。

4)多任務剖面。多模式電推進能夠根據任務特點靈活調節比沖、推力等工作參數,以滿足深空探測器巡航、探測軌道轉移與維持、探測器姿態控制等不同任務要求。

5)靈活的窗口期。使用電推進的航天器能夠降低對行星輔助的依賴,不受窗口期制約;而使用化學推進的航天器,受攜帶燃料重量限制必須依賴行星引力輔助,窗口搜索的約束條件較多。

6)電推進技術體制與任務具有適配性。高比沖多模式離子電推進更適用于任務周期長、剖面復雜的任務,如“行星+彗星”探測、火星以遠探測等;大推功比的霍爾電推進更適用于對任務時間要求更高的任務,如月球空間站部署、地球-火星貨運往返、載人深空探測等。

7)任務周期長。由于電推進推力很小,通常在毫牛量級,執行相同任務需要較化學推進付出更高的時間代價。因此,電推進不適用于對任務時間有嚴格約束的任務。

3 任務展望及應用需求

地月及深空探測較為典型的任務場景主要有月球探測、小行星探測、載人火星探測、太陽系邊際探測、地月空間科學探測,對電推進的應用需求不盡相同,下面將針對典型場景分析電推進應用需求與應用策略,并給出后續發展重點建議。

3.1 月球探測

(1)應用需求與策略

中國月球探測任務的使命正在向深化研究和資源開發利用轉變[21],重點開展科學探測和載人月球關鍵技術攻關,主要任務有地月空間航天器大范圍軌道轉移和重復往返、月球軌道空間站長期軌道維持等[22-23],對推進系統提出了大推力(牛級推力)、高比沖(2500s以上)、高可靠、高功率密度(優于0.4kW/kg)、長期在軌工作(>2年)、具有一定技術成熟度(短期內實現應用)等新要求。

針對上述要求,重點考慮霍爾電推進和磁等離子體推進(MPDT)兩種技術體制?；魻栯娡七M可以選擇超大功率單弦或大功率成簇(圖5)兩種應用模式,中國大功率霍爾電推進已經突破百安培大電流空心陰極、高密度高能量等離子體電磁調控、低溫高密度超臨界多工質貯存、熱穩態條件性能測試診斷等關鍵技術,上?？臻g推進研究所研制了20kW、100kW兩款霍爾電推進產品,首次實現了牛級電推力器成功點火;蘭州空間技術物理研究所研制了12.5kW、50kW、100kW三款霍爾電推進產品,率先完成了100kW級大功率霍爾電推進地面測試(見圖6),實測推力達到4.6N,比沖超過5100s,性能指標比肩國際先進的美國X3霍爾電推進。

圖5 大功率霍爾電推進成簇示意Fig.5 Cluster of high-power Hall thruster

北京控制工程研究所牽頭與中國科學院合肥物質研究院、中國科學技術大學等單位聯合開發了國際上首個集成式150kW級MPDT[24],采用超導線圈將中心磁感應強度提升至1T以上(采用銅線圈時中心磁感應強度只能達到0.4T),150kW額定功率下最大推力達到4N、比沖5714s、效率76.6%,MPDT結構示意見圖7,地面性能測試照片見圖8。

圖7 150kW級MPDT結構示意Fig.7 Structure of 150kW-class MPDT

圖8 150kW級MPDT在不同磁感應強度下的性能Fig.8 Performance of 150kW-class MPDT ignition under different magnetic fields

(2)后續發展重點

重點突破系統集成、壽命提升、在軌可更換可補加、基于模型的壽命評估等關鍵技術,加快推動大功率霍爾電推進系統、磁等離子體推進系統產品研制與在軌驗證,實現飛行應用。

當前,亟需突破的單機級關鍵技術有[25]:①高熱流密度散熱與防護;②放電通道刻蝕抑制技術;③低溫工質長期在軌貯存;④大流量氣體均勻性分配;⑤高可靠大電流電極結構設計;⑥基于模型的壽命評估技術。亟需突破的系統級關鍵技術有:①高性能輕量化大功率PPU技術;②面向在軌更換與重構的系統架構;③大功率電推進系統長壽命設計與驗證。月球探測用大功率電推進技術發展展望如圖9所示。

圖9 月球探測用大功率電推進技術發展展望Fig.9 Prospects of high-power EP technology for lunar exploration

3.2 小行星探測

(1)應用需求與策略

小行星探測任務主要特點有[26-27]:①探測目標多,速度增量大,需要應用高比沖推進系統結合行星引力輔助技術完成軌道轉移;②動力任務多樣,包括繞飛、附著和采樣返回等,需要推進系統具備多種模式以適應復雜任務剖面;③小行星引力場微弱且動力環境復雜,要求推進系統具有足夠的推力精度,實現高精度抵近。因此,具有多模式(寬功率范圍多工作點)、推力精確可調(μN級分辨率)、高總沖(≥9×106N·s)、長壽命(≥20000h)等特征的先進電推進技術在小行星探測領域優勢顯著。

在“天問2號”小行星探測任務的牽引下,蘭州空間技術物理研究所突破了放電均勻性提升與濺射多余物抑制、束流寬范圍適應性長壽命柵極組件優化設計等關鍵技術,研制了滿足中國小行星探測任務需求的長壽命多模式LIPS-300S離子電推進系統[20],與國際同類先進產品(NSTAR)相比,性能得到全面拓展(見圖10)。LIPS-300S離子電推進的模式點還可按需拓展,滿足其他小行星或彗星探測任務的應用需求。

圖10 LIPS-300S與NSTAR性能對標情況Fig.10 Performance of LIPS-300S and NSTAR

(2)后續發展重點

重點發展長壽命多模式離子電推進技術,針對小行星探測任務超長壽命、任務剖面復雜、測控難度大的特點,突破離子電推進多工作模式與任務匹配性驗證、長壽命設計與仿真驗證、長壽命下的可靠性提升與評價、自主穩定運行等關鍵技術,將電推進壽命提升至50000h以上。長壽命多模式離子電推進發展展望如圖11所示。

圖11 長壽命多模式離子電推進發展展望Fig.11 Prospects of long-lifetime and multi-mode ion thruster

3.3 載人火星探測

(1)應用需求與策略

中國載人火星探測還處于方案論證階段,采用核電推進執行載人火星任務是其中一種可行的技術路線[28]。核電推進可提供MW級電能,能夠支撐推進系統同時實現大推力(數十牛)和高比沖(4000～10000s),載人往返任務的安全性還需要推進系統具備長壽命(2～10年)和極高可靠性。

MW級核電推進可以采用百千瓦級霍爾電推進成簇、高功率密度電磁推進兩種技術路線實現。中國一些研究單位已提前布局并啟動了高功率密度先進電磁推進技術研究,牽引了基于旋轉磁場的等離子體高效加速(FRPT)等關鍵技術攻關,為新體制空間核電推進系統開發儲備了核心技術。FRPT地面測試如圖12所示。

圖12 FRPT放電照片Fig.12 Photo of FRPT ignition

(2)后續發展重點

重點深化論證核電推進技術方案,制定我國空間核電推進技術發展路線圖,依托空間核電源和大功率電推進兩大核心技術優勢單位,開展系統方案設計和關鍵技術攻關,加快大功率霍爾、高功率密度電磁推進等多種技術體制的核電推進系統級聯試,同步規劃核電推進系統在軌驗證,為實施載人火星探測奠定技術基礎。

建議優先突破的關鍵技術有:①大功率電磁推進拓撲結構設計;②大功率脈沖電源系統和控制技術;③大功率電磁推進地面試驗驗證技術;④超大容量推進劑貯存與供應技術。核電推進系統級關鍵技術有:①大功率長壽命電推進技術;②大功率電源處理單元技術;③大流量高精度貯供單元技術;④輕質空間大功率熱排放技術;⑤電推進成簇抗干擾運行技術。核電推進技術發展展望見圖13。

圖13 核電推進技術發展展望Fig.13 Prospects of nuclear electric propulsion technology

3.4 太陽系邊際探測

(1)應用需求與策略

太陽系邊際探測是空間科學的國際前沿領域,探測過程飛行距離遠、任務周期長、探測環境未知多變、能源與動力要求高,實施難度極大[29-30]。由于太陽系邊際探測任務周期很長(飛行時間>10年),建議選用近期可具備應用條件的長壽命電推進技術;為提高整體效益,太陽系邊際探測可設置為多目標探測任務,需要推進系統具備超高比沖(≥6000s)、變推力連續調節等技術特點;考慮到遠距離飛行測控難度大,還需發展智能自主運行能力。

針對太陽系邊際探測任務對電推進的應用新需求,蘭州空間技術物理研究所突破了雙級加速及離子束穩定控制、微牛級推力分辨率連續調節、基于神經網絡的推力寬范圍自主調節等關鍵技術,完成了超高比沖技術地面測試,氙工質最高比沖達到10076s;研制了連續變推力離子電推進飛行產品LIPS-100,推力調節分辨率優于13μN,達到國際先進水平,即將開展在軌驗證。

(2)后續發展重點

離子電推進工作時序相對獨立、參數可解耦,在智能化方面具有優勢,應重點開展智能電推進和超高比沖電推進交叉創新,加快突破智能電推進體系架構設計、任務適應性分析與應用策略優化、智能算法設計與組件開發等關鍵技術,不斷提高離子電推進比沖和智能自主運行水平。智能電推進和超高比沖電推進發展展望如圖14所示。

圖14 智能電推進和超高比沖電推進發展展望Fig.14 Prospects of intelligent EP and ultra-high specific impulse EP

3.5 地月空間科學探測

(1)應用需求與策略

地月空間科學探測是驗證先進探測載荷、儲備復雜空間科學探測關鍵新技術的重要手段?；诘统杀?、高功能密度先進立方星開展商業化地月空間科學探測是重要的發展趨勢[31]。目前,典型的地月空間探測的任務主要有月球水冰資源探測、環月通信系統建立、環月礦產資源觀測與分析等,對推進系統提出低能耗、高集成度等要求。

針對地月空間商業化探測應用新需求,中國研制了多種技術體制的集成式電推進產品。例如,蘭州空間技術物理研究所研制的可變功率LHT-40霍爾電推進系統,功率100～300W可調節,具備電推/冷氣雙推進模式,特別適用于微小探測器,已實現在軌飛行;北京控制工程研究所研制了300W功率HEP-40MF霍爾電推進系統,推力10mN、比沖1200s,于2022年完成低軌衛星升軌任務,軌道提升近300km;中國科學院微電子所研制了面向微小衛星的碘工質射頻離子電推進系統,于2022年搭載“天啟19星”實現在軌驗證,國內首次實現碘工質電推進系統在軌穩定工作;蘭州空間技術物理研究所研制的LRIT-30射頻離子電推進系統,功率50～80W,推力0.5～1.1mN,特別適用于微納環月探測器,已進入工程樣機研制階段;中國科學院力學所以空間引力波探測項目“空間太極計劃”對推進系統提出的微牛級推力高精度控制需求[32]為牽引,研制了集成化射頻離子電推進系統μRIT-1,已于2019年搭載“太極一號”完成在軌驗證;國防科技大學研制的脈沖等離子體電推進(PPT)于2019年搭載“靈鵲1A”衛星實現在軌飛行;北京機械設備研究所面向立方星高精度姿態調整、軌道轉移、末期離軌任務,研制了離子液體電噴霧電推進系統,于2019年搭載TY-11衛星完成多次在軌點火試驗,性能滿足應用需求[32]。

(2)后續發展重點

適用于微小探測器的集成化電推進應堅持“百花齊放”的發展思路。一方面,持續提升低功率集成式離子、霍爾產品成熟度,增加飛行履歷,優化應用策略;另一方面,與功能性記憶材料、3D打印和微納制造等前沿成果開展交叉融合創新,發展以納米電極陣列為代表的新型高精度微電推進技術。微電推進技術發展展望如圖15所示。

圖15 微電推進技術發展展望Fig.15 Prospects of micro electric propulsion

4 發展建議

本文總結了電推進在地月及深空探測任務中的應用特點和效益,面向5種典型任務分析了動力需求和電推進應用策略,給出了不同功率層次、不同技術體制的電推進技術后續發展重點和應用前景分析(見表2)。聚焦地月及深空探測新需求,按照“一中一超一微”的發展思路,具體建議如下:

表2 電推進在地月及深空探測中的應用方向Table 2 Application directions of EP in the cislunar and deep space exploration mission

(1)夯實中功率電推進技術基礎

中功率電推進的發展重點聚焦在離子、霍爾兩種技術路線,重點針對放電振蕩、壽命評估、長壽命下的可靠性保證等工程難題背后的機理開展研究;構建多物理場耦合的電推進精細理論模型,指導設計思路創新和設計方法優化;發揮電推進參數調節策略靈活豐富的技術優勢,與智能算法等新技術開展交叉創新,提升電推進智能化水平,助力中國中功率電推進在2025年前后達到國際領先水平。

(2)推動大功率電推進交叉創新

建議大功率電推進遵循電磁式技術路線方案創新和霍爾式技術路線改進創新同步發展的思路,探索并掌握高密度磁等離子體高效加速方法、基于特定電磁構型的等離子體約束與加速機制,不斷提升大功率電磁推進技術水平;應用高溫超導材料、新型熱控等技術開展交叉創新,解決特斯拉級強磁場實現、高熱流熱防護等超大功率電推進特有的難題,加快打通制約大功率電推進工程化的瓶頸。

(3)強化微小功率電推進集成創新

建議微小功率電推進堅持“百花齊放”的發展思路,掌握微尺度等離子體輸運特性及其穩定性控制等科學規律,提出高精度微電推進系統新技術方案,基于微納制造等前沿創新成果開展一體化集成創新,解決高集成度、高功能密度、微流率精細控制等微電推進技術難題。