小功率電推進已成為最有技術(shù)競爭力的小衛(wèi)星應(yīng)用的推進系統(tǒng)選擇。在總結(jié)美國、俄羅斯、歐洲、日本等國家離子、霍爾、電熱、PPT、FEEP 等小功率電推進技術(shù)發(fā)展和小衛(wèi)星應(yīng)用情況的基礎(chǔ)上，從軌道轉(zhuǎn)移、大氣阻尼補償、位置保持、姿態(tài)控制、編隊飛行等任務(wù)方面分析了小衛(wèi)星對電推進系統(tǒng)的需求和應(yīng)用電推進的必要性及可行性，針對小衛(wèi)星主要任務(wù)需求分別提出了10 W、100 W和500 W級小功率電推進技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用方面的具體建議。

引言

　　低成本、短周期、高性能是發(fā)展小衛(wèi)星的主要動力，目前已經(jīng)應(yīng)用的小衛(wèi)星及星座包括通信、遙感、觀測、科學(xué)試驗、技術(shù)驗證等。廣義小衛(wèi)星重量為500 kg以下，狹義小衛(wèi)星重量為100～500 kg，文章小衛(wèi)星定義重量為100～1 000 kg、功率為100～1 000 W。大多數(shù)小衛(wèi)星需要推進系統(tǒng)完成阻尼補償、軌道升降、位置保持、姿態(tài)控制、編隊飛行、發(fā)射誤差修正等任務(wù)，并且隨著小衛(wèi)星使命增強和工作壽命延長變得更加必要。

　　推進系統(tǒng)一般占航天器總重量的10%～50%，小型化高性能的空間推進系統(tǒng)是小衛(wèi)星降低重量、提高性能的主要技術(shù)支撐。過去的小衛(wèi)星主要應(yīng)用冷氣和化學(xué)推進系統(tǒng)，但隨著具有微推力、高效率、高比沖、長壽命、推力可控等特點的電推進技術(shù)發(fā)展，小功率電推進已成為最有技術(shù)競爭力的小衛(wèi)星推進系統(tǒng)選擇。文章在總結(jié)國外小功率電推進技術(shù)發(fā)展和小衛(wèi)星應(yīng)用情況的基礎(chǔ)上，分析了小衛(wèi)星對電推進系統(tǒng)的需求及應(yīng)用必要性和可行性，提出了小功率電推進技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用方面的建議。

1、國外小功率電推進的發(fā)展與應(yīng)用

1.1、小功率電推進發(fā)展

　　在傳統(tǒng)電熱、靜電和電磁電推進及新型電推進技術(shù)中，小功率電推進可以分為兩類：一類是具有內(nèi)在小功率(小型化)特性的，如場發(fā)射(FEEP)、脈沖等離子(PPT)、MEMS、膠體(CT)等電推進；另一類是可以實現(xiàn)小型化的電推進，包括離子(IT)、霍爾(HT)、微型電熱(MET)等電推進。小功率電推進技術(shù)研究和產(chǎn)品研制主要集中在航天發(fā)達國家，包括美國、俄羅斯、歐洲、日本等，表1列出了離子、霍爾、微型電熱、PPT、FEEP等小功率電推進典型產(chǎn)品的主要性能和成熟度，MEMS、膠體和其他類型小功率電推進，由于技術(shù)和產(chǎn)品成熟度較低，或其功率不在文章關(guān)注范圍內(nèi)而沒有列入。目前，小功率離子電推進性能覆蓋范圍為功率10～500 W、推力0.5～20 mN、比沖1 400～5 000 s，小功率霍爾電推進為70～900 W、3～44 mN、800～2 000 s，小功率電熱電推進為50～750 W、20～400 mN、100～800 s，PPT電推進為5～200 W、0.1～6 mN、1 000～2 000 s，F(xiàn)EEP電推進為5～80 W、0.02～1.2 mN、4 000～12 000 s。離子電推進的小功率化發(fā)展比霍爾電推進更好，特別是射頻和微波離子電推進已經(jīng)實現(xiàn)了與PPT和FEEP等電推進的性能交疊。

表1 小功率電推進產(chǎn)品性能與成熟度

1.2、國外小衛(wèi)星應(yīng)用電推進情況

　　早期衛(wèi)星質(zhì)量都比較小，而電推進試驗和應(yīng)用又開始于1970年，所以在統(tǒng)計上不列入小衛(wèi)星電推進應(yīng)用范圍。表2給出了1999年以來小衛(wèi)星電推進應(yīng)用情況。目前已經(jīng)實現(xiàn)或正在實施的小衛(wèi)星電推進應(yīng)用包括無拖曳控制、大氣阻尼補償、軌道維持、姿態(tài)控制等，其中無拖曳控制和大氣阻尼補償主要是離子電推進，軌道維持主要是霍爾電推進和電熱電推進，姿態(tài)控制主要是PPT電推進。

表2 小衛(wèi)星電推進應(yīng)用情況

2、小衛(wèi)星應(yīng)用電推進的建議

2.1、小功率電推進技術(shù)發(fā)展建議

　　(1)在100～500 W功率范圍內(nèi)，應(yīng)優(yōu)先發(fā)展性能指標如表8所列的離子和霍爾兩種類型電推進，以滿足地球軌道大氣阻尼補償(含無拖曳控制)、軌道維持和位置保持、部分軌道轉(zhuǎn)移、部分編隊飛行等需求，其中離子電推進具有較大范圍功率連續(xù)調(diào)節(jié)能力可滿足無拖曳控制需求；

　　(2)在10～100 W功率范圍內(nèi)，應(yīng)優(yōu)先發(fā)展離子、PPT、電熱等三種類型電推進，具體性能指標如表8所列，以滿足軌道維持、姿態(tài)控制、高軌道無拖曳控制等需求，其中離子電推進主要為微波或射頻類型；

　　(3)在10 W 以下功率范圍，應(yīng)優(yōu)先發(fā)展PPT、CT兩種類型電推進，主要滿足微、納衛(wèi)星姿態(tài)控制、無拖曳控制、軌道維持等需求，具體性能指標如表8所列。建議發(fā)展CT而不是發(fā)展FEEP的主要原因為：膠體推力器高效、寬比沖工作，無壽命衰減、推進劑污染問題，F(xiàn)EEP高電壓需求、金屬推進劑污染等決定了其不具備工程應(yīng)用競爭力。

2.2、小衛(wèi)星應(yīng)用電推進建議

　　電推進具有比沖高、推力小、系統(tǒng)相對復(fù)雜、性能調(diào)節(jié)方便、需要電功率源等特點，但并不是所有的航天器都適合應(yīng)用電推進，例如快速機動要求用電推進就難以滿足。小衛(wèi)星應(yīng)用電推進要遵循的基本原則包括：能用傳統(tǒng)推進完成的就不用電推進，能用簡單電推進完成的就不用復(fù)雜電推進，應(yīng)用電推進要經(jīng)過飛行試驗驗證，針對具體使命用好電推進要從小衛(wèi)星方案設(shè)計階段做起。對小衛(wèi)星應(yīng)用電推進的主要建議包括：

　　(1)重力梯度衛(wèi)星、超靜平臺等衛(wèi)星的無拖曳控制需要連續(xù)、快速可調(diào)的推力輸出，并且有長期工作的壽命要求，目前只有離子電推進可以最有效的滿足這一需求；

　　(2)隨著LEO 軌道小衛(wèi)星的工作壽命不斷延長，完成軌道維持需要的推進劑量成為重要影響因素，應(yīng)用高性能電推進的效益將變得非常可觀。反過來看，應(yīng)用電推進將成為延伸衛(wèi)星工作壽命的最有效手段；

　　(3)部分科學(xué)試驗(如電離層環(huán)境測量)衛(wèi)星需要軌道高度連續(xù)變化，部分觀測衛(wèi)星需要軌道傾角連續(xù)變化以覆蓋地球表面更大范圍，這些使命需求正好與電推進的小推力、長期連續(xù)工作特性相對應(yīng)，高比沖特性同時帶來節(jié)省大量推進劑的效益；

　　(4)多星發(fā)射下的星座展開、激光干涉儀空間天線等的編隊飛行都需要高性能的推進系統(tǒng)，不僅速度增量需求大，而且要求能夠兼顧衛(wèi)星展開、軌道保持(間距維持)、壽終離軌等機動，離子和霍爾電推進是最好的選擇；

　　(5)僅單獨配置姿態(tài)控制電推進似乎過于昂貴，除非技術(shù)上必要。小衛(wèi)星姿態(tài)控制應(yīng)盡量與軌道控制電推進系統(tǒng)兼顧使用，或者組合配置姿態(tài)控制和軌道控制電推進系統(tǒng)，如PPT和μPPT的組合；

　　(6)小速度增量需求和轉(zhuǎn)移周期不受限制的小衛(wèi)星軌道轉(zhuǎn)移使命應(yīng)用離子或霍爾電推進，不僅具有可實現(xiàn)性，而且能夠帶來明顯效益。對大速度增量需求和轉(zhuǎn)移周期受限制的小衛(wèi)星軌道轉(zhuǎn)移，采用化學(xué)推進和電推進優(yōu)化組合方法是可行的途徑。

3、總結(jié)

　　小衛(wèi)星應(yīng)用電推進的優(yōu)點包括減輕重量、提高精度、擴展使命等，針對小衛(wèi)星應(yīng)用需求，國外除了繼續(xù)發(fā)展PPT、FEEP等傳統(tǒng)小功率電推進外，在離子、霍爾、電熱等電推進的小功率化方面已經(jīng)取得很大進展，實現(xiàn)了小衛(wèi)星不同使命下的多種類型電推進的應(yīng)用。

　　為滿足小衛(wèi)星發(fā)展和應(yīng)用需求，應(yīng)優(yōu)先發(fā)展100～500 W功率范圍的離子和霍爾電推進技術(shù)、10～100 W 功率范圍的PPT 和離子電推進技術(shù)、10 W以下功率范圍的PPT和CT電推進技術(shù)。小衛(wèi)星發(fā)展規(guī)劃中，建議在LEO軌道無拖曳控制、長壽命軌道維持、連續(xù)軌道變化等使命優(yōu)先應(yīng)用電推進，并逐步擴展到星座展開和編隊飛行、軌道轉(zhuǎn)移等使命。