“实践十三号”用上兰州高科技---航天510所研制离子电推进系统未来将广泛应用于深空探测
4月12日，配置了510所研制的LIPS-200离子电推进系统搭载我国首颗高通量通信卫星实践十三号发射成功，该星通信总容量可达到20G以上，超过我国此前所有通信卫星容量的总和，如果说过去通信卫星传送十几套标清电视节目，未来则能同时传送数量更多的4K超高清节目，这将直接改善我们的生活。
本次随实践十三发射升空的LIPS-200离子火箭发动机是我国空间电推进技术首次正式应用，可以说这一应用将为我国高轨卫星带来革命性的技术突破。而该系统则是由兰州空间物理研究所（即航天510所）经过多年科研攻关研制成功的。
A 我国首次正式使用离子电意义重大
什么是离子电推进系统？它与以往的用化学燃料的推进器有什么差别呢？510所离子电推进事业部经理张天平研究员告诉记者，所谓的离子电推进系统就是通常所说的电火箭，属于非常规推进系统。是借助电能使工质离解成为带电粒子，再通过加速这种带电粒子流来获得推力。它的排气速度很高，每秒可达几十公里、几百公里，甚至更高。传统的火箭是通过尾部喷出高速的气体实现向前推进的。离子推进器也是采用同样的喷气式原理，但是它并不是采用燃料燃烧而排出炽热的气体，它所喷出的是一束带电粒子或是离子。它所提供的推动力或许相对较弱，但关键的是这种离子推进器所需要的燃料要比普通火箭少得多。只要离子推进器能够长期保持性能稳定，它最终将能够把太空飞船加速到更高的速度。
510所所长张伟文介绍，目前，应用电推进系统已成为国际通信卫星是否先进的标准。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。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，电推进技术有大幅减少推进剂燃料、定位更精准等优势。”他说。
此次实践十三号上运用的离子电推进系统由4台LIPS-200离子火箭发动机、2套电源处理单元、1套推进剂贮供单元组成。系统可以用于完成卫星定点后15年全寿命期间的南北位置保持任务。510所从2011年3月起承担该任务，历经5年的研制攻关，完成了飞行产品的研制交付和AIT阶段的测试工作。并且系统中所用的空心阴极，环尖场放电室优化设计技术、精密栅极组件设计和制造技术，电压、大功率电源处理单元研制技术等多项技术均属510所自主知识产权，打破了国际上对这些技术的垄断。
“这是中国第一次把电力作为火箭动力的正式应用，它的意义是划时代的、非凡的，标志着我国航天器飞行动力达到了世界一流水平。这也是我国在建设航天大国、航天强国过程中，一项新的技术突破得到了应用。对于地处兰州的510所来说，更多的体现了我们在国家科技创新，建设航天强国的征途中的使命担当和做出的贡献，我们因此感到自豪。”张伟文说。
B 离子电推进系统是航天发展必选项
LIPS-200离子火箭发动机究竟肩负了多么重要的任务呢？众所周知，卫星在太空中飞行的时候，会受到太空中稀薄的大气、地球磁场以及太阳辐射等的影响，这种情况下卫星会逐渐偏离运行轨道，甚至掉下来。那么怎么解决这个问题呢？张天平告诉记者，“答案是安装推进系统。传统的推进系统将压缩气体喷出或通过化学燃烧加热燃烧产物喷出产生反冲推力，从而将卫星‘拉回’预定轨道。卫星在太空中飞行时受到的干扰力很小，但时间一长，会产生很大的作用，为了抵消它的影响，卫星推进系统需要携带大量的推进剂，使得卫星变得笨重。要将笨重的卫星运送到太空中，需要火箭花费更大的力气。”
那么有没有办法让卫星“瘦下来”呢？“当然有办法了，那就是安装离子火箭发动机。一方面，离子电推进的比冲是常规化学推进的十倍以上，可以承载更多的有效载荷；另一方面，LIPS-200离子火箭发动机成功地为卫星‘瘦身’，可将卫星携带的推进剂减少90%。”张天平表示，与常规动力相比电推进系统优势非常显著。一方面，目前，我国发射的航天器一直由化学燃料执行空间推进职能，为了完成变轨、姿态调整和南北位置保持任务，卫星需要携带大量燃料。采用电推进系统能大幅减少卫星和探测器上的燃料携带量，卫星也将得到“瘦身”，节省下的空间可携带更多有效载荷。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；若采用离子火箭推进技术整星可节省80%的燃料；一颗重量大约为4.8吨的通讯卫星重量将减少到1.9吨。
“卫星上自身携带的‘干粮’少了，多出来的空间可被充分利用，产生巨大的经济效益。
如现在卫星上只有45余台转发器，节省下的空间可增加至90台。一个转发器产生的价值约为每月100万美元。”张伟文透露。此外，离子火箭推进技术定位更加精准。张天平告诉记者，化学燃料燃烧推进产生的推力非常强大，能够将卫星从地面上强有力地推进到外太空。但到了外太空后，由于卫星处于微重力环境，需要微小推力，而推力较小的离子电推进系统就能满足精准定位与控制的要求。“因此说离子电推进系统是我国航天发展的必选项。”他说。
C 未来将广泛应用于深空探测
我国多少年来航天器一直动用化学燃料推进，足以证明该项技术稳定高效。现在要在航天器上改成离子电推进技术有必要吗？张伟文告诉记者，从国际形势来看，这是完全必要的，而且我国的航天器要想在未来的太空有一席之地，在卫星上运用离子火箭推进技术是势在必行的。
“未来航天科技的发展趋势是深空探测方面，在现有运载条件下依靠化学能火箭，完成这些深空探测任务几乎是不可能的，因此离子火箭推进技术可以说是必选项。”张伟文说。目前，我国制定的深空探测主要包括木星、火星等行星，由于飞行距离很长，如果用化学燃料不但成本高，而且将会占用航天器上很大的空间。但是使用离子火箭推进技术之后，因为它的比冲是化学燃料的10倍，所占用的空间又很小，因此它能在太空无重力状态下连续工作几年时间。“目前我们的LIPS-200已经可以做到完成卫星定点后连续工作12000小时，未来的型号将时间更长。此外，少带了燃料就可以多带科学仪器，从而避免了后期再运送仪器或燃料等产生的花费。而且，用化学染料推进的航天器需要选择合适的发射窗口，而离子火箭推进技术则不需要。”他告诉记者。
2015年3月份，美国波音公司有一个重大的标志性的事件，把传统火箭发动机全部抛弃，整体使用电推进技术，即“全电推”技术。这意味着离子电推进系统的技术已经成熟到了完全可以取代传统化学火箭推进器，这是当前世界上最先进的水平。
虽然此次的“实践十三号”因为种种原因并没采取全电推进，而采用了混合动力，但张伟文告诉记者，这是电推进技术在卫星平台的正式应用。我国目前也正在开发“全电推卫星平台”，在2020年之前也能实现正式的应用，这说明我国与美国在航天器动力方面的差距在逐步缩小。目前510所在离子电推进系统方面的技术同美国有相近的水平。
在谈到未来电推进技术的发展方向时，张伟文表示未来发展空间广阔，他表示未来中国的电推进技术将朝着“一微、一中、一超”的方向发展，这里的“微、中、超”，指的是它的功率，此次航天器所用的LIPS-200,是属于中等功率的。针对微小型卫星所研制的微小型电推进，已开始试测，预计今年也要实现应用。超大功率的电推进，是针对深空探索的，现在也已处于研究阶段。未来，电推进技术也将更多的用于通讯卫星、深空探索、隐形波探测、大型空间站等方面。为了推进电推进技术的进一步发展，510所将投入更多的研究精力，将新建占地四百多亩的研究基地，并用一半的土地来进行电推进技术的研究及生产。