兰州制造航天器“发动机”达到世界先进水平

510所所长张伟文(中)在研制现场与科研人员一起讨论解决难题

    其实这种国际上最新的技术我国也已经掌握并不逊于欧美，日前，首颗通信卫星的电推进系统工作已突破10000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。而这台电推进系统正是由位于我市的中国航天科技集团公司五院510所自主研制的。

    今年底，我国新型通信卫星平台搭载的电推进系统将待命出发，这将成为我国首颗搭载电推进系统的业务卫星即“东方红三号B卫星平台”。

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    世界先进水平航天器“发动机”兰州制造

    510所所长、电推进系统项目总指挥张伟文介绍，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。我国航天器一直由化学燃料执行空间推进职能，而510所研制的电推进技术并不是采用燃料燃烧而排出炽热的气体，而采用喷出带电粒子或离子的新方式。“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。”

    据张伟文介绍，国际航天界有一句话，卫星上不用电推进，这样的卫星永远是世界二流的。510所是国内最早开展电推进技术研究的单位，早在1974年就开始研制离子电推力系统，到了1986年研制了80毫米汞离子电推进，该成果于1987年获得了国家科技进步一等奖，在当时达到了国际领先水平，产品水平不弱于从50年代就开始从事此方面研究的美国。由于当时科学技术的制约，以及美国也没有开始应用，国家相关部门决定不再从事离子电推进系统的研究。而这一放就是十年。但是510所看好这项技术在未来的发展前途，并没有解散这支科研队伍，通过自筹资金一直维持着这支科研队伍。并于1988年至1993年期间研制成功了90毫米氙离子电推进系统。

    直到1997年，美国的SPI卫星上首次应用了离子电推进系统，在世界航天界引起轰动。我国看到电推进系统带来的各种好处，决定重新开始对离子电推进器的研究，1999年国家相关部门开始对电推进器2次研究。这时的510所立刻投入到了研究之中，在1999年至2004年研制了200毫米离子电推进系统原理样机，主要性能达到国外同类产品水平。2004年至2007年完成了200毫米离子电推进系统工程样机研制，通过了环境条件鉴定试验。2007年至2012年为实践九号卫星研制了200毫米离子电推进子系统，该卫星已经于2012年10月发射并实现首次空间飞行试验（美国做到这一点用了8年时间，而510所只花了5年时间），510所研制的离子电推力火箭作为这次空间试验的3个最主要的测试系统之一。此次离子电推力系统的成功应用，对我国的航天事业可以说是里程碑式的。

    张伟文表示，按照要求，2015年底，我国新型通信卫星平台搭载的电推进系统将待命出发，这将成为我国首颗搭载电推进系统的业务卫星即“东方红三号B卫星平台”。

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    电推进系统科学意义和经济效益双赢

    张伟文表示，与常规动力相比电推进系统优势更加显著。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；若采用电推进系统整星可节省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，电推进系统定位更加精准。510所电推进技术研究室主任张天平介绍，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，而推力较小的电推进系统就能满足精准定位与控制的要求。欧洲航天局在2000年发射的6颗卫星上，全部采用了电火箭定位技术，它们在相隔500万千米的距离上，位置精确度却达到了1厘米。如此高精度的技术的确令人折服。

    电推进系统最大的特点是能进行更深远的深空探测。我国深空探测长远发展规划中包括了采样返回、木星探测和库伯带小行星探测任务。在现有运载条件依靠化学能火箭，完成这些深空探测任务几乎是不可能的。张天平介绍，离子电推进按电能的推进剂不同，可分为电热系统、静电系统和电磁系统三类。与燃料消耗大、寿命短的化学火箭相比，使用电能推进剂的电火箭几乎不用担心推进剂用尽的问题，它可以长时间地连续运行，适合于各种卫星的姿态控制和轨道修正。

    据了解，目前国内开展电推进技术研究的单位包括510所、801所、502所、哈尔滨工业大学、西北工业大学、北京航空航天大学、国防科大、上海交大等，其中，只有510所和801所属于工程产品研制单位，其它只进行相关技术研究，而能做出离子电推力系统的只有510所，并且突破了诸多电推进技术，其中不少技术一直被美国长期垄断。

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    多项技术打破国外垄断

    如果说卫星和探测器的心脏是离子电推进器，那么离子电推进器的心脏就是空心阴极。因为离子电推进器是依靠空心阴极产生的电子来推进卫星和探测器的，因此空心阴极是整个系统中最重要的单机部件，在2004年以前我国自己不能生产。但就因为这个部件最关键，英美以及俄罗斯等国家对该产品的限制非常严格。510所在离子电推进系统的研制过程中多次向这些国家申请购买，都被拒绝。就这么一个长50毫米、直径20毫米的小东西却成了限制离子推进器研制的最大绊脚石。

    于是，510所决定自己组织团队开发出具有自主知识产权的空心阴极，打破国外的技术垄断。负责研究研制空心阴极的主管设计师郭宁告诉记者：“我是2004年进入特种推进室从事空心阴极研究的，但是不少同行都劝我放弃，认为以我们目前的技术水平根本不可能研制出来能和国外相媲美的空心阴极。”但是郭宁和自己的团队没有放弃，他们开始查阅大量文献，一个阴极需要十几种特殊材料，但是每个材料的排列和使用都必须正确才能达到理想的效果，于是他们开始没日没夜的做实验。由于一次实验的效果具有偶然性，因此他们一个实验往往要重复好几遍。最后花了将近10年的时间才研制出了具有很好稳定性，长寿命高可靠、性能与国外产品相当的空心阴极。

    除了空心阴极，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、气路高压绝缘技术、微小气体流量的精确控制技术、推力器工作寿命试验验证和模型预测技术，高电压、大功率电源处理单元研制技术、电推进微推力测量和等离子体羽流特性诊断技术、电推进系统测试和联试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。

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    “北斗之父”孙家栋：不应用电推进系统就没有国际竞争力

    受访人士表示，一直以来，作为先进的空间推进技术，电推进被美国和前苏联垄断，直到近年来，日本和欧洲的太空探测器和太空船也应用上了这种技术。如今，大力发展电推进技术已成为各航天大国的共识。目前国际上已发射和计划发射的离子电推进系统航天器数量已经突破50颗。有数据显示，在未来国际宇航发射中，采用电推进系统的航天器所占比例将进一步扩大。

    “北斗之父”孙家栋院士曾经在兰州接受记者采访时说过，我国航天器工程已对应用电推进系统提出了非常迫切的需求，特别是新一代地球同步轨道卫星平台、深空探测航天器等。这些航天器的方案论证表明：如果不应用电推进系统，卫星平台就不具备先进性，不仅没有国际竞争力，甚至无法满足用户的要求；在现有运载条件下，某些深空探测任务将难以实现。所以他建议应该尽早在我国的航天器上使用和普及510所研制的电推进系统。

    此外，张伟文向记者透露，510所的离子电推进系统不久将应用于我国首次小行星探测航天器，完成主推进任务，我国未来的东方红3B、4号、5号、7号等通讯卫星上都将使用该推进器，2020年将要应用的空间站上也将使用离子电推力系统，这也是我国空间站与美俄空间站相比的创新之处。　 记者孙理（图片均为资料照片）