中國航天已使用離子電推進 將用於小行星探測

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原標題：40年磨一“箭”打破美俄技術壟斷

蘭州科研人員研制出國際領先航天器離子電推進系統

日前我國發射的實踐9號攜帶的衛星上第一次使用了離子電推力技術，從此為我國的航天技術開啟了一扇新的大門。此前該種技術一直被美俄等航天強國所壟斷。而打破美俄技術壟斷，研制出這種國際領先推力系統的正是蘭州空間物理研究所（510）所的科研團隊。12月26日，記者采訪了該所的科研團隊，了解了這種國際領先技術的誕生過程。


40年堅守電火箭技術達到國際先進水平

在不久前，實踐9號A星攜帶的510所自主研制的離子電推進系統首次點火成功，穩定工作3分鐘，隨後又進行了第二次點火，穩定工作了近4分鐘，實踐九號A星離子電推進系統飛行試驗取得了開門紅。整個離子電推分系統包括1個推進劑貯存模塊、1個調壓模塊、4個流量控制模塊、4台離子電推進器以及其他附屬設備，系統幹重約140千克。單台離子電推進器額定推力40豪牛，比沖3000秒左右，工作壽命在10000至15000小時之間，達到了國際先進水平。這也是國內第一次在衛星上使用離子電推進系統。

可是有誰知道這次的成功讓510所的科研人員整整花費了40年的時間。510所所長張偉文告訴記者：“這兩次點火雖然只用了7分鐘的時間，可是為了這7分鐘的成功，我們卻花了40年來研究。這次電火箭在實踐9號上的20次點火把衛星的軌道提高了324米，讓中國擁有了以往只有美國和俄羅斯等航天強國才有的技術。”據了解，510所是國內最早開展電推進技術研究的單位，早在1974年就開始研制離子電推力系統，到了1986年研制了80毫米汞離子電推進，該成果於1987年獲得了國家科技進步一等獎，在當時達到了國際領先水平，產品水平不弱於從上世紀50年代就開始從事此方面研究的美國。可這反而成了離子電推進系統由勝轉衰的時候。由於當時科學技術的制約，以及美國也沒有開始應用，國家相關部門決定不再從事離子電推進系統的研究。而這一放就是十年。但是510所看好這項技術在未來的發展前途，並沒有解散這支科研隊伍，通過自籌資金一直維持著這支科研隊伍。並於1988年至1993年期間研制成功了90毫米氙離子電推進系統。

張偉文說，直到1997年，美國的SPI衛星上首次應用了離子電推進系統，在世界航天界引起轟動。1999年國家相關部門開始對離子電推進器進行二次研究。這時的510所立刻投入到了研究之中，在1999年至2004年研制了200毫米離子電推進系統原理樣機，主要性能達到國外同類產品水平。2004年至2007年完成了200毫米離子電推進系統工程樣機研制，通過了環境條件鑒定試驗。2007年至2012年為實踐九號衛星研制了200毫米離子電推進子系統，該衛星已經於今年10月發射並實現首次空間飛行試驗（美國做到這一點用了8年時間，而510所只花了5年），510所研制的離子電推力火箭作為這次空間試驗的3個最主要的測試系統之一。此次離子電推力系統的成功應用，對我國的航天事業來說是里程碑式的。

據了解，目前國內開展離子電推進技術研究的單位包括510所、801所、502所、哈爾濱工業大學、西北工業大學、北京航空航天大學、國防科大、上海交大等，其中，只有510所和801所屬於工程產品研制單位，其它只進行相關技術研究，而能做出離子電推力系統的只有510所，並且突破了諸多電推進技術，其中不少技術一直被美國長期壟斷。


用電取代化學燃料實現經濟利益的翻番

什麼是離子電推進系統？它與以往的用化學燃料的推進器有什麼差別呢？510所特種推進室主任張天平研究員告訴記者，所謂的離子電推進系統就是通常所說的電火箭，屬於非常規推進系統。是借助電能使工質離解成為帶電粒子，再通過加速這種帶電粒子流來獲得推力。它的排氣速度很高，每秒可達幾十公里、幾百公里，甚至更高。最早的離子引擎於1960年左右由NASA的研究中心制成，但之後一直處於試驗階段。直到1998年，探測彗星的深空1號才首次將離子引擎作為主力推進系統應用在深空飛行中。

傳統的火箭是通過尾部噴出高速的氣體實現向前推進的。離子推進器也是采用同樣的噴氣式原理，但是它並不是采用燃料燃燒而排出熾熱的氣體，它所噴出的是一束帶電粒子或是離子。它所提供的推動力或許相對較弱，但關鍵的是這種離子推進器所需要的燃料要比普通火箭少得多。只要離子推進器能夠長期保持性能穩定，它最終將能夠把太空飛船加速到更高的速度。

電推進作為先進的空間推進技術，美國和前蘇聯一直都是這種先進技術的壟斷者，直到近年來，相關技術才應用到一些太空飛船上，比如日本的“隼鳥”太空探測器和歐洲的“智能1號”太空船等，而且技術已經取得了很大的進步和經濟效益。

510所副所長王潤福說，電火箭除了定位精準之外，而且可以大大減少衛星和探測器上的化學燃料的攜帶量，節省下來大量空間攜帶更多的儀器，為國家帶來更大的經濟利益。“我給你舉個例子，比如東方紅4號衛星平台上有兩個1400升的化學儲劑箱，這里面的燃料主要是衛星用來變軌的。而用了離子電推進之後可以節省燃料80%以上，同時，衛星的自身重量也大大降低，現在一顆通訊衛星大概重量是4.8噸，用了這種技術自身重量就減為了1.8噸。那麼空出來的空間就可以把它利用起來，比如現在星上只有56台轉發器，節省下來的空間我們就可以把它增加到100台，一個轉發器產生的價值大約是100萬美元。也就是說以後一顆用離子電推進系統的衛星，上面的科學儀器是現在的兩倍。”


未來深空探測離子電推進系統是必選項

也許有人會問，我國多少年來火箭和衛星一直動用化學燃料推進，改成離子電推進有必要嗎？記者也帶著這個疑問咨詢了離子電推力器系統的副指揮於安民，他告訴記者，這不但完全有必要，而且我國的航天器要想在未來的太空有一席之地，在衛星上運用離子電推力器是勢在必行的。

進入21世紀後，考察一個國家的航天航空能力不僅僅是能否探月、是否有空間站，而是能否開展對火星以遠深空探測應用。王潤福告訴記者，要想搞好深空探測，離子電推進系統是必選項。我國深空探測長遠發展規劃中包括了采樣返回、木星探測和庫伯帶小行星探測任務。在現有運載條件下依靠化學能火箭，完成這些深空探測任務幾乎是不可能的。首先，深空探測距離很長，因此如果用化學染料，火箭和衛星上大部份的位置將會被燃料所占據，那麼相應的科學探測儀器將會減少很多，而且化學燃料成本也非常高。而在使用離子電推進系統之後，因為它的比沖是化學燃料的10倍，且需要的工作介質少，因此它能在太空無重力狀態下連續工作幾年時間。NASA計算過運用離子電推力的探測器到達土星的飛行時間只需要3年，而傳統航天器則要花費7年的時間。少帶了燃料就可以多帶科學儀器，從而避免了後期再運送儀器或燃料等產生的花費。同時，用化學染料推進的航天器需要選擇合適的發射窗口，而離子電推進則不需要。此外，張偉文向記者透露，510所的LIPS-200+離子電推進系統不久將應用於我國首次小行星探測航天器，完成主推進任務，我國未來的東方紅3B、4號、5號、7號等通訊衛星上都將使用該推進器，2020年將要應用的空間站上也將使用4台離子電推力系統，這也是我國空間站與美俄空間站相比的創新之處。

http://news.ifeng.com/mil/2/detail_2012_12/28/20619787_0.shtml

離子引擎可以使用核能{:heyhey:}