源起基金關注領域——空間電推進技術（三）
電推進系統，也稱電推進發動機，其工作原理是先將氙氣等惰性氣體轉化為帶電離子，然后把這些離子加速并噴出以產生推進力，進而完成航天器的姿態控制、軌道修正和軌道維持等任務。
國外電推系統應用
自從1982年5月原蘇聯研制的SPT-70霍爾電推進系統首次成功應用于GEO衛星Kos-masl366東西位保任務以來，電推進在國外各類航天型號任務得到了廣泛應用，并且隨著電推進技術的發展和電推力器性能的不斷提升，使用電推進系統的航天器日益增多，電推進在航天器上所擔負的任務更是隨推力器性能的提高逐漸增強。
電推進所承擔的在軌任務從應用初期（1990年前后）單純的GEO衛星東西位?；蚰媳蔽槐?，發展到后來(2000年前后）的GEO衛星在軌位保與軌道提升，中、低軌道衛星軌道維持（大氣阻尼補償）以及深空探測主推進等。進入2010年后，以美國為代表的航天技術強國在高性能電推進產品研制和航天應用方面更是取得了重大進展，由電推進系統承擔航天器在軌所有推進任務(位置保持、軌道轉移等)的全電推進技術已經被完全掌握并進入航天型號應用階段。
目前，空間應用最為廣泛的是靜電式電推進，其中，霍爾電推進、離子電推進為當前國際上研究和應用的重點，在GEO衛星軌道轉移和位置保持、深空探測器主推進、低軌衛星軌道維持等任務中大量應用。
以下從GEO衛星、低軌衛星、深空探測等方面介紹國內外電推進發展和應用情況。
1、GEO衛星位置保持和軌道轉移
地球靜止軌道（GEO）衛星是目前電推進應用最為廣泛的領域，也屬于電推進的傳統應用領域。在國外已經完成飛行和正在執行飛行任務的所有使用電推進的航天器中，90%以上都集中在這一領域，且基本上都是長壽命通信衛星。
美國波音公司在BSS-601HP平臺衛星上應用XIPS-13離子電推進系統完成南北位置保持任務，共發射了近20顆衛星。波音公司在BSS-702平臺上應用XIPS-25離子電推進系統完成全部位置保持任務I3-4，共發射了20多顆衛星。美國勞拉公司在LS-1300平臺上應用SPT-100霍爾電推進系統完成南北位置保持任務S，共發射了10多顆衛星。
歐洲Astrium公司在EUROSTAR-3000平臺上應用SPT-100和PPS-1350霍爾電推進系統完成南北位置保持任務，共發射了近10顆衛星。歐洲最新ALPHABUS平臺確定采用Snecma公司的PPS-1350霍爾電推進系統完成南北位置保持任務。由波音公司研制的美國首個全電推進衛星平臺BSS-702SP平臺的首發星（亞洲廣播公司的ABS-3A和墨西哥衛星公司的Satmex7）預計將于2015年初采用一箭雙星方式發射。ESA也于2013年10月啟動了歐洲第一個全電推進衛星平臺Electra平臺的開發工作。該平臺基于德國OHB公司正在研制中的SGEO平臺開展研制，該平臺首顆衛星(盧森堡歐洲衛星公司衛星）計劃將于2018年發射。
俄羅斯應用力學聯合體在MSS-2500等平臺上應用SPT-100霍爾電推進系統完成全部位置保持任務，共發射了10多顆衛星。俄羅斯的Express和Seset等通信衛星采用直接入軌方式發射，利用電推進系統實現衛星在軌南北位保和東西位保，在概念上實現了全電推進。
2、深空探測自主推進
深空探測主推進是最能體現電推進技術優勢的領域，也是電推進最具發展和應用潛力的領域，雖然目前已經發射的以電推進作為主推進的深空探測器只有4個，數量不是很多，但就是這為數不多的幾次成功應用，已經向世人顯示了電推進作為深空探測主推進實現航天器自主導航飛行與控制的技術優勢。
世界各航天技術先進國家針對未來更遠距離深空探測使命，如水星探測、木星探測、海王星探測、彗星表面采樣返回以及載人深空探測等，已經啟動或正在開發和研制更高性能的大功率、超大功率電推進系統。
當前，世界航天技術強國均已經制定了選用電推進尤其是離子電推進作為未來更遠距離深空探測主推進的產品開發與研制計劃，國外應用電推進開展深空探測的主要有美國、日本和歐洲。美國于1998年10月發射升空的DS-1航天器應用NSTAR-30離子電推進系統完成了小行星探測主推進任務，2007年9月在Dawn航天器上應用3臺NSTAR-30離子電推進系統完成了對主帶小行星中Vesta和Ceres科學探測的主推進任務，美國的下一代推力可調、功率范圍1~10kW的太陽能電推進離子推力器NEXT，高比沖、大功率、長壽命核電氙離子電推進系統NEXIS和大功率的HiPEP；俄羅斯的STP-140和SPT-290等霍爾電推進系統。日本于2003年5月發射升空的隼鳥號航天器應用4臺μ-10微波離子推進系統完成了近地小行星絲川的采樣返回的主推進任務（2-15)，計劃于2014年發射隼鳥二號繼續采用4臺μ-10微波離子電推進系統完成1999JU3小行星采樣返回的主推進任務。歐洲于2003年9月發射的SMART-1航天器應用單臺PPS-1350霍爾推進系統完成了月球探測主推進任務。
3、中低軌道航天器?拖曳控與?精度姿態控制
這一領域的航天器主要依靠電推進實現軌道阻尼補償，以保證航天器無阻尼飛行或運行軌道、位置、姿態穩定及其高精度調節等。對應的航天器主要包括有高精度重力梯度測量衛星、空間微重力試驗衛星、高精度遙感（對地觀測）衛星以及對衛星軌道與位置要求較高的小型衛星、微小衛星和星座組網衛星等。
歐洲于2009年發射升空的GOCE衛星應用2臺T5離子電推進系統完成了240km軌道大氣阻尼補償任務6，繪制出了高精度的全球重力場分布。美國于2000年11月發射升空的EO-1成功應用脈沖等離子體電推進系統完成了精確姿態控制任務，于2007年3月發射升空的FalconSat-3小衛星應用了Busek公司研制的微脈沖等離子體電推進系統完成了超精確無拖曳控制任務。
4、空間太陽能電站軌道維持
所謂空間太陽能電站軌道維持就是在空間軌道上將太陽能轉化為電能，通過微波、激光等方式傳輸到地面再轉化為電力以供地面使用的天地一體化系統。作為發電站，空間太陽能電站上擁有豐富的電能資源，利用大功率的電推進系統來完成空間太陽能電站位置保持、軌道維持等任務，其優勢是其它任何推進系統都無法比擬的。
國內電推進系統應用
我國航天發展計劃對電推進已經提出了明確的應用需求，主要的需求領域包括地球同步軌道（GEO）衛星位置保持和軌道提升，全電推進衛星平臺，近地小行星探測主推進，超靜衛星平臺無拖曳控制，中、低軌道航天器軌道維持，火星以遠深空探測主推進等。目前應用需求最為迫切的主要集中在以下領域：GEO衛星平臺衛星位置保持和軌道提升、全電推進衛星平臺、中等軌道航天器軌道維持、近地小行星探測等。
1、GEO衛星位置保持和全電推進
目前，我國已經明確應用電推進系統來承擔航天器部分或全部在軌推進的任務主要包括中等容量GEO衛星平臺、大容量GEO衛星平臺、全電推進衛星平臺及空間站等。
2023年1月13日凌晨，亞太6E衛星由長征二號丙運載火箭在西昌衛星發射中心成功發射，這是我國基于全電推平臺——東方紅三號E平臺研制的一顆國際商業高通量通信衛星。
2、近地??星探測等深空探測主推進
中國小行星探測任務的目標是實現對Tukimit小行星的飛越探測，對Apophis小行星的伴飛以及對1996FG3小行星的附著探測。推進方式擬采用電推進和化學推進相結合的方式。電推進提供巡航階段軌道控制所需的速度增量，化學推進進行姿態控制，并完成伴飛和附著段的軌道控制。小行星探測器巡航階段軌道控制所需的速度增量不小于5.6km/s。深空探測器采用電推進系統作為主推進，可以極大提高航天器的有效載荷能力。深空探測任務對電推進系統的技術要求主要體現在大范圍多點工作模式和長壽命方面，當然，在多模式的基礎上實現大推力可以縮短探測器飛往探測目標的飛行時間，降低電推進系統壽命要求，實現高比沖也可有效提高探測器的有效載荷能力或減少推進劑攜帶量。
3、低軌航天器?拖曳控制和軌道維持
高精度引力場測量衛星需要衛星平臺達到非常高的微(零）重力水平，電推進系統可通過推力的連續和精確可調，補償衛星在某個方向或全部方向上的非慣性力(如大氣阻尼），實現衛星無拖曳飛行控制。我國正在論證中的重力梯度衛星將是第一顆計劃采用電推進系統實現無拖曳控制的航天器。另外，高精度對地觀測衛星、微重力試驗衛星以及其它類型的科學實驗衛星對無拖曳飛行均具有廣泛的應用需求。低軌和超低軌衛星因軌道大氣阻力的作用，其運行軌道會隨時間不斷降低，利用電推進系統小推力特點可對軌道大氣阻力實現實時、準確補償，確保航天器運行軌道的穩定。該領域的應用對電推進系統的推力、比沖與壽命的要求并不是很高，但由于此類航天器能夠提供的電功率有限，因此，要求電推進系統功率不能太高。按照國外應用經驗，對于低軌和超低軌小型衛星的軌道維持應用，電推進系統功率一般應在300W左右。
2020年6月，銀河航天首發星搭載了電推進系統，來實現首發星的初始入軌調整、長期軌道保持、壽命末期離軌處理（減少太空垃圾）。這是電推進系統在國內首次在低軌小衛星上使用。
2022年，我國獨立自主建造運營的載人空間站核心艙上配置了4臺霍爾電推進發動機，這是人類載人航天器上首次使用電推進。
2022年10月13日，由蘭州空間技術物理研究所（即510所）完全自主研制的300瓦級LHT-40霍爾電推進系統在微厘空間北斗導航增強星座S5衛星上完成首次在軌測試。系統工作穩定，性能指標全面滿足用戶需求，為國內小功率霍爾電推進產品在北斗系列導航任務中的應用拉開了序幕。
4、(超)低軌?衛星編隊飛?及(微)?衛星精確軌道控制
為完成低軌和超低軌小衛星編隊飛行、小衛星與微小衛星精確軌道維持、軌道機動、姿態控制任務，要求電推進系統的輸出沖量精確可控（輸出推力小、控制精度高）。從目前各種電推進系統的技術特點來看，小推力甚至于微推力水平的場致發射推力器（FEEP，0.001~10mN）、脈沖等離子體推力器（PPT，0.005~20mN）、膠體離子推力器（Colloid，0.001~0.5mN）、微小功率射頻離子推力器（RFIT，0.001～20mN）和微波離子推力器（ECRIT，0.001～20mN）是執行此類任務的最佳選擇。
5、空間太陽能電站軌道維持
空間太陽能電站作為解決人類能源問題的有效途徑之一，已成為世界范圍的研究熱點。國外正在開展針對該領域應用需求的大功率電推進系統研制工作。我國也已經將空間太陽能電站確立為國家新能源戰略目標之一并啟動了關鍵技術論證工作。大功率電推進系統作為大型航天器在軌運行的重要支撐技術，在我國未來空間太陽能電站建設中具有顯著的應用需求。
未來我國重力梯度衛星、空間微重力試驗衛星等無拖曳飛行控制、深空探測以及低軌和超低軌衛星軌道維持、小衛星編隊飛行、微小衛星精確姿態控制等背景型號領域電推進也將會有廣闊的應用前景，盡管現階段這些領域的需求并不是特別迫切和清晰，尚未正式列入國家航天技術發展與應用計劃，但在未來10~20年，甚至更短時間內，隨著我國航天任務的不斷推進和電推進應用的深化，電推進在這些領域完全有可能實現應用。
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