電推進系統(tǒng)，也稱電推進發(fā)動機，其工作原理是先將氙氣等惰性氣體轉(zhuǎn)化為帶電離子，然后把這些離子加速并噴出以產(chǎn)生推進力，進而完成航天器的姿態(tài)控制、軌道修正和軌道維持等任務(wù)。

行業(yè)發(fā)展關(guān)鍵因素

商業(yè)航天以通信、導(dǎo)航和遙感為支柱，以“敏捷快速、低價可靠、平臺共享、專注極致”等為原則，這就要求商業(yè)航天用小衛(wèi)星（廣義小衛(wèi)星重量為500kg以下）推進系統(tǒng)的成本低、重量輕、體積小、周期短、性能高，并且隨著小衛(wèi)星逐漸承載了原來大衛(wèi)星的部分任務(wù)，對推進系統(tǒng)的要求也在不斷變高，比如部分任務(wù)需要高比沖、長壽命，可以提供精確的微推力以及推力精確可調(diào)。

回歸商用電推進的商業(yè)屬性特征，有以下幾點需要著重把握：

1.掌握電離技術(shù)是核心

“全世界太空航天器都在使用氙氣霍爾離子推進器，馬斯克的SpaceX開始使用氪氣霍爾離子推進器了，全世界開始研究霍爾氪氣離子推進器，馬斯克開始用霍爾氬氣離子推進器了”因此只有從第一性原理出發(fā)，掌握電離技術(shù)的公司才有望突圍。（值得一提的是，氪氣，氙氣不僅是簡單的工質(zhì)的替換，而是從陽極結(jié)構(gòu)、氣路分配都需求進行重新的設(shè)計。

2.基于成本戰(zhàn)略設(shè)計打造產(chǎn)品

商業(yè)屬性要求首先圍繞“成本（cost）”設(shè)計產(chǎn)品，產(chǎn)品展示出的形態(tài)與傳統(tǒng)航天將“性能（performance）”放第一位的產(chǎn)品形態(tài)不同。

為了實現(xiàn)低成本，馬斯克首先采用當(dāng)前最先進的全電推進衛(wèi)星平臺，在商用電推進的選型上又放棄了美國人自己發(fā)明的性能更好的離子發(fā)動機，最后又摒棄了已經(jīng)成熟應(yīng)用二十年的氙氣霍爾電推進技術(shù)路線。

產(chǎn)品需要做到通用化、模塊化，通過模塊的自由組合實現(xiàn)靈活適應(yīng)不同衛(wèi)星 的要求和不同空間的布局。

馬斯克通過重新定義、設(shè)計和制造自己的商用電推進，才有了SpaceX的氬氣商用電推進產(chǎn)品。氪氣換氬氣同樣還是商業(yè)屬性要求下的供應(yīng)鏈與成本管理結(jié)果。

氙氣是名副其實的稀有氣體，每年的產(chǎn)量僅在百噸上下。對于SpaceX“星鏈”計劃的體量，氙氣的儲備非常容易就會短缺，因此從公司戰(zhàn)略角度，氙氣并不合適。

氪氣價格約為氙氣的1/40，獲取難度要小于氙氣，但唯一的問題是，烏克蘭是氙氣和氪氣的主要出口國。自去年俄烏沖突爆發(fā)之后，氙氣及氪氣的價格就一路看漲，擁有氙氣與氪氣空分精煉提取設(shè)備的馬里烏波爾鋼鐵廠等稀有惰性氣體生產(chǎn)大戶剛好處在沖突戰(zhàn)區(qū)的核心地帶。雖然氙氣與氪氣的價格近期有所下調(diào)，但這種不穩(wěn)定性并非SpaceX供應(yīng)鏈管理希望看見的。

馬斯克的第一代氪氣霍爾電推進已經(jīng)比傳統(tǒng)的高性能氙氣霍爾電推進大大節(jié)省了成本，但對高總沖的在軌任務(wù)來說，“油費”仍然在整個電推進系統(tǒng)占了相當(dāng)可觀的比例。所以為了進一步減少二代“星鏈”的組網(wǎng)成本，節(jié)省“油費”而采用更便宜的氬氣，即使需要犧牲一些系統(tǒng)的綜合性能，也依然是一條可行的商業(yè)和工程路線。關(guān)于馬斯克為什么要去選擇氬氣作為工質(zhì)，大家給出的一致的看法是氬氣獲取難度低，價格便宜。埃隆·馬斯克表示“向氬氣的過渡雖然很棘手，但有必要，因為氪氣太稀有了”。

在綜合考慮后，馬斯克選擇了氬氣。一些專業(yè)人士提出質(zhì)疑，認(rèn)為氪氣已經(jīng)非常便宜，沒有必要再用氬氣，但據(jù)國外估算，考慮到氬氣在地球大氣中的含量和馬斯克自有工廠的空分能力，在其為“星艦”運載火箭配套的大產(chǎn)能液氮空分液化設(shè)備中，氬氣甚至可以從原本的空氣成分雜質(zhì)直接搖身一變，成為“星鏈”星座在軌燃料的供應(yīng)來源。使用氬氣可讓每顆“星鏈”衛(wèi)星成本降低3-5萬美元，“星鏈”（或稱“星盾”）最終形態(tài)可能會達到4.2萬顆衛(wèi)星，在一顆衛(wèi)星上節(jié)省成本的努力將會得到4.2萬倍的回報。

反過來說，單顆衛(wèi)星成本的上浮，也會放大4.2萬倍，而這種數(shù)量級的成本放大正是初代“銥星”計劃失敗的原因。

從流出的SpaceX的二代霍爾工作照片中的羽流顏色判斷，工質(zhì)應(yīng)為以氬氣為主的混合氣體。混合工質(zhì)的好處是既可以降低電離氬氣所需的高電壓，增大工質(zhì)密度，減小儲箱，又可以兼顧成本，從而達到了成本和性能上的平衡。

另外，火星大氣中的氬氣含量也不算太低，未來SpaceX在火星表面建設(shè)工廠、生產(chǎn)運載火箭所需的甲烷燃料的同時，也可以空分出氬氣，為未來更大推力的氬電推進提供來源，作為其往返火星的空間飛行器的動力。

中國商用電推進企業(yè)也應(yīng)全自主掌握全系統(tǒng)技術(shù)和生產(chǎn)流程，將成本管理真正落實到設(shè)計、技術(shù)路線并延伸到每個器件。

3.腳踏實地分步前進

即便氙氣霍爾電推進在整個西方有20多年的應(yīng)用經(jīng)驗，馬斯克仍然采取了“分步走”策略在此基礎(chǔ)上開發(fā)氪氣/氬氣商用電推進，顯得“小心翼翼”。對于馬斯克而言，氬氣的應(yīng)用是當(dāng)下對于SpaceX的最佳選擇，是其“分步走”和長期試錯過程中得出的最佳方案。

從氙氣到氪氣，是馬斯克的第一代商用霍爾電推進最大的跨越。星鏈V0.9版本的衛(wèi)星，在入軌后，有不少就沒能實現(xiàn)可靠的升軌，最終墜入稠密大氣而焚毀?？梢?，創(chuàng)新本身，需要足夠的勇氣去面對工程實踐中的大量問題。第一代霍爾推進器邁向成熟的道路上，灑滿了因衛(wèi)星焚毀而流下的淚水。

第二代使用的氬氣，本質(zhì)上也是氪氣一族的惰性氣體，氬氣霍爾電推進涉及的核心技術(shù)可以直接參考其一代霍爾電推進的技術(shù)，包括總體結(jié)構(gòu)布局、精確的微流量控制、空心陰極技術(shù)、一代霍爾上天積累的使用經(jīng)驗和在軌決策策略等等，大大縮短了研發(fā)周期。

關(guān)于氬氣的使用，第一，業(yè)內(nèi)都知道氬氣的電離難度相比于氪氣和氙氣要大，考慮到離子加速，陽極電壓需要提至800V左右；因此二代霍爾的二次電源模塊需要升級，特別是耐高壓方面；推力器頭亦然。第二，氬氣密度小，即使考慮到綜合比沖增大帶來的燃料量減少，仍然需要更大的儲罐去容納工質(zhì)。因此，其二代霍爾系統(tǒng)應(yīng)該采用了更輕質(zhì)的復(fù)合材料儲罐，才能抵消氬氣儲罐偏大帶來的結(jié)構(gòu)廢重增加。

以SpaceX的一貫做事風(fēng)格，一款新電推產(chǎn)品成功率期望值超過50%才會大規(guī)模搭星上天驗證使用，所以判斷SpaceX對其氬氣電推進的成熟度是相當(dāng)有把握的。

4.更多的入軌驗證

更多寶貴的在軌運行數(shù)據(jù)積累

國內(nèi)商業(yè)衛(wèi)星對商用電推進的技術(shù)驗證和技術(shù)創(chuàng)新，從未停歇。對于我們來說，數(shù)據(jù)是我們實現(xiàn)霍爾電推進技術(shù)從設(shè)想到工程實踐再到大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵所在是腳踏實地迎頭趕上領(lǐng)頭羊的必備前提。

國內(nèi)低軌商業(yè)衛(wèi)星的參數(shù)（重量、功能指標(biāo)）大多跟第一代“星鏈”衛(wèi)星相當(dāng)，但國內(nèi)現(xiàn)在還沒有一顆衛(wèi)星有全壽命周期霍爾電推進的使用經(jīng)歷，可以預(yù)見，國內(nèi)衛(wèi)星還有相當(dāng)一段時間需要使用氙氣/氪氣霍爾電推進，以積累飛行數(shù)據(jù)、提高產(chǎn)品可靠性、積累在軌使用電推進經(jīng)驗。