源起基金關注領域——空間電推進技術（八）
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。
行業關鍵因素
1.低軌衛星星座建設需求
到2029年，地球近地軌道將部署總計約5.7萬顆低軌衛星，但低軌道只能容納約6萬顆衛星，資源稀缺性強。低軌衛星所主要采用的Ku及Ka通信頻段資源也逐漸趨于飽和狀態，可用空間十分緊張。
若目前已獲批準的通信星座全數建設完畢，地球低軌的有效資源將所剩無幾。在衛星互聯網發展初期的當下階段，戰略布局通信衛星正常運行先決條件的空間軌道和頻段，加快“搶占”重點太空資源，構建中國“星鏈”是十分必要且緊急的事情。而電推進系統已經成為低軌互聯網衛星的標準配置。
2.航天器對高比沖推進技術的需求
隨著小衛星、微小衛星、行星探測器，及深空探測、星際航行等空間探測技術的興起，要求航天器上的推進系統質量更輕、體積更小、效率更高，因此開展比沖高、構造緊湊、消耗工質少、本錢低廉的推進系統已成為航天技術開展的迫切需要。而電推進技術的推進劑比沖要遠遠高于傳統的化學推進系統，是其幾倍乃至十幾倍的效率，高比沖的電推進能夠大大減少所需的推進劑，從而增加航天器的有效載荷。從而縮小航天器尺寸，降低運載火箭發射要求，尤其適用于深空探測、星際航行等長時間在軌飛行。
行業發展趨勢
通過分析電推進技術發展和應用現狀可以判斷，電推進正朝多模式、長壽命、大功率的方向發展，應用領域也在進一步拓展，全電推進成為GEO平臺等發展的重要方向，微小功率電推進技術發展種類逐漸增多，且在低軌衛星上的應用也越來越廣泛。
隨著人類空間探測的深度、廣度不斷擴展，以及電推進技術本身的持續提升，電推進正在向更多模式、更大功率、超高比沖、更高性能精度、更低成本等方向發展，以適應不同種類的空間任務的需求。
1.向更多模式方向發展提高任務適應能力
以千瓦級離子電推進、霍爾電推進為代表的現有電推進，一般只能單模式工作，即只有一個工作點，功率、推力、比沖等性能不變，因此，只能承擔在軌位保等單一任務，任務擴展、適應能力較弱。近年來，不斷發展的GEO衛星平臺，其軌道轉移、位置保持、姿態控制、離軌等任務，要求電推進完成其中大部分任務甚至全部任務，不同任務對電推進的功率、推力和比沖等性能需求差異大，深空探測任務的不同階段對執行主推進的電推進性能要求也不盡相同，這就要求電推進必須具備多模式工作能力。
目前，美、俄、歐等新研發的電推進幾乎都具有多模式能力，任務適應能力強。如美國BPT-4000多模式霍爾推力器，功率調節比可達22：1，能夠適應GEO平臺、全電推進平臺和深空探測主推進等多種任務的需求。
2.向更大功率方向發展適應大型空間任務
當前，1~5kW量級中等功率霍爾推力器、離子推力器已經成熟應用于GEO衛星、深空探測器等，而以HERMeS、SPT-290、NASA-400M等為代表的數十千瓦級霍爾推力器，已經達到工程樣機水平，并且被列入空間任務規劃，HERMeS霍爾推力器將應用于小行星重定向任務，NASA-400M 霍爾推力器將于2019年后應用于低軌貨運飛船軌道轉移、ISS近地軌道空間飛行任務等。隨著空間核電技術的突破，空間功率將不再首先，因此，預計5~10a內，將實現數十千瓦級的大功率霍爾電推進的空間應用。
與此同時，未來更大型的空間任務，如載人火星、大型火星貨運、行星際探測等任務，對更大功率的霍爾電推進提出了需求，要求功率需達到數百千瓦，甚至兆瓦級，以減小航天器規模，以便能夠完成化學推進難以甚至無法完成的大速度增量深空探測任務，擴展空間探索距離。
在此需求牽引下，電推進也正在朝著單臺推力器實現高于100kW的大功率方向發展。例如，D-160已經驗證了在140kW功率下工作的穩定性，設計功率240kW的X3霍爾推力器，也已經驗證了在102kW功率下工作的性能。大功率磁等離子體電推進（MPD、VASIMR），其功率正在向MW級發展。
3.向超高比沖方向發展
國內商業衛星對商用電推進的技術驗證和技術創新，從未停歇。對于我們來說，電推進的比沖越高，在執行空間任務期間所需的推進劑就越少，可以帶來航天器的質量效益，甚至可以使一些化學推進和現有電推進無法實現的任務變得可行。目前正在發展和應用的電推進技術，其中微小功率的新型場發射電推進，其比沖最高已經可達到10000s左右，大幅降低執行任務所需的推進劑量，減小系統總質量，已在微小衛星上的得以應用。
目前成熟應用的中等功率霍爾電推進、離子電推進，其比沖一般在1500~3500s范圍內，可滿足當前的空間任務需求。
但是，隨著航天技術發展和航天任務規劃，未來大型空間貨物運輸、大型載人/無人深空探測等任務，要求電推進的比沖需要達到8000s左右，功率也需達到百千瓦量級。現有的微小功率、中功率電推進均無法滿足要求，因此，超高比沖成為大功率電推進的重要發展方向之一。
正在發展的幾種大功率電推進技術中，離子電推進的推力密度和推力功率比均較低，導致其功率超過50kW后的推力器尺寸過大，在工程上難以實現；霍爾電推進的技術成熟度高，因此，仍然是重點發展技術之一。目前，已研制的大功率霍爾推力器單臺設計功率已達240kW，試驗驗證功率為102kW。在超高比沖方面，采用雙級陽極層霍爾推力器設計的超高比沖推力器VHITAL-160，其驗證比沖高達7667s，可滿足深空探測任務需求。
大功率磁等離子體電推進（MPD、VASIMR）也是超高比沖電推進重要技術方向，其比沖均可達到8000s以上，目前已驗證的MPD推力器最高比沖超過9000s。MPD、VASIMR電推進適合的單臺功率在數百千瓦至兆瓦量級，特別是VASIMR電推進，在百千瓦功率量級其性能較差。同時，兩者的技術成熟度目前較低，需要繼續深入研究和驗證，解決壽命、磁路、性能等限制因素，為未來的空間應用夯實技術基礎。
4.向高精度可調節方向發展
電推進具備推力精確可調的優勢，但是隨著航天規劃、空間探索任務的不斷發展和提升，要求推進系統所需執行空間任務的控制精度要求越來越高，如微小衛星組網、重力梯度測量、引力波探測等高精度空間任務，均需要推進系統進行精確的姿態控制、擾動精確補償等。該種類型任務，不僅化學推進無法完成，霍爾、離子等常規電推進也很難完成，因此，對高精度性能調節的電推進技術需求變得明確而迫切。
針對上述需求，國際上正在發展多種新型的電推進技術，不僅將電推力器的推力下探至微牛量級，而且推力的調節可實現更高的精度，甚至實現無級連續調節。此外，也在發展脈沖工作式電推進技術，實現電推進的元沖量精確控制等。
例如，歐洲研制的In-FEEP-25衛星場發射電推力器，推力1～25μN可調節，推力噪聲〈0.1μ.N，最小沖量＜5×10-°Ns，可極大地提高微小型航天器姿軌控精度。較為成熟可靠的霍爾電推進技術，國內外均在發展推力大范圍連續可調的小功率等離子體電推進技術，德國研制的HEMP-T3050樣機，其推力可在20~100mN范圍內連續可調。
5.向更低成本方向發展
近幾年，1000kg以下的微小衛星已穩定占據所有發射衛星的40%以上，未來，隨著國內外多個小衛星星座的發展，種類繁多的科學探測任務的規劃提出，微小衛星的發射占比將越來越高。
同時，近幾年商業航天快速發展，涌現出以SpaceX、藍色起源為代表的成熟的商業航天公司。
微小衛星和商業航天不僅對小功率電推進提供明確而迫切的需求，而且要求電推進系統的成本盡量低，以適應商業航天的發展需要，以及成百上千顆微小衛星的批量應用與發展。
電推進為了實現更低成本，首先針對目前成熟應用的電推進種類，向微小功率發展，如50~400W級小功率霍爾推力器、離子推力器等，具有技術成熟高、研制風險低、研發周期短、成本低的優勢，可快速實現空間應用。如美國研制的50~300W的BHT200霍爾推力器即是繼承5kW的BHT-4000霍爾推力器研發而來，已經成功應用于TacSat2快響應小衛星上。
其次，發展新型的電推進技術，如微陰極電弧推進技術，其系統可高度集成化和模塊化，以降低研發和應用成本。
此外，對于發展的小功率霍爾、離子等電推進技術，在確保推力器性能的前提下，研究采用更低成本的推進劑，如氪氣、固體推進劑等，來代替成本高昂的氙氣推進劑，從而進一步降低成本。
美國SpaceX公司的StarLink小衛星星座計劃，已于2019年5月成功發射60顆左右衛星，其星上配置的百瓦級小功率霍爾推力器，均采用低成本的氪氣作為推進劑，極大地降低了應用成本。
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