40年磨一“箭”打破美俄技术垄断 510所电推进技术步入国际先进行列

　　40年磨一“箭”打破美俄技术垄断

　　510所电推进技术步入国际先进行列

　　LIPS-300组装实验

　　科研人员检验测试电场探测仪

　　研制现场

　　离子电推力器装配现场

　　嫦娥五号试验星照明灯模拟试验

　　除了嫦娥五号上的众多产品之外，510所为我国的航天事业贡献了不少关键的产品。其中非常值得一说的要数离子电推进系统。今年4月30日，由该所研制的新一代离子电推进产品——LIPS-300离子推力器在实践二十号卫星上成功实现在轨验证，标志着我国电推进产品和应用技术步入国际先进行列。而此前该种技术一直被美俄等航天强国所垄断。

　　40年坚守电推进技术达到国际先进水平

　　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，产品水平不弱于从上世纪50年代就开始从事此方面研究的美国。可这反而成了离子电推进系统由盛转衰的时候。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。

　　510所所长王小军说，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。1999年国家相关部门开始对离子电推进器进行二次研究。这时的510所立刻投入到了研究之中，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，该卫星已经于当年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）。2019年12月27日发射的实践二十号卫星上更是运用了离子电推进系统由4台LIPS-300离子推力器，用于完成卫星定点后全寿命期间的位置保持任务。510所从2015年年初起承担该任务，只用了1年的时间，完成了飞行产品的研制攻关和AIT阶段的测试工作。并且系统中所用的大发射电流空心阴极，环尖场放电室技术、精密栅极组件设计和制造技术，高电压、大功率电源处理单元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。

　　“LIPS-300在实践二十号上的应用，它的意义是划时代的，标志着我国航天器飞行动力达到了世界一流水平。这也是我国在建设航天大国、航天强国过程中，一项新的技术突破得到了应用。对于地处兰州的510所来说，更多的体现了我们在国家科技创新，建设航天强国的征途中的使命担当和作出的贡献，我们因此感到自豪。”王小军说。目前510所是国内唯一同时掌握离子、霍尔等多类型空间电推进产品研制能力的单位。

　　用电取代化学燃料实现经济利益的翻番

　　传统的火箭是通过尾部喷出高速的气体实现向前推进的。离子推进器也是采用同样的喷气式原理，但是它并不是采用燃料燃烧而排出炽热的气体，它所喷出的是一束带电粒子或是离子。它所提供的推动力或许相对较弱，但关键的是这种离子推进器所需要的燃料要比普通火箭少得多。只要离子推进器能够长期保持性能稳定，它最终将能够把太空飞船加速到更高的速度。

　　510所党委书记王润福说，离子电推进技术除了定位精准之外，而且可以大大减少卫星和探测器上的化学燃料的携带量，节省下来大量空间携带更多的仪器，为国家带来更大的经济利益。“我给你举个例子，比如东方红4号卫星平台上有两个1400升的化学储剂箱，这里面的燃料主要是卫星用来变轨的。而用了离子电推进之后可以节省燃料80%以上，同时，卫星的自身重量也大大降低，现在一颗通讯卫星大概重量是4.8吨，用了这种技术自身重量就减为了1.8吨。那么空出来的空间就可以把它利用起来，比如现在星上只有56台转发器，节省下来的空间我们就可以把它增加到100台，一个转发器产生的价值大约是100万美元。也就是说以后一颗用离子电推进系统的卫星，上面的科学仪器是现在的两倍。”

　　未来深空探测离子电推进系统是必选项

　　也许有人会问，我国多少年来火箭和卫星一直动用化学燃料推进，改成离子电推进有必要吗？王小军告诉记者，这不但完全有必要，而且我国的航天器要想在未来的太空有一席之地，在卫星上运用离子电推力器是势在必行的。

　　进入21世纪后，考察一个国家的航天航空能力不仅仅是能否探月、是否有空间站，而是能否开展对火星以远深空探测应用。王润福告诉记者，要想搞好深空探测，离子电推进系统是必选项。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。在现有运载条件下依靠化学能火箭，完成这些深空探测任务几乎是不可能的。首先，深空探测距离很长，因此如果用化学染料，火箭和卫星上大部份的位置将会被燃料所占据，那么相应的科学探测仪器将会减少很多，而且化学燃料成本也非常高。而在使用离子电推进系统之后，因为它的比冲是化学燃料的10倍，且需要的工作介质少，因此它能在太空无重力状态下连续工作几年时间。NASA计算过运用离子电推力的探测器到达土星的飞行时间只需要3年，而传统航天器则要花费7年的时间。少带了燃料就可以多带科学仪器，从而避免了后期再运送仪器或燃料等产生的花费。此外，离子电推进技术已成为高轨通信卫星的主流推进技术，国际上已将是否采用电推进系统作为衡量大容量、长寿命、低成本通信卫星平台先进性的重要标志。为提升我国通信卫星技术水平，增强国际竞争力，东方红五号卫星公用平台和全电推平台（DFH-4SP）等新型GEO卫星平台均确定采用电推进系统承担在轨姿控和轨道转移等任务。实践二十号卫星作为DFH-5平台的首发试验星，采用的就是510所研制的LIPS-300离子电推进产品。该产品正是瞄准我国新一代卫星平台应用需求研发的一款大功率、高性能、长寿命、多模式电推进产品。

　　兰州日报社全媒体记者 孙理/文

　　图片由510所提供