电推进技术现状转Word格式文档下载.docx
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由于当时受到航天器上电源的限制以及冷战期间苏美两国将更多的
注意力放在了传统化学火箭发动机上，电推进并没有进入工程研制阶
段，直到1955年后，美苏开始竟相研制电推进技术，使得电推进技
术开始登上航天大舞台。
现代航天学和火箭理论的奠基人康斯坦丁・齐奥尔科夫斯基。
正是由
于他的杰出贡献和影响，使苏联在世界航天事业中占有重要地位。
在人类航天历史上，有三位科学家的名字将被永远铭记，他们是：
俄国的康斯坦丁•齐奥尔科夫斯基（KonstantinE.Tsiolkovsky）、美国的罗伯特・戈达德（RobertHutchingsGoddard）和德国的赫尔曼,奥伯特（HermannOberth）。
一、电推进系统组成
电推进系统主要由三部分组成：
电源处理系统（PowerProcessorUnit,PPU、推进剂储存与供给系统和电推力器，其典型配置如图所示。
计用机
典型电推进系统示意图
电源处理系统调节来自太阳能电池板或者其它电源
的电流，并按照要求输送到推力器和航天器上其它用电系统。
由于电
源处理系统在电推进系统中担当着重要的角色，其体积和质量通常比较大，也是电推进系统中比较复杂的分系统。
前面提到，电推进发动机的推力一般较小，因此，在不降低电源处理系统性能的前提下，如何减小其体积和质量是摆在科研人员面前的一个重要课题。
推进剂储存于供给系统与传统的冷气推进系统及单
组元推进系统相近，包括推进剂储箱、电磁阀、过滤器、和管路系统等。
电推进系统的推进剂流量通常情况下较小而连续供给的时间很长,这给电磁阀的流量控制和防泄漏带来了困难，也增加了地面试验时流量测量的难度。
电推进器将电源处理系统输送过来的电能通过一定
的方式转化为推进剂的动能，能量转化率以及性能是衡量某个推力器优劣的重要指标。
二、电推进分类及特点
根据电推进系统中将电能转化为推进剂动能方式的
不同，大致可将电推力器分为3类：
电热型、静电型和电磁型。
电推进
电推进分类及其典型推力器
电热型推进系统利用电能加热推进剂，是最早在实验室中进行研究的电推进类型，也经常通过传统的化学火箭发动机改装而来。
被加热的推进剂经拉瓦尔喷管加速喷出发动机，产生推力。
电热型推进器是几种电推进中比冲较小的，和传统化学火箭发动机比冲相当，但其优点是结构简单、价格便宜、安全可靠、操作和维护方便等。
典型的电热型推进系统有电阻加热喷气推进器（Resistojet）和电弧加热喷气推进器（Arcjet）。
典型电热型推进系统原理图：
左：
电阻加热喷气推进器；
右：
电弧加
热喷气推进器
静电型推进系统将推进剂气体原子电离为等离子体
状态，再利用静电场将等离子体中的离子引出并加速，高速喷出的离
子束流对推力器的作用力即为推进系统的推力，此外，有的静电型电
推进系统利用静电场加速带电液滴或液态金属离子产生推力。
静电型推进器特点是比冲高、结构紧凑、质量轻以及技术成熟等。
典型的静电型推进系统有霍尔效应推进器（HallEffectThruster,HET。
霍
尔效应推进器还被称为稳态等离子体推力器，StationaryPlasma
Thruster,SPT）和离子推进器（IonThruster,IT）
磁铁
中心线
阳极
槌-
L尚余HII极）I、7
1
典型静电型推进系统原理图：
霍尔效应推进器；
离子推进器电磁型推进系统利用电场和磁场交互作用来电离和
加速推进剂，产生推力。
在电磁型推进系统中，推进剂离子的加速不是通过单独的电场来完成的，因此，喷出的离子束不受空间电荷的限制，即在等离子体中，通过磁作用比通过静电作用能获得更大的能量密度。
电磁型推力器的特点是比冲高、技术成熟、寿命长等。
典型的电磁型推进系统有脉冲等离子体推进器（PulsedPlasmaThruster,
PPT）和磁等离子体推进器（MagnetoPlasmaDynamicThruster,MPDT。
电容
I』.原
1|
典型电磁型推进系统原理图左：
脉冲等离子体推进器；
磁等离子体推进器
电推进中推进剂喷出推力器时的动能是由电源的能
量也就是功率决定的，因此理论上来说，只要电源系统的功率足够大，电推进系统的比冲可以远大于传统的化学推进发动机。
实际上，电源
系统始终是制约电推进发展的一个关键要素，当前应用的电源系统大部分为太阳能电池板，其功率较小。
几种典型电推进推进器的性能如表所示。
类型比冲效率推力/内忖
化学单组元2205400^500,000
化学双组元290s1,000-500,000
电
Resistojet
150^700
30^90
SfClQO
执
Arcjet
280^1000
30^50
5015,000
静
HET
10001w8000
40^60
1^*700
IT
2000-10.000
55^90
0.0S-600
由
PPT
1000-V1500
5^15
0,005^20
磁
MPD
1000^5000
10-40
20-200,000
三、发展水平
在电推进技术的发展历程中，由于冷战时代的太空竞赛，以美国、苏联的发展最为迅速，处于世界领先水平。
电推进器的工程研究从20世纪50年代末才开始。
早在1955年，苏联就已经开始试验道轨式和同轴式脉冲等离子体推进器。
1958年8月，美国的福雷斯特在火箭达因公司运行了第一台艳接触式离子推进器，同年，苏联也试验了这种推进器。
1960年，美
国NASA勺Kaufman研制了第一台电子轰击式离子推进器，因此这种推力器也被称为Kaufman推进器。
同年，德国吉森大学的勒布试验了第一台射频离子推进器。
苏联库哈托夫原子能研究所的莫罗佐夫教授在1966年试验了第一台SPT推进器。
此后，各类电推进器的工程研究得到了迅速发展。
1955年毕业于莫斯科大学的阿列克谢-莫罗佐夫（A刀ekce8
Mopo3oBa）“关于建立等离子体电火箭发动机的可能性”的文章，从此开始了等离子推进器技术的研究，并因在SPT方面的研
究而成为该领域的国际权威之一
g
50年代苏联科学家扎列诺夫提出的等离子源设计图
美国福雷斯特的第一台能接触式离子推进器
「MAGNETICCOIL
早期的Kaufman推力器
从20世纪60年代开始，电推力器进入了实际应用的时代。
PPT是最早应用的电推进器。
1962年，苏联首次将PPT用于卫星的阻力补偿
任务，此后又在其向金星发射的星际空间探测器上使用了6台PPT推
进器，1968年，美国在其地球同步通讯卫星上成功地应用了PPT当
前，各航天大国及相关单位对脉冲等离子体的研究方兴未艾。
一些发
展中国家也与发达国家合作开展了对脉冲等离子体推力器的相关研究,如巴西和英国的科研人员对高频短脉冲PPT（HighFrequency
PulsedPlasmaThruster,HFB-PPT）进行了研究和测试。
.■
骞薮
PPT1
PPT2
PPT-3
PPT4
PPT120
单脉冲冲量（必6
2250
2500
2300
2600
3000
脉冲能量（J）
100
120
脉冲转率（Hz）
<
2
0,S-2
功率（W）
250
60-240
比冲（8）
851
1Z25
1600
1700
2Z00
效率（%）
54
LS.3
18
22
27
苏联用于金星探测器上的
PPT推进器草图
苏联/俄罗斯研制的PPT性能参数
■
美国NASAF制的EO-1PPT隹进器
60年代后，苏联随着SPT推进器的发明开始重点研究SPT并取得了巨大成就，其中苏联“火炬”试验设计局（EDB“FAKEL,注意此“火炬”不是研制生产S-300导弹的“火炬”设计局）、凯尔德什设计局、库尔恰托夫研究所及中央机械制造科学研究所（TsNIIMASH成为苏联研制电推进器的主要单位，其中的“火炬”的成就最为显著。
俄罗斯电视台采访“火炬”设计局
该设计局位于俄罗斯处于德国、波兰中间的飞地-加里宁格勒州，成立于1955年，是苏联科学院推进实验室下属企业，1962年升级成为设计局，目前隶属俄罗斯航天局。
成立50多年来一直从事
电推进技术研究开发，是苏联和俄罗斯研制开发SPT实力最雄厚的单
位。
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Cffi-zr+^wEoe即血通2*l*ra村一F-MTEOBliLtfvv^jariH9
设计局50周年纪念册
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所。
阿丽・「加次切样
火炬设计局69年设计的SPT推进器
EOL-1型SPT推进器部件
EOL-2型SPT推进器部件
1971年，苏联首次将SPT应用于METEOR天器上，用于轨道保持任务。
从1977年到1997年，前苏联进行了一系列关于SPT系列推进器的地面试验和飞行测试。
其中包括用于KOSMOSUCHCOUPON和YAMAL-100亢天器上的SPT-70推进器，用于GAL序口EXPRESS天器上的SPT-100推进器，用于SESAR口YAMAL-200亢天器上的SPT-100推进器地面试验等。
这些SPT推力器的功率范围为0.7-2.5kW,推力在10-150mN之间。
SPT-25;
SPT-35
SPT-50;
右SPT-70
SPT-100,右：
SPT-2300
奉敬
SPT-25
SPT-50
SPT-70
SPT-100
推力（mN）
4.6-4.8
1-10
20
4。
S3
功率（kw>
0.1
0.2
0.35
0.65
1.35
比冲（s）
800
1100
1250
1450
1550
16
35
对
46
52
寿命（h）
3.S
2000
3100
8000
质量（kg）
0.3
0.4
0,8
1.5
3.5
最终状态
实脸空
实验室
飞行应用
SPT系列推进器性能比较
负责单位-
功率（kW）
0.5
D.5-5.0
5.0-10.0
10.D-50.0
SPT-200
5PT-290
DBFaker和
SPP100
RIAMEMAT
PPS-L350（WithSNECMA）
SPT-140
KM-37
X-85M
T'
160E
Keldysh研究中心
KM-45
ROS-99
RQS-2000
D-27
D-55
D-ioon
TM-50
TSNIIMASH
D・
D-BO
0150
苏联/俄罗斯研制的SPT推进器列表，其中TsNIIMASH的D-55还被美
国选做商用和军用卫星推进系统备选方案
俄罗斯克尔德什研究中心的霍尔推进器研制情况
由于苏联的解体，火炬设计局在财政上遇到了困难。
这时，
一直垂涎于苏联先进技术的西方公司开始介入。
1992年，由法国著
名的发动机斯耐克玛（SNECMA以及美国机构开始与火炬设计局合作
成立了国际空间技术公司（ISTI）,在SPT-100的基础上改进提高，
应用到西方的卫星上。
目前斯耐克玛已经是欧洲最主要的SPT推进器
生产企业。
2003年9月27日，欧空局发射了用于探索月球的Smart-1
（SmallMissionsforAdvancedResearchinTechnology）航天器，
该航天器采用霍尔效应推进器PPS-1350-G作为主推进。
该推进器为
合作产品，由Snecma制造，原定于用作地球同步卫星的南北位置保
持任务。
通过功率可调和两轴定位的改进，该推力器用于Smart-1任
务。
PPS-1350推进器
Smart-1航天器于2005年2月27日到达最终的环月轨
道，轨道周期为5小时。
2006年9月3日，Smart-1航天器对月球表面进行了撞击，完成其最终使命。
PPS-1350-G推力器功率为649W~1417W比冲最大为1640s,携带推进剂氤质量为82.5kg,推进剂质量流量为4.5mg/s,推力为70mNSmart-1是欧洲第一个飞往月球并绕其飞行的航天器。
SMART-航天器
经过100余年的研究和发展，电推进在空间推进中的应用越来越普遍。
截止到2000年底，共有152个在轨飞行器应用了388台电推进发动机，其中有19个为1999年发射升空的。
截止2004年底，共有超过180个在轨运行航天器应用了电推进系统，仅2004年一年就有10个使用电推进系统的航天器（美国4个、俄罗斯4个、欧空局1个和日本1个）发射升空，它们分别使用月井电弧加热推进器
（HydrazineResistojet）、电弧加热喷气推进器、稳态等离子体推
进器和离子推进器。
目前电推进系统主要应用于以下三个方面：
低地球轨道（Low
EarthOrbit,LEO）、同步地球轨道（GeostationaryEarthOrbit,GEO）
以及星级任务（PlanetaryMission）。
电推进系统在低地球轨道主要
用于阻力补偿、轨道转移、姿态控制、轨道控制及航天器寿命末期重
定位等。
地球同步通讯卫星上电源功率的增大使得使用电推进作为推进系统
成为可能。
目前，国外已有为数不少的卫星平台使用了电推进系统，
电推进在地球同步轨道中主要用于南北位置保持、东西位置保持
（EastWestStationKeeping,EWSK）、轨道转移和卫星寿命末期重
新定位等。
俄罗斯电推进技术在西方国家的应用
电推进系统可作为主推进主要用于深空探测任务，其中包括：
探索太阳系其它行星及其卫星等、多目标任务如同时与多个星体进行
交会等、大倾角任务如与某些彗星交会等以及取样返回任务等，其优
点是增加有效载荷、减少飞行时间以及减少发射成本等。
未来的深空
探测任务中，点推进系统必将发挥更大的作用。
此外，电推进还可以用于许多其它空间任务，如在科研和对
地观测任务中进行姿轨控、阻力补偿，在同步轨道中实现空间碎片减
缓任务以及在地球大椭圆轨道任务等。
目前我国在电推进技术上与美国、俄罗斯、欧洲等还有较
大差距，只有加大投入，促进合作，才能缩短与世界领先水平的差距
升级会员 