自今年1月23日，我國首顆全電推進衛(wèi)星“亞太6E”正式開啟電推變軌的旅程以來，該衛(wèi)星已經在軌道上發(fā)揮著重要的通信作用?！皝喬?E”采用東方紅三號E衛(wèi)星平臺，設計壽命15年，配置了25個Ku波段轉發(fā)器和3個Ka波段轉發(fā)器，通信容量超過30Gbps。它的成功發(fā)射和運營受到了媒體和廣大航天愛好者的廣泛關注，其原因就在于衛(wèi)星采用了全電推進設計。那么，電推衛(wèi)星有哪些優(yōu)勢呢？

(相關資料圖)

亞太6E衛(wèi)星示意圖（中國航天科技集團五院供圖）

電推技術帶來高比沖

電推進系統使用電能取代化學能作為衛(wèi)星的主動力，是目前最先進的空間推進技術，得到了航天大國越來越多的重視和青睞。俄羅斯和歐美日等國家和組織很早就將電推進系統投入到航天領域，且歐美國家在商業(yè)衛(wèi)星上使用電推進技術已經普及了很多年。

電推進技術之所以受青睞，就在于它有很多優(yōu)勢。傳統航天器比如衛(wèi)星主要使用化學能火箭發(fā)動機，依靠燃料和氧化劑燃燒噴氣提供推力。由于化學燃料受能量密度等因素制約，發(fā)動機比沖不高，而火箭發(fā)動機的比沖相當于汽車發(fā)動機的耗油率，是制約發(fā)動機和航天器性能的關鍵指標。即使是大型發(fā)動機使用能量最高的液氫燃料并實施優(yōu)化設計，比如美國的RL10B-2發(fā)動機也只能做到465秒的比沖。

衛(wèi)星為了變軌、調姿和維持軌道高度，需要攜帶大量燃料，采用傳統化學能發(fā)動機的通信衛(wèi)星，大部分重量都被燃料所占。電推進技術的最大優(yōu)勢就是工作原理不同帶來的高比沖，即使是比沖較低的霍爾電推發(fā)動機，也普遍能做到1500秒以上的比沖。

高比沖意味著能減少燃料攜帶量，提高攜帶載荷的能力，這對發(fā)射成本極高的航天器來說經濟意義十分重大，也為衛(wèi)星設計帶來了巨大優(yōu)勢。

電推主要分為兩大類

目前，廣泛使用的電推技術主要分為離子電推和霍爾電推兩大類。離子電推屬于靜電式電推，也就是靜電場中把工質離解為離子和電子，噴出高速的離子產生推力。霍爾電推屬于電磁式電推，利用霍爾效應電離工質，加速離子噴出產生推力。

霍爾電推相比離子電推，優(yōu)勢在于技術和結構簡單，但同等技術水平下的比沖較低。美國和蘇聯都曾研制和使用過電熱式電推，它使用電能把工質加熱為蒸汽噴射產生推力，比沖介于化學能發(fā)動機和霍爾電推之間。雖然電熱式技術最簡單，重量也最輕，但比沖優(yōu)勢不明顯，現在已經很少使用了。

電推技術最主要的優(yōu)勢是發(fā)動機比沖很高，即使是電熱式電推，比如美國的MR-510電弧式電推，其比沖也有600秒左右，遠遠高于化學能發(fā)動機的比沖。而蘇聯/俄羅斯研制的老式霍爾電推，比如廣泛應用的pps1350g發(fā)動機，其比沖達到了1660秒。老式離子電推以美國深空一號探測器使用的NSTAR為例，比沖更是達到3100秒。

如今一些國家研制的新一代電推發(fā)動機，霍爾電推也能做到3000秒以上，離子電推不乏4000秒以上的例子，而概念更先進的磁等離子體動力推力器和可變比沖磁等離子體火箭，比沖甚至能達到6000秒和12000秒。

根據齊奧爾科夫斯基公式，發(fā)動機比沖的提高可以指數級地提高有效載荷質量比。例如，1顆重量4.8噸、設計壽命15年的靜止軌道通信衛(wèi)星，它攜帶的化學燃料和儲箱的重量就有3噸，如果使用離子電推，可節(jié)約810公斤的燃料。如果使用全電推進方案，衛(wèi)星重量能降低到2噸以下。

“亞太6E”作為我國首顆全電推進衛(wèi)星，它的本體質量只有約2噸，而使用傳統化學能發(fā)動機的同級別通信衛(wèi)星質量普遍在5噸左右，所以電推帶來的性能優(yōu)勢相當明顯。

亞太6E衛(wèi)星（中國航天科技集團五院供圖）

運用前景寬廣

目前，美國和俄羅斯的電推技術積累最雄厚，工程實踐和商業(yè)應用最出色，尤其是美國商業(yè)通信衛(wèi)星上，電推已經成為標準配置。

歐洲的航天器制造商也引進和自行研制了各種電推發(fā)動機，并發(fā)展了自己的電推衛(wèi)星，空客航天防務公司除了研制傳統大型商業(yè)通信衛(wèi)星外，還研制了使用電推的一網衛(wèi)星。日本的電推技術也可圈可點，由于日本在商業(yè)通信衛(wèi)星領域的競爭力差，名氣主要體現在“隼鳥”等深空探測器上。

2012年，我國發(fā)射的實踐9號衛(wèi)星就在我國衛(wèi)星中首次實現了電推進，填補了我國電推技術在軌應用的空白。該衛(wèi)星讓我國突破和掌握了離子電推和霍爾電推技術，現在還在積極研究和應用新一代電推，以及各種新概念電推技術。

隨著“東方紅4號E”和“東方紅3號E”等平臺通信衛(wèi)星的陸續(xù)服役，以及東方紅5號衛(wèi)星平臺的出現，我國的電推衛(wèi)星也逐漸成為主流。

電推技術作為目前最先進和性能最強的航天器推進方式，是空間推進技術的重要發(fā)展方向，已經逐漸成為新一代衛(wèi)星的標準配置。同時，電推進技術不僅在各種商業(yè)通信衛(wèi)星上得到越來越多的應用，深空探測對速度增量要求高，同樣是電推技術大顯身手的領域。

美國以深空一號探測器和黎明號探測器為代表，越來越多的探測器開始使用電推技術。哪怕是極端追求技術可靠性，新技術應用較為保守的載人航天領域，電推技術也得到了應用。我國的天和號核心艙已經裝有電推發(fā)動機，美國計劃打造的月球門戶空間站的動力能源模塊，將使用性能更先進的新一代大功率電推發(fā)動機。

另外，美國還計劃使用電推發(fā)動機作為未來載人火星探測組合體的主發(fā)動機。

當然，電推技術并非完美解決一切問題的“靈丹妙藥”，雖然電推發(fā)動機比沖很高，但受限于電力供應和發(fā)動機設計，推力遠不能和化學能發(fā)動機相比，在需要大推力、快速響應和快速變軌的場合，化學能發(fā)動機仍然大有用武之地。（作者：張雪松）

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