中国卫星动力破局 电推进技术促转向“市场型”

中国卫星电源中断

“如果我们的卫星没有电力推进技术，其他国家可能不会购买。如果我们有电力推进技术，它就相当于一个沉重的保险，可以节省一些燃料，其他国家会愿意购买它。”

吴明/北京，《东望周刊》记者

在刚刚于2014年10月结束的中国卫星应用大会上，兰州空间技术物理研究所推进技术研究室主任张天平的报告尤其令人关注。他向与会的学术和行业专家介绍了中国空间电力推进技术的研究和应用情况。

所谓电力推进是指利用电能作为卫星的主要动力源。

卫星功率是衡量卫星水平的一个关键因素。“目前，国际卫星市场上50%以上的通信卫星使用混合动力，包括常规化学燃料和电力推进系统；其他40%或更多的使用传统的化学推进剂。除通信卫星外，其他类型的卫星很少使用电力推进技术。”张天平向《东方展望》解释说，混合动力电力推进系统卫星在进入轨道前使用常规化学燃料，进入轨道后启动电力推进发动机。

电力推进技术带来的深刻印象来自两次卫星发射事故。2001年7月发射的欧洲阿特米斯卫星由于发射失败而未能进入预定轨道。在接下来的18个月里，电力推进系统被用于轨道转移并成功到达预定轨道，这首次证明了电力推进系统具有超强的修复轨道误差的能力。

另一个是2010年8月洛克希德-马丁公司卫星发射事故。使用两个电力推进推进器花了14个月来完成几乎所有的轨道转移任务。

“目前，国内产品的基本性能与欧美国家相当，但从原型开发到最终的工程应用需要很长时间，国外已经取得了大量成熟的应用。我们的国家才刚刚起步，比国外落后十年。”张天平说。

电力推进技术将大大提高中国在国际卫星市场的地位。特别是在成本优势条件下，推动中国航天产业从“科研”向“市场”转型。

为什么购买中国卫星

与化学推进剂推进相比，电力推进的最大优势是节省推进剂，从而增加有效载荷，减轻发射重量，延长卫星的工作寿命。

中国卫通集团“中兴十号”项目总工程师兼“实践十三号”项目副总工程师闵长宁对《瞭望东方周刊》表示，一颗5.5吨的通信卫星通常需要消耗3.1吨的化学燃料。如果使用电力推进发动机，300到400公斤就足够了，“维持卫星一年的正常运行只需要55公斤化学燃料和5公斤氙离子。”

节省的重量和空间可以用来安装更多的设备。安装在通信卫星上的多个转发器可以显著提高经济效益。如果燃料系统能使卫星在轨道上停留更长时间，它将间接地增加卫星的经济效益。

一般来说，离子发动机的燃烧效率比传统化学发动机高10倍左右。这就是专业术语中所谓的高比冲。

比冲是指火箭发动机单位重量推进剂产生的冲量，或单位重量推进剂和流量产生的推力，也称为比冲。对于空间应用，比冲是火箭发动机效率的最终体现。

电力系统一直是限制中国卫星进入国际市场的短板。"过去，中国的通信卫星出口主要依赖于国家间的友好关系."张天平告诉本报记者。

目前，美国在国际卫星市场的份额最大，约占50%，其次是俄罗斯。通信卫星仅占国际卫星市场的一小部分，由其他小型卫星主导。"中国在通信卫星的国际市场份额中排名第八."张天平说，美国拥有60%以上的份额，欧洲也拥有20%以上的份额。

中国的通信卫星少量出售给一些第三世界国家，如委内瑞拉、尼日利亚和其他国家。“与美国和欧洲的一些大型卫星运营公司相比，中国目前在通信卫星方面的竞争优势并不明显。”张天平说。

选择中国卫星产品的国家，一方面有着友好的关系，另一方面对通信卫星的容量要求不高。中国产品的沟通能力可以满足需求。此外，中国采用低利润模式，同样性能的产品有价格优势。

目前，国际市场上通信卫星主要使用氙离子电力推进系统和霍尔电力推进系统。张天平解释说，两者都属于静电加速型，但在工作原理上有一些差异。离子电推进系统的放电和加速过程是独立的，霍尔电推进系统中的这些过程是耦合在一起的

他认为，国际卫星市场的竞争主要集中在有效载荷比和成本上。

目前，在使用常规化学燃料时，中国的通信卫星平台只能安装50多个转发器，这大约是混合推进技术的三分之二。

“‘东方红3B’卫星平台在装载了电力推进系统后，其性价比与国外电力推进系统平台相当接近。未来将使用电力推进技术的东方红5号的性能应该达到目前的国际先进水平。”张天平说。

闵长宁解释说，混合电力推进技术卫星目前仍在国际市场上流行。“化学推进剂用于通信卫星的空间转移轨道，电力推进在进入地球静止轨道后使用，这可以节省数百公斤的重量。全电力推进的市场仍然不好。全电力推进卫星转移轨道需要六个月，这将影响卫星的运行。”

寿命更长的中国卫星

中国电力推进技术的研究始于1967年中国科学院电气工程研究所。1978年，兰州空间技术与物理研究所的前身510制造的中国第一台新型离子电推进发动机试验机获得国家科技进步一等奖。

在这一阶段，美国和俄罗斯已经处于电力推进原型开发和飞行试验阶段。

然而，当时中国并没有重视电力推进技术的应用前景。此后，电力推进技术的研究进入了衰退。

在2012年10月14日成功发射的“实践9号”上，中国进行了两种电力推进技术的在轨飞行试验。

作为中国卫星通信的主要先驱之一，前总参谋部通信部副部长、中国卫星应用会议主席杨仟力对《瞭望东方周刊》表示:“如果我们的卫星有电力推进技术，它就相当于一个大保险，可以节省一些燃料，其他国家会愿意购买。”

张天平说，虽然开始时对电力推进技术的重要性认识不足，但在中国空间技术研究院参与国际招标的过程中，电力推进技术被认为是招标的基本条件，这引起了特别关注。

他说，“实践9”进行了电力推进技术的首次飞行试验，但“应用时间相对较短”。它主要验证了电力推进技术在空间和地面的性能差异，以及它对空间环境的适应性、与卫星的兼容性等。”

他解释说，“普拉西斯9号”是一次搭载飞行，是新技术的展示。当时有20多项新技术得到验证，而电力推进技术只是其中之一，因此只能算是中国首次电力推进技术的太空飞行试验。

中国空间技术研究院通过自筹资金，于2010年决定在“东方红3B卫星平台”上实施电力推进技术的应用。

所谓的“东方红3B”卫星平台就是以这个平台系统为基础，拥有一系列的卫星。

事实上，当“东方红3B”项目第一次启动时，没有中国空间技术研究院增加的电力推进技术。通过它的发展，电力推进技术的应用取得了很大进展张天平解释说，“东方红3B”采用200毫米氙离子电推进系统——电推进发动机的喷射直径为200毫米，这是电推进发动机功率大小和性能的具体体现。

迄今为止，该平台电力推进技术的地面测试已经进行了近5000个小时。

闵长宁表示，使用“东方红3B”平台的“实践13”通信卫星计划于2017年第一季度发射。

它将搭载四个200毫米氙离子电力推进发动机，在轨寿命为15年。为了满足这一要求，运载的常规化学燃料减少了400至500公斤，有效载荷将增加40%。

自2000年以来，卫星电力推进技术及其应用在世界范围内进入了一个扩展阶段。现在有100多颗通信卫星在轨道上运行，采用混合电力推进。在未来两年，全电力推进卫星也将相继发射。美国和欧洲将很快进入全电力推进时代。

目前正在开发的“东方红五号”对电力推进发动机的要求是:累计工作时间超过42000小时，开关次数超过12000次。然而，离子电力推进系统在美国的地面试验寿命已经超过50，000小时。

在中国未来的空间电力推进技术应用中，近地小行星探测、深空探测、载人深空探测以及空间太阳能电站的轨道维护都将是其应用领域。