電推進(jìn)作為一種先進(jìn)的推進(jìn)技術(shù)，具有比沖高的突出優(yōu)勢，是提升衛(wèi)星性能的重要技術(shù)，在國外高軌軍事衛(wèi)星平臺和商業(yè)衛(wèi)星平臺上均得到了廣泛應(yīng)用。當(dāng)前我國已突破電推進(jìn)單機(jī)技術(shù)，并得到在軌飛行驗(yàn)證。隨著電推進(jìn)單機(jī)技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)成熟，電推進(jìn)任務(wù)正逐步深化。國外在使用電推進(jìn)完成靜止軌道南北位保的基礎(chǔ)上，已逐步深化至使用電推進(jìn)實(shí)施軌道轉(zhuǎn)移。但是電推進(jìn)實(shí)施軌道轉(zhuǎn)移效益與風(fēng)險并存。首先定量分析電推進(jìn)實(shí)施軌道轉(zhuǎn)移的效益，然后給出電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移的風(fēng)險，最后給出電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移在我國航天應(yīng)用的建議。

　　引言

　　電推進(jìn)作為一種先進(jìn)的推進(jìn)技術(shù)，具有比沖高的突出優(yōu)勢。例如離子型電推進(jìn)系統(tǒng)比沖可達(dá)3 000 s，霍爾型電推進(jìn)系統(tǒng)可達(dá)1 600 s;而化學(xué)推進(jìn)的比沖一般為3 00 s左右。高比沖可以帶來三個相互聯(lián)系的效益：

　　(1)延長工作壽命，在運(yùn)載和填裝推進(jìn)劑量不變的情況下，應(yīng)用高比沖電推進(jìn)節(jié)省的推進(jìn)劑消耗量可以延長衛(wèi)星服役壽命;

　　(2)增加有效載荷，在運(yùn)載條件和使命需要的速度增量不變的情況下，應(yīng)用高比沖電推進(jìn)可以減少推進(jìn)劑需求量，這些節(jié)省的推進(jìn)劑質(zhì)量可以用于增加航天器的有效載荷;

　　(3)減輕發(fā)射重量，在最終送入工作軌道航天器質(zhì)量和使命需要的速度增量不變的情況下，應(yīng)用高比沖電推進(jìn)節(jié)省的推進(jìn)劑消耗量使得航天器發(fā)射重量能夠減輕，從而降低發(fā)射成本。

　　鑒于上述優(yōu)點(diǎn)，電推進(jìn)在國際先進(jìn)衛(wèi)星上得到廣泛的應(yīng)用，BSS-702、LS-1300、A2100、E3000、SB4000和AlphaBus等國際主流高軌衛(wèi)星平臺均配置電推進(jìn)系統(tǒng)，其中美國BSS-702HP平臺已實(shí)現(xiàn)了100%使用電推進(jìn)。在美國“寬帶、窄帶、抗干擾和中繼”四大軍事衛(wèi)星通信體系中，最新部署的“寬帶”和“抗干擾”衛(wèi)星均使用電推進(jìn)。國內(nèi)在2008年中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星平臺發(fā)展途徑規(guī)劃中，明確提出了下一代通信衛(wèi)星平臺必須使用電推進(jìn)技術(shù)。

　　電推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜，并且又承擔(dān)至關(guān)重要的推進(jìn)任務(wù)。國外在電推進(jìn)應(yīng)用方面均采取了較為謹(jǐn)慎的路線�？傮w而言，在承擔(dān)的任務(wù)方面由單一到多樣，在應(yīng)用的復(fù)雜性方面由簡單到復(fù)雜。無論是任務(wù)還是應(yīng)用，升級換代的核心是確保應(yīng)用可靠。針對上述問題，從效益和風(fēng)險分析的角度對電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移這一深化應(yīng)用進(jìn)行分析，進(jìn)而給出電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移在我國航天器應(yīng)用上的建議。

　　1、國內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

　　1.1、電推進(jìn)發(fā)展歷程

　　分析國外高軌衛(wèi)星平臺電推進(jìn)應(yīng)用歷程可以看出，電推進(jìn)的應(yīng)用可分為在軌試驗(yàn)、南北位保、位保+部分軌道轉(zhuǎn)移、位保+全部軌道轉(zhuǎn)移等四個階段。這四個階段電推進(jìn)在軌任務(wù)逐漸增強(qiáng)，應(yīng)用逐漸復(fù)雜。電推進(jìn)在軌任務(wù)的增強(qiáng)也是伴隨著電推力器產(chǎn)品性能的提升。

　　第一階段：在軌試驗(yàn)階段。驗(yàn)證電推進(jìn)的在軌性能、在軌任務(wù)等仍全部或部分由化學(xué)推進(jìn)完成。早在20世紀(jì)60年代，美國和俄羅斯就開展了電推進(jìn)在軌試驗(yàn)。比如美國波音公司(時為休斯公司)在1968年就開始在HS-306平臺的ATS-4和ATS-5衛(wèi)星上進(jìn)行電推進(jìn)應(yīng)用試驗(yàn)，取得了成功;

　　第二階段：完成衛(wèi)星平臺的南北位保任務(wù)。從90年代末開始，電推進(jìn)逐漸被商業(yè)衛(wèi)星用于南北位保。南北位保任務(wù)單一、應(yīng)用較為簡單，而應(yīng)用效益相對可觀，推進(jìn)劑(含化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)和電推進(jìn)系統(tǒng))所占比例可以降低約10%。國外的BSS-601、E3000、LS1300、SB4000、Alphabus 等現(xiàn)役衛(wèi)星平臺均使用電推進(jìn)完成南北位保任務(wù)。當(dāng)前，南北位保仍然是高軌商業(yè)衛(wèi)星使用最多的方式。對于南北位保任務(wù)，典型的電推力器包括XIPS-13離子推力器和SPT-100霍爾推力器，電推進(jìn)工作功率為1 000 W量級;

　　第三階段：在軌位保+部分軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)。在南北位保任務(wù)的基礎(chǔ)上，電推進(jìn)還完成部分軌道轉(zhuǎn)移的任務(wù)，軌道轉(zhuǎn)移主要為軌道轉(zhuǎn)移最后階段的軌道提升。利用電推進(jìn)完成軌道轉(zhuǎn)移，進(jìn)一步增加了電推進(jìn)的任務(wù)量，從而也進(jìn)一步節(jié)省推進(jìn)劑，提高衛(wèi)星性能。與此對應(yīng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用復(fù)雜程度也相應(yīng)提高。BSS-702HP平臺、A2100M平臺(AEHF衛(wèi)星基于該平臺)均已使用電推進(jìn)進(jìn)行軌道轉(zhuǎn)移。此階段電推進(jìn)工作達(dá)到或接近10 000 W量級，一般使用2臺5 000 W量級的推力器同時工作實(shí)現(xiàn);

　　第四階段：位保+全部軌道轉(zhuǎn)移，即全電推進(jìn)衛(wèi)星。衛(wèi)星取消了復(fù)雜的雙組元化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)，采用高比沖的電推進(jìn)系統(tǒng)完成衛(wèi)星的全部軌道轉(zhuǎn)移、在軌位置保持、姿態(tài)控制及離軌等任務(wù)。美國波音公司2013年3月推出的BSS-702SP平臺就是此類用法。德國OHB公司、美國軌道科學(xué)公司、歐洲泰雷茲·阿萊尼亞航天公司近期也相繼推出各自的全電推衛(wèi)星平臺。

　　1.2、電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移應(yīng)用現(xiàn)狀

　　從電推進(jìn)發(fā)展歷程可以看出，在以南北位保為代表的電推進(jìn)初期在軌應(yīng)用技術(shù)穩(wěn)定后，電推進(jìn)實(shí)施軌道轉(zhuǎn)移是其深化應(yīng)用的主要途徑。然而正如后續(xù)分析，電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移對大系統(tǒng)、整星、分系統(tǒng)等各個層面均提出使用需求，這使得設(shè)計(jì)和應(yīng)用風(fēng)險較高。為此，各衛(wèi)星研制商在電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移應(yīng)用的步調(diào)并不一致。當(dāng)前國際上地球同步軌道衛(wèi)星電推進(jìn)實(shí)施軌道轉(zhuǎn)移情況統(tǒng)計(jì)如下表1所列。

表1 地球同步軌道衛(wèi)星電推進(jìn)實(shí)施軌道轉(zhuǎn)移情況統(tǒng)計(jì)

　　美國波音公司和洛克西德馬丁在電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移應(yīng)用方面較為迅速。美國波音公司在其BSS-601平臺使用電推進(jìn)南北位保的基礎(chǔ)上，在緊隨其后的BSS-702HP平臺上就把電推進(jìn)任務(wù)擴(kuò)展到完成部分軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)(變軌最后階段的軌道圓化)。應(yīng)用近15年后，又推出了全電推平臺BSS-702SP。洛克西德馬丁公司在使用電弧型電推進(jìn)獲得成功后，在其基于A2100M平臺的AEHF衛(wèi)星(先機(jī)極高頻衛(wèi)星)上使用4臺霍爾型電推力器完成軌道轉(zhuǎn)移和在軌位保。2010年8月，第一顆先機(jī)極高頻衛(wèi)星AEHF-1在衛(wèi)星遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動機(jī)失效的情況下，使用電推進(jìn)成功實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星救援，并獲得成功，成為當(dāng)年航天領(lǐng)域的大事之一。隨后的AEHF-2、AEHF-3等均把電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移作為標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用。

　　然而，歐洲在電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移應(yīng)用方面采取了相對較為保守的路線。歐洲空中客車集團(tuán)(原阿斯特留姆公司母公司)和法國泰雷茲·阿萊尼亞公司在21世紀(jì)初各自成功實(shí)現(xiàn)了電推進(jìn)南北位保后，在聯(lián)合研制的歐洲當(dāng)前最先進(jìn)在役靜止軌道衛(wèi)星AlphaBus 平臺上，仍然采取了“低風(fēng)險路線”的策略，仍使用電推進(jìn)完成南北位保任務(wù)。

　　4、電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移風(fēng)險分析

　　從大系統(tǒng)、整星和分系統(tǒng)三個層面分析電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移的風(fēng)險，在設(shè)計(jì)中該風(fēng)險可轉(zhuǎn)化為電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移設(shè)計(jì)約束。

　　4.1、大系統(tǒng)風(fēng)險

　　由于電推進(jìn)推力較小，使用電推進(jìn)變軌時的一個特點(diǎn)是變軌時間長。由此帶來三個方面的約束：

　　(1)空間輻射影響風(fēng)險。地球輻射帶的高能粒子會影響太陽電池陣使得衛(wèi)星能源供給能力降低。地球輻射帶分為內(nèi)輻射帶和外輻射帶。地球內(nèi)輻射帶高度為600～10 000 km，中心位置高度為3 000～5 000 km，在南北緯40°以內(nèi)。內(nèi)輻射帶主要由質(zhì)子和電子組成，另有少量的重離子。地球外輻射帶高度為10 000～60 000 km，中心位置高度為20 000～25 000 km，在南北緯70°以內(nèi)。外輻射帶主要由電子組成，另有一些能量較低的質(zhì)子。內(nèi)輻射帶能量更高，質(zhì)子的能量從幾十千電子伏到幾百兆電子伏，相應(yīng)的影響更大。內(nèi)輻射帶是GTO至GEO經(jīng)歷的區(qū)域，也是設(shè)計(jì)重要分析的方面。使用遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動機(jī)變軌時，衛(wèi)星由GTO至GEO的變軌時間一般小于一周;而對于電推進(jìn)變軌，變軌時間長達(dá)幾個月，甚至半年，由此帶來空間輻照的影響是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須解決的一個問題。根據(jù)電推變軌過程進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明在GTO至GEO轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)行半年的總輻射劑量最高達(dá)到相當(dāng)于GEO軌道運(yùn)行半年總輻射劑量的約5倍;

　　(2)安全性降低風(fēng)險。電推進(jìn)變軌一般采用超同步軌道，此時衛(wèi)星軌道演變過程為遠(yuǎn)地點(diǎn)高度逐漸降低，近地點(diǎn)高度逐漸抬高。這導(dǎo)致衛(wèi)星將頻繁穿越靜止軌道。此時，衛(wèi)星與軌道上已有的衛(wèi)星，尤其是未知的衛(wèi)星、碎片等碰撞的幾率增加。由此增加了衛(wèi)星變軌過程中的風(fēng)險;

　　(3)軌道轉(zhuǎn)移成本增大風(fēng)險。長時間變軌產(chǎn)生的成本代價，包括地面測控站費(fèi)用、晚入軌而產(chǎn)生的利息、保險費(fèi)用增加等。

　　4.2、整星風(fēng)險

　　電推進(jìn)發(fā)動機(jī)雖具有高比沖的優(yōu)點(diǎn)，但其推力很小，單臺發(fā)動機(jī)推力在百毫牛量級，GTO向GEO的變軌飛行時間長達(dá)半年甚至更多(根據(jù)實(shí)際推力加速度不同而不同)，使得常規(guī)的基于遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動機(jī)的變軌策略不再適用。小推力變軌當(dāng)前還是航天動力學(xué)領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)，其目前研究狀態(tài)可簡單概括為“理論完整，求解不易，工程實(shí)施難”。體現(xiàn)在衛(wèi)星設(shè)計(jì)和研制方面，主要體現(xiàn)在三個方面：第一方面，星上控制系統(tǒng)需要具備同時保證太陽翼對日指向(保證星上能源)、點(diǎn)火姿態(tài)(保證軌道控制效果)等的能力;第二方面，變軌過程必須自主，電推進(jìn)需要長期(幾十天至上百天)點(diǎn)火，如此長的飛行期間內(nèi)若仍采取常規(guī)地面控制為主的飛行控制手段，需要耗費(fèi)大量的人力物力資源;第三方面，星上設(shè)備適應(yīng)超同步軌道要求，比如地敏視場必須適應(yīng)超同步軌道要求。

　　衛(wèi)星熱控風(fēng)險。電推進(jìn)長時間點(diǎn)火，以電推進(jìn)10 000 W功率點(diǎn)火計(jì)算，電推進(jìn)工作時星內(nèi)供電設(shè)備散熱超過500 W，整星需要具備相應(yīng)的熱控能力。此外，衛(wèi)星長期處于GTO+軌道，整星需要具備相應(yīng)的熱控手段保證星上載荷等設(shè)備的安全。在整星設(shè)計(jì)方面，還涉及大功率電推進(jìn)應(yīng)用產(chǎn)生的高電壓、大電流等帶來的元器件和原材料方面的難題。

　　4.3、電推進(jìn)系統(tǒng)風(fēng)險

　　電推進(jìn)實(shí)施軌道轉(zhuǎn)移后，電推進(jìn)系統(tǒng)研制將存在兩方面的風(fēng)險。

　　第一方面：電推進(jìn)系統(tǒng)需要具備多模式工作的能力。電推進(jìn)應(yīng)同時適應(yīng)軌道轉(zhuǎn)移和在軌位保的能力。兩種任務(wù)對電推進(jìn)需求不同，軌道轉(zhuǎn)移對推力要求相對較高，而在軌位保對比沖要求相對較高。一般任務(wù)，對于軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)，電推進(jìn)工作功率一般應(yīng)達(dá)到萬瓦級。

　　第二方面：電推進(jìn)系統(tǒng)壽命驗(yàn)證要求。國外電推進(jìn)在軌故障表明，電推進(jìn)系統(tǒng)在軌故障主要體現(xiàn)在系統(tǒng)壽命能力方面。電推進(jìn)實(shí)施在軌位保和軌道轉(zhuǎn)移后，系統(tǒng)工作時間大幅延長，達(dá)到上萬小時的量級，相應(yīng)地壽命驗(yàn)證難度較大。需要綜合降低技術(shù)風(fēng)險、優(yōu)化試驗(yàn)成本和周期、降低試驗(yàn)條件保障等多方面因素設(shè)計(jì)出壽命驗(yàn)證方案。

　　5、小結(jié)

　　電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移，可以較大幅度的增加載荷承載能力或者降低發(fā)射重量，但是電推進(jìn)軌道對大系統(tǒng)、衛(wèi)星設(shè)計(jì)、單機(jī)設(shè)計(jì)方面均提出了新的需求。針對電推進(jìn)實(shí)施軌道轉(zhuǎn)移效益和風(fēng)險并存的實(shí)際狀況，建議我國首先在高軌衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)南北位置保持，積累電推進(jìn)工程應(yīng)用基礎(chǔ);在此基礎(chǔ)上，深化電推進(jìn)設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究，擴(kuò)展至電推進(jìn)和化學(xué)推進(jìn)聯(lián)合變軌，并逐步實(shí)現(xiàn)包括在軌位置保持、GTO 至GEO軌道全部軌道轉(zhuǎn)移等在內(nèi)的全電推型應(yīng)用。