LIPS-300地面點火試驗

電推進領域頻頻傳來好消息，前段時間是801所的20kW大功率霍爾推力器實現全網刷屏，今天的主角則是510所的LIPS-300大功率離子推力器。相比較于801所的20kW，LIPS-300是5kW量級的小家夥，但是相比較我國以往上天應用電推進系統而言，這已經是一個大家夥了，而且是一個實實在在經過太空驗證的先進電推進系統。如果非要我比較一下801所的大功率霍爾推力器和510所的LIPS-300，我認為前者代表了未來，而後者則于當下引領風騷。

2019年12月27日，長征五号成功複出，并将我國首顆基于東方紅五衛星平台的實踐20号（SJ-20）通信衛星送入了預定軌道。

該衛星以“國家使命、超越領先、技術引領”為設計原則，是我國目前最重地球同步軌道衛星，被賦予了重多黑科技，今天将為大家重點介紹其中的一項黑科技：電推進系統——離子推力器。

東五平台是我國自主開發的新一代大型地球同步軌道衛星平台，據了解，按照設計指标，基于“東五”平台的衛星起飛重量可達8000-9000kg，載荷承載能力可達1500-1800kg；整星功率28kW以上，提供載荷功率達18kW；載荷艙的散熱能力達9kW；設計壽命長達16年。更為重要的是，東五平台可以滿足不同功能衛星研制需求，可廣泛應用于高軌通信、微波遙感、光學遙感、空間科學探測、科學試驗、在軌服務等多個領域，是世界航天領域少有的多适應性平台。引用自《東五首飛！我國衛星公用平台産品體系構建完善》

何為電推進，顧名思義就是采用電的推進裝置。那麼不采用電的推進裝置是什麼，當然是化學推進。在地面使用的汽車，我們知道汽車有燒油的，有油電混合的，更有純電動的特斯拉。電推進之于衛星，就相當于電機之于汽車，他們均需要電能作為能量輸入，最後輸出動能，産生動力。

純電動的Tesla與混動的豐田汽車

那麼，SJ20應用電推進的必要性在哪呢？還是以汽車為例，說明衛星采用電推進系統的必要性。

在汽車領域，采用電是為了環保節能，如果不考慮電是如何得到的，單純考慮電能與機械能、熱能與機械能之間的轉化關系，前者的轉換效率是遠遠高于後者的。在太空領域，同樣适用。

不同于汽車領域，電能可以産生很強勁的動力使電動汽車的速度與傳統汽車的速度相當，太空領域的電推進系統産生的力是非常微小的，小至μN，中至mN，大至N，而衛星上化學推進可以産生10-1000N甚至更大的推力。這主要是二者産生推力的原理不同造成的。

化學推進會短時間内噴出大量的氣體，甚至采用化學反應短時間内釋放出化學燃料的化學能，這種純暴力的方式可以在瞬間産生一個巨大的沖擊，付出的代價是短時間消耗大量的燃料，而且這種方式下氣體的能量更傾向于各向同性（即各個方向的速度接近相等），即使通過特殊的噴管設計達到定向加速的效果，但是速度仍然較低，速度低将導緻比沖低，從而消耗更多的燃料，這就是采用化學推進産生大推力時需要付出的代價。

采用電推進則相反，電推進在電場和磁場的作用下産生大量的帶電粒子，再用電場和磁場将帶電粒子定向加速至高能量，這樣的過程可以使比沖大幅度提高，從而達到節省燃料的目的，但是這個過程最終産生的推力非常小。推力小不代表其沒有優點。

離子推力器工作原理

如果衛星需要緊急機動快速避讓，或者需要盡快完成變軌，那麼電推進系統确實難以勝任，但是如果需要提供連續、持久且精确的推力，電推進無疑是最佳選擇。

根據不同的任務，電推進與化學推進是完美搭配，而不是互相排斥的。

因為SJ-20是我國目前最重地球同步軌道衛星，這對動力系統提出了至少以下兩個方面的需求：

• 燃料攜帶量少；
• 更強勁的動力。

由于該衛星需要發射到地球同步軌道，節省燃料可以節省大量的發射費用，另一個角度而言，節省燃料意味着同等發射費用下可以使衛星平台攜帶更多的有效載荷（各種功能儀器）。

一般而言，目前常用的電推進有霍爾推力器和離子推力器，比沖基本是化學推進器的10倍以上。以美國波音720SP衛星平台為例，以往的化學動力衛星是一箭單星，而采用全電推進平台的720SP實現了一箭雙星，可見采用電推進節省燃料的能力之強。

因此，此次大家夥SJ-20在首次發射就采用了電推進，因為誰也不想成為别人眼中的胖子。

采用電推進，意味着需要電。要想電推進提供強勁的動力，這意味着衛星需要強有力的能量來源，而衛星的能量來源為太陽能。為了滿足大功率電推進系統的使用要求以及衛星本身各項系統對能量的需求，SJ-20大膽采用了另一項黑科技——“繃弦式”太陽翼。

實踐二十号衛星身軀龐大，它的“翅膀”是我國迄今為止面積最大、翼展最長、展開方式最複雜的太陽翼，雙翼展開比波音737飛機的翼展還要寬上10米。盡管這雙“翅膀”十分巨大，但是卻“身輕如燕”，作為國内首個“繃弦式”太陽翼，機電重量比為曆史最低。太陽翼首次采用二維二次展開方式，展開後面積大大增加，帶來源源不斷的超強電流供給，讓實踐二十号衛星始終擁有充沛體力，為更多的用戶提供廣播電視服務、移動通信服務。引用自《最強盤點丨數數實踐二十号衛星的“黑科技”》

除了“繃弦式”太陽翼，SJ-20還有一套矢量調節機構。矢量調節機構是用來調整推力方向，使推進系統效果達到最優的關鍵機構。SJ-20有了這兩項關鍵技術，為大功率電推進在太空為衛星提供持續、精準的推力提供了保障。

鋪墊了這麼多，這次搭載SJ-20一起飛入太空的離子推力器到底是怎樣一個厲害的家夥呢？官方給出的信息是：

本次搭載的LIPS-300電推進系統實現了高性能放電室設計，大束流密度三栅極設計及熱穩定性控制等4大技術突破，解決了高密度等離子體源、複雜環境下精密器件熱設計等國際難題，可實現200毫牛推力、最高比沖4000秒的高性能指标，較上一代LIPS-200電推進系統相比，綜合性能大幅提升，技術指标達到國際先進水平。此外，Lips-300電推進系統首次設計了低、高雙功率輸出模式，就像是汽車一樣可以根據“路況”的不同變換不同的檔位，任務執行能力更強更加靈活、更加高效。引用自《成果 | LIPS-300電推進系統成為空間動力“新擔當”》

官方信息中的幾點關鍵信息：

• 技術突破：高性能放電室設計，大束流密度三栅極設計，熱穩定性控制等；
• 性能指标：200mN推力，4000s比沖；
• 工作模式：低、高雙功率輸出模式。

第一點技術突破是為了解決高密度等離子體源、實現高效長壽命加速離子和複雜環境下精密器件的熱設計這幾個問題的。複雜環境主要是指火箭發射過程當中面臨的強沖擊動力學環境以及離子推力器在太空工作時的超高溫/超低溫冷熱交替環境，複雜的熱力學環境會導緻高精密的栅極系統面臨失效的風險。

第二點性能表明了離子推力系統的動力輸出能力和燃料節省能力。4000s的比沖，這相比較于化學推進常見的300s左右的比沖，提高了13倍。

電推進技術是未來開展深空探測的首選利器，打個比方，過去使用化學推進時，一顆重5噸的衛星，60%的重量都是化學燃料，若采用電推進技術産品，重量可以減掉2.5噸。多出來的空間可以配備更多科學載荷，同時應用了LIPS-300離子推力器的衛星，僅發射成本一項就打了五折，還不算其他潛在效益，因此LIPS-300電推進系統擁有着廣闊的發展前景。特别是對于火星、水星、金星、木星和小行星等這些星的探測來說，距離地球幾百萬甚至上億千米，采用化學推進，在現有的運載條件下，是不可能完成的任務，隻有電推進系統才能有效解決這一問題。此外，電推進系統還有其特殊的優勢，其連續工作能力和推力可調節能力，使得探測任務可以不受或少受發射窗口的限制。引用自《成果 | LIPS-300電推進系統成為空間動力“新擔當”》

第三點工作模式表明該推力器可以提供不同範圍的推力，即不是隻産生200mN的推力。這使該推進系統能夠更加靈活的工作，尤其是當其他功能儀器短時間需要大功率電能時，如果不具備這樣的工作模式将導緻衛星短時間失去動力。

本文主要内容到此結束，下一篇文章将從原理上詳細分析離子推力器，并針對LIPS-300的技術突破，嘗試弄清楚以下幾個問題：

• 高性能放電室的設計受到哪些因素的影響，優化的方法有哪些；
• 栅極系統的設計以及大栅極系統設計面臨哪些問題；
• 熱穩定性對離子推力器的重要性。

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