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航天科技集团五院510所,离子电推进系统开启中国航天器电推进时代

2019-11-22 18:06

自2007年起,从工程样机起步,在不到5年的时间里,该所研制成功1千瓦级LIPS-200飞行产品,走完了国外同阶段耗时近10年才走完的路。该产品装载在2012年发射的实践九号卫星上,经过长达一年的在轨飞行试验考验,表现优异。据专家评价,产品已达到国际先进水平,一些主要技术指标优于国外同类产品。

  “十五”以来,国家加大了科技创新投入,510所积极争取国家项目立项,在获得集团公司和五院创新基金支持的同时加大自主投入力度,加快技术成果应用,先后研制成功LIPS-200试验样机、工程样机和飞行验证产品,成功突破了200毫米离子电推进系统及各单机的关键技术,使之成为具备在轨应用条件的成熟工程产品,具备批量化生产能力。在此基础上开发了LIPS-200+、LIPS-100、LIPS-300离子电推进系统及系列霍尔电推进系统产品。

周志成表示,目前我国有多家单位完成大功率长寿命多模式电推力器的样机研制,并通过了长时间稳定点火试验;小推力长周期联合姿轨控技术等其他关键技术也取得重要进展,达到工程可用要求。同时我国已完成了全电推进卫星平台方案的详细设计。“针对国内外用户需求,我国已经完成多颗全电卫星的项目建议书”。

目前,我国发射的航天器一直由化学燃料执行空间推进职能,为了完成变轨、姿态调整和南北位置保持任务,航天器需要携带大量燃料。举例来说,我国目前一颗15年寿命的高轨道卫星大约重4.8吨,而化学燃料贮箱重量就达3吨。如果采用LIPS-200电推进系统替代化学推进,仅南北位置保持就可省去810公斤燃料,如果执行全电推进方案,整星重量将降至2吨以下,从而大幅提升我国通信卫星的容量和国际竞争力。

带好队伍 提升能力

  LIPS-100、LIPS-300是为功率不同的卫星量身打造的,能够满足相应卫星的轨道转移、位置保持、高精度轨道维持和无拖曳飞行以及编队飞行卫星星座轨道维持等需求。

“当前,我国研制应用的全电推进系统已达到国际先进水平,并将全面迈入工程应用阶段,满足通信卫星系列平台、高轨遥感平台和深空探测器等发展需求。同时我国已完成全电推进卫星平台方案的详细设计。”中国航天科技集团公司五院卫星总体技术专家、通信卫星项目总师总指挥周志成近日向科技日报记者透露:“我国首颗全电推进卫星的成功研制指日可待,并有望在年内具备推向市场的条件。”

电推进技术是当前最为先进的空间推进技术,其基本原理是通过把外部电能转化为推进剂喷射动能,从而产生推力的一种反作用式推力系统。欧美自上世纪60年代起开始研制,于90年代初步开始应用,产生了良好的经济效益,形成了竞争优势。

电推进的快速发展,对技术创新和高水平科研人才提出了更加迫切的需求。510所去年专门成立了电推进事业部,同时以重点实验室为平台,将电推进技术纳入国家级创新平台,组建了一支近200人规模的专职研发队伍。

  据介绍,LIPS-200+电推进系统充分继承了LIPS-200的成熟技术,并在推力、比冲、效率等方面都有了较大提升,属于千瓦量级的离子推力器,适用于东四E平台15年期间的南北位置保持、小行星探测主推进等领域。

2012年10月,我国实践九号卫星发射升空,对多种电推进技术方案的正确性、在轨工作性能、与航天器的相容性以及长期在轨工作能力进行了成功验证,意味着我国全电推进系统已经初步具备在轨应用能力。

通过长寿命考核试验验证,将进一步夯实LIPS-200离子电推进系统的工程化基础,为空间应用提供更加可靠的保障。LIPS-200离子电推进系统的型号应用,对于全面提升我国通信卫星系列平台、深空探测航天器、重力场测量卫星、载人航天空间站等多种用途的航天器整星技术水平、进一步增强我国商业卫星的国际竞争力、促进我国航天技术跨越式发展具有重大的里程碑意义。

作为国际著名的卫星运营商,欧洲通信卫星公司是全电推卫星平台应用的先导者,他们在参观考察之后,对中国电推进技术研究的成就和能力表达了高度赞赏和钦佩之情。

  针对未来我国新型通信卫星平台的发展要求,510所科研人员将践行“创新驱动”理念,不断研发电推进技术新品,为我国新型通信系列卫星平台应用离子电推进系统提供坚实的保证,推动我国航天推进系统研制水平再上新台阶。

对于电推进技术,我国开展了长期科研攻关,有着坚实的技术储备。

目前,在上级部门的大力支持下,电推进技术已被纳入国家创新平台,成为该所国家级重点实验室的重要研究方向,使电推进技术已进入型号全面应用的又一个万里长征。各级领导和用户的大力支持,科研人员的辛勤付出,已经结出了丰硕的成果,这一切都在庄严宣告:中国航天器步入电推进的新时代已指日可待。 来源:中国航天网

据该所电推进事业部总经理张天平研究员介绍,电推进事业部年轻人的比例已占70%以上。为了提升队伍的整体技术水平,事业部不仅注重传帮带,还大胆给年轻人派任务、压担子,将能力建设量化到年度考核中,作为一项硬任务长期来抓,帮助年轻人快速成长,打造了电推进事业发展的优秀人才梯队。

  所谓电推进,就是用电能取代化学能作为卫星的主要动力来源的一种推进技术。其基本原理是通过把外部电能转化为推进剂喷射动能,从而产生推力的一种反作用式推力系统。电推进技术作为目前最先进的空间推进技术,与传统的化学推进相比,具有大幅减少推进剂、操控更灵活、定位更精准等优势,航天器采用电推进系统能够极大地提高有效载荷比,节约卫星发射成本,延长卫星在轨工作寿命。

我国首颗全电推进卫星问世指日可待

在随后的10余年里,因无需求牵引,该所在没有国家项目和经费支持的困难条件下,坚守理想信念,保留最核心的专业研究队伍,自筹资金持续不断地开展技术攻关。

作为我国电推进科研工作的领跑者,510所自主研制的我国首台200毫米离子电推进系统,在2012年搭载实践九号卫星空间飞行试验验证后,其地面长寿命考核试验已超过12000小时,完全具备在轨可靠工作15年以上的能力。

  510所是国内最早开展电推进技术研究的单位,早在1974年就开始研制离子电推进系统,1986年成功研制了80毫米汞离子电推进系统,并于1987年获得了国家科技进步一等奖,在当时达到了国际领先水平,1988年至1993年期间成功研制了90毫米氙离子电推进系统。

航天科技集团公司五院510所所长张伟文表示,现阶段在轨运行的卫星上都配备一套电源系统,主要依靠太阳能帆板获取太阳能,维持卫星正常工作,而电推进系统的电源正是来源于这套系统。

二是工程研究阶段,在获得推力器推力、比冲等特征参数的基础上,聚焦宇航热、力、磁等工程约束条件,实现电推进物理性能与工程要求的高度融合,研制电推进工程样机。

该所研制的离子推力器LIPS-300,对标美国波音公司XIPS-25,具有大推力和高比冲两种工作模式,其性能已达到国际领先水平。

  上图为200毫米离子电推进系统(LIPS-200)地面寿命及可靠性6000小时试验现场。(来源:中国航天报 张二伟)

在全电卫星领域,我国与世界航天强国同时起步,并在关键技术上取得重要进展。

本次开展的电推进系统产品1:1长寿命考核验证,将在以下四个方面全面验证LIPS-200离子电推进系统产品的性能。一是验证电推进系统尤其是推力器产品的工作寿命否满足卫星15年南北位保要求;二是获取影响电推进系统各单机寿命的关键特征参数,为建立寿命预测模型提供基础数据,以便开展可靠性评估;三是确认电推进系统尤其是推力器产品是否存在早期随机性失效模式,并为解决该失效模式提供试验数据;四是确认寿命期间离子推力器的性能变化特性,获得电气参数补偿的摸底数据,为确保卫星任务完成应用提供工作策略验证结果。

如今,深耕该领域40余年的510所,已经将目光投向全球,一步一个台阶,向着更好、更高、更远的目标迈进,致力于为客户提供电推进产品应用的系统解决方案。 来源:航天科技网站

  近日,由中国航天科技集团公司五院510所自主研制的中国首个卫星用200毫米离子电推进系统(LIPS-200)地面寿命及可靠性试验累计工作时间达到6000小时,开关机3000次,具备确保卫星在轨可靠运行15年的能力,这标志着我国自主研制的电推进系统达到国际先进水平,将全面迈入工程应用阶段,能够满足我国通信卫星系列平台、高轨遥感平台以及深空探测器的发展需求。

发展电推进技术成为各国共识

LIPS-200离子电推进系统已于2012年10月在我国实践九号卫星上成功完成空间飞行试验验证。在此基础上,510所瞄准我国高轨道通信卫星平台和空间站建设,集中力量攻坚克难,着力提升产品的成熟度和长寿命高可靠水平,取得了新的突破。此次试验将是对该产品的寿命和可靠性进行的一次全方位检验,也是电推进型号应用阶段必须开展的一项重大试验,它开启了电推进系统全面型号应用的新时代。

作为全新产品,虽然电推进在轨飞行试验表现优异,但是将其作为型号标准配置,引导用户单位的应用需求,依然需要大量工作。为了解决我国星载电推进系统工程应用问题,进一步验证离子电推进系统的可靠性,该所于2013年12月启动地面寿命验证试验,2015年9月,孙家栋等多名院士考察该所电推进寿命试验现场后认为,试验项目化技术为产品,解决了工程应用的“最后一公里”问题,并建议电推进技术“赶紧用”。目前,510所电推进已经被确定为国内多个卫星平台的标准配置,实现了全面型号应用。

周志成介绍说,全电推进技术可以使人类以更低的成本进入太空领域,必将深度改变通信卫星的面貌,甚至直接影响高轨道运载火箭市场;同时可以用更少的代价实现超远深空探测、多目标探测、取样返回等具有大速度增量要求的空间探测任务。

在2014年到来之际,我国自主研制的LIPS-200离子电推进系统鉴定产品在510所启动长寿命地面考核验证试验。该专项试验整合大量的人力、物力、财力,将历时两年,工作时间11000小时,力求突破15000小时,预计累计完成6000~8000次开关机点火试验。

针对未来应用需求,该所提前自主投入,在大推力和微小推力领域一齐发力,研发了多种高功率电推进等产品,掌握了离子、霍尔两大主流电推进关键技术,可满足多个领域的不同需求,为电推进系统在我国航天器上广泛应用奠定了坚实基础。

预计到2020年,我国将实现千瓦级电推进产品的批量化推广应用,实现快启动电推进、多模式电推进产品的可靠性提升,完成50千瓦量级大功率推力器主要关键技术攻关。

打造长寿命高可靠产品

梦想之光 厚积薄发

今年3月2日,美国波音公司研制的两颗全电推进卫星——亚洲广播卫星-3A卫星和欧洲通信卫星115西B卫星升空。这是全球首批发射入轨的全电推进通信卫星,意味着卫星的技术发展和应用空间正发生着重大变革。

一是技术开发阶段,以电推进点火试验为特征,主要是测量、固化推力器的推力、比冲、功耗等物理性能参数,研制电推进试验样机。

前不久,欧洲通信卫星公司工程部部长安德鲁先生在中国航天科技集团公司五院510所访问交流时,不无忐忑地询问:“你们的电推进产品能不能卖给我们?”该所张伟文所长坚定地回答:“我们要把电推进产品卖给全世界!”

2012年,波音公司率先提出全电推进卫星概念,其BSS-702SP全电推进平台一经推出即获得4颗卫星订单,从此引领了全球全电推进卫星的发展浪潮。近年来,全球主要卫星制造商纷纷推出了全电推进卫星研制及发射计划。

我国电推进系统的发展历程

近年来,国家逐步加大了科技创新投入,该所积极争取国家项目立项,并在集团公司和五院创新基金的支持下,相继突破了多项关键技术。

其次,全电推技术可大大延长通信卫星的寿命。周志成说,采用全电推技术后,燃料携带量将不再成为卫星寿命的约束,通信卫星的设计寿命将普遍突破目前15年的上限,达到18至20年。

必发娱乐官方网站,从电推进系统的研制历程看,一般来说,从技术开发到型号应用,必须步步为营,要经历四个不可逾越的发展阶段,每一个阶段都有其特定的技术目标。

该所同期研制的离子推力器LIPS-300电推进系统,测试性能已达到国际领先水平。不仅如此,该所提前自主投入,建成了完整的电推进产品研制生产线,具备年度配套多颗星的能力。

目前,国际宇航界已将电推进技术列为未来十大尖端技术之一,并将其作为衡量未来大容量、长寿命卫星先进性的重要“标杆”。大力发展电推进技术成为各航天大国的共识。资料显示,目前国际上已发射和计划发射的全电推进系统航天器数量已经突破50颗,未来国际宇航发射中采用电推进系统的航天器所占比例将进一步扩大。

四是型号应用阶段,在空间飞行试验验证的基础上,开展地面1:1长寿命考核验证试验,以确认电推进系统、关键部组件15年长寿命工作的能力。510所即将开展的长寿命考核试验就是决定我国电推进系统正式应用于卫星型号的最重要的试验。

周志成介绍,目前美国波音公司和洛马公司的电推进系统应用最为广泛,应用程度也更为深入。这两家公司的通信卫星都已采用了5千瓦量级大功率多模式电推力器,电推进除用于南北位置保持外,还用于部分轨道转移任务。其他公司如美国劳拉公司、轨道科学公司,欧洲泰雷兹公司、空客公司、OHB公司、日本三菱公司等,也在卫星上采用了1千瓦量级的电推力器,主要用于南北位置保持任务。

四次跨越

全电推进技术是采用电推进系统取代化学推进系统作为航天动力的新型航天器设计技术。由于其具有高比冲的优势,可以将航天器的有效质量提高到90%左右,卫星发射重量大为减轻,同时降低对运载火箭的承载能力要求。

40年孤独坚守,40年埋头攻关,该所广大干部职工自力更生、艰苦奋斗,从预研成果到工程样机,再到型号产品,逐步跨越了电推进研制的关键阶段。几十年来,无论多么艰难,该所始终把促进我国电推进技术发展作为光荣职责和坚定追求,矢志不渝,从未放弃。

他介绍,全电推卫星对空间电源的发电要求大为提高,进入同步轨道后,多余的电能可以提供给通信载荷,让通信能力更加强大,连接的用户数目也将更多。此外借助卫星的自主监测、管理,可使卫星的长期运行管理更智能,地面操作更简便,提升卫星运行的安全、可靠性。

在欧美等电推进系统应用比较早的国家,地面寿命考核试验是解决电推进系统长寿命、高可靠问题的有效手段和通行做法。早在两年前,510所就依托在真空设备研制领域的技术优势,筹资8000多万元自主建造了TS-5A、TS-6A、TS-7等大型真空试验设备,建成了国内最先进的TS-7电推进专用大型真空试验设备,以满足LIPS-200离子推力器的长寿命试验要求。

“通信卫星上采用的电推力器主要有离子推力器和霍尔推力器两种。”周志成说,波音公司和日本卫星主要采用离子推力器,劳拉、洛马和泰雷兹、空客等公司主要采用霍尔推力器。两种推力器本质上一样,都是用电能将惰性气体氙气电离,形成由离子和电子组成的等离子体,离子在电场作用下加速喷出,产生推力。不同的是,离子推力器的电离区和加速区分离,推力器效率更高,比冲更高,缺点是组成复杂,电源种类多;霍尔推力器的电离区和加速区是合一的,因而体积更小,电源种类少,缺点是比冲低,羽流角偏大。“这两种推力器在国内研制都取得了很大进展,并在实践九号卫星上开展了搭载试验。”他说。

三是空间飞行验证阶段,以验证电推进系统在空间环境下各功能参数的实现与稳定工作,各子系统、单机间的匹配性,以及电推进系统与整星之间的耦合为目的,建立电推进系统的在轨工作基线,研制工程飞行验证产品。

目前国际主流的通信卫星平台,早期都是基于化学推进系统设计的。进入上世纪90年代后期,各国为提升平台能力而陆续实施改进,加载了电推进系统。

再接再厉

记者从航天科技集团五院了解到,不久的将来,我国全电推进卫星也将迈向深远的太空,在更多空间探测、技术应用领域发挥重要作用。

美国休斯702SP平台已于2012年3月完成了全电推进平台建设,实现了这一重大目标,并已进入商业化发展阶段。

让卫星既“瘦身”又“强身”

“十五”以来,国家逐步加大了科技创新投入,该所积极争取国家项目立项,并在中国航天科技集团公司和五院创新基金的支持下,加大自主投入力度,加快技术成果应用,先后研制成功LIPS-200离子电推进系统试验样机、工程样机和飞行验证产品,成功突破了LIPS—200离子电推进系统及各单机的关键技术,使之成为具备在轨应用条件的成熟工程产品。

他表示,采用全电推技术后,首先可使卫星发射重量大幅降低,从目前主流的5至7吨降低到2至4吨,让通信卫星用更小、更便宜的火箭发射,减少用户的项目投入。

目前,国内从事电推进技术探索的单位虽然很多,但是绝大多数尚停留在第一个阶段。

我国全电推进系统已具备在轨应用能力

突破电推进系统核心技术

(科技日报北京5月14日电)

510所于上世纪70年代初几乎与国外同期开展了电推进技术攻关,研制成功直径为8厘米的离子电推进系统,于1987年获得国家科技进步一等奖。

周志成介绍,我国东方红三号B卫星平台加载电推进系统后,与美国劳拉公司、欧洲泰雷兹公司等相比,电推进系统的应用方案基本类似,技术指标水平相当,平台的性价比、载荷比达到或略优于国外同类卫星水平。目前五院通信卫星事业部已将抓总开发的东三B平台、东四增强型平台推向市场,新一代东五平台的建设也在稳步推进。

40年坚守

近年来,电推进技术已在国外卫星上成功实现了工程应用并走向成熟。

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