自今年1月23日，我国首颗全电推进卫星“亚太6E”正式开启电推变轨的旅程以来，该卫星已经在轨道上发挥着重要的通信作用。“亚太6E”采用东方红三号E卫星平台，设计寿命15年，配置了25个Ku波段转发器和3个Ka波段转发器，通信容量超过30Gbps。它的成功发射和运营受到了媒体和广大航天爱好者的广泛关注，其原因就在于卫星采用了全电推进设计。那么，电推卫星有哪些优势呢？

亚太6E卫星示意图（中国航天科技集团五院供图）

电推技术带来高比冲

电推进系统使用电能取代化学能作为卫星的主动力，是目前最先进的空间推进技术，得到了航天大国越来越多的重视和青睐。俄罗斯和欧美日等国家和组织很早就将电推进系统投入到航天领域，且欧美国家在商业卫星上使用电推进技术已经普及了很多年。

电推进技术之所以受青睐，就在于它有很多优势。传统航天器比如卫星主要使用化学能火箭发动机，依靠燃料和氧化剂燃烧喷气提供推力。由于化学燃料受能量密度等因素制约，发动机比冲不高，而火箭发动机的比冲相当于汽车发动机的耗油率，是制约发动机和航天器性能的关键指标。即使是大型发动机使用能量最高的液氢燃料并实施优化设计，比如美国的RL10B-2发动机也只能做到465秒的比冲。

卫星为了变轨、调姿和维持轨道高度，需要携带大量燃料，采用传统化学能发动机的通信卫星，大部分重量都被燃料所占。电推进技术的最大优势就是工作原理不同带来的高比冲，即使是比冲较低的霍尔电推发动机，也普遍能做到1500秒以上的比冲。

高比冲意味着能减少燃料携带量，提高携带载荷的能力，这对发射成本极高的航天器来说经济意义十分重大，也为卫星设计带来了巨大优势。

电推主要分为两大类

目前，广泛使用的电推技术主要分为离子电推和霍尔电推两大类。离子电推属于静电式电推，也就是静电场中把工质离解为离子和电子，喷出高速的离子产生推力。霍尔电推属于电磁式电推，利用霍尔效应电离工质，加速离子喷出产生推力。

霍尔电推相比离子电推，优势在于技术和结构简单，但同等技术水平下的比冲较低。美国和苏联都曾研制和使用过电热式电推，它使用电能把工质加热为蒸汽喷射产生推力，比冲介于化学能发动机和霍尔电推之间。虽然电热式技术最简单，重量也最轻，但比冲优势不明显，现在已经很少使用了。

电推技术最主要的优势是发动机比冲很高，即使是电热式电推，比如美国的MR-510电弧式电推，其比冲也有600秒左右，远远高于化学能发动机的比冲。而苏联/俄罗斯研制的老式霍尔电推，比如广泛应用的pps1350g发动机，其比冲达到了1660秒。老式离子电推以美国深空一号探测器使用的NSTAR为例，比冲更是达到3100秒。

如今一些国家研制的新一代电推发动机，霍尔电推也能做到3000秒以上，离子电推不乏4000秒以上的例子，而概念更先进的磁等离子体动力推力器和可变比冲磁等离子体火箭，比冲甚至能达到6000秒和12000秒。

根据齐奥尔科夫斯基公式，发动机比冲的提高可以指数级地提高有效载荷质量比。例如，1颗重量4.8吨、设计寿命15年的静止轨道通信卫星，它携带的化学燃料和储箱的重量就有3吨，如果使用离子电推，可节约810公斤的燃料。如果使用全电推进方案，卫星重量能降低到2吨以下。

“亚太6E”作为我国首颗全电推进卫星，它的本体质量只有约2吨，而使用传统化学能发动机的同级别通信卫星质量普遍在5吨左右，所以电推带来的性能优势相当明显。

亚太6E卫星（中国航天科技集团五院供图）

运用前景宽广

目前，美国和俄罗斯的电推技术积累最雄厚，工程实践和商业应用最出色，尤其是美国商业通信卫星上，电推已经成为标准配置。

欧洲的航天器制造商也引进和自行研制了各种电推发动机，并发展了自己的电推卫星，空客航天防务公司除了研制传统大型商业通信卫星外，还研制了使用电推的一网卫星。日本的电推技术也可圈可点，由于日本在商业通信卫星领域的竞争力差，名气主要体现在“隼鸟”等深空探测器上。

2012年，我国发射的实践9号卫星就在我国卫星中首次实现了电推进，填补了我国电推技术在轨应用的空白。该卫星让我国突破和掌握了离子电推和霍尔电推技术，现在还在积极研究和应用新一代电推，以及各种新概念电推技术。

随着“东方红4号E”和“东方红3号E”等平台通信卫星的陆续服役，以及东方红5号卫星平台的出现，我国的电推卫星也逐渐成为主流。

电推技术作为目前最先进和性能最强的航天器推进方式，是空间推进技术的重要发展方向，已经逐渐成为新一代卫星的标准配置。同时，电推进技术不仅在各种商业通信卫星上得到越来越多的应用，深空探测对速度增量要求高，同样是电推技术大显身手的领域。

美国以深空一号探测器和黎明号探测器为代表，越来越多的探测器开始使用电推技术。哪怕是极端追求技术可靠性，新技术应用较为保守的载人航天领域，电推技术也得到了应用。我国的天和号核心舱已经装有电推发动机，美国计划打造的月球门户空间站的动力能源模块，将使用性能更先进的新一代大功率电推发动机。

另外，美国还计划使用电推发动机作为未来载人火星探测组合体的主发动机。

当然，电推技术并非完美解决一切问题的“灵丹妙药”，虽然电推发动机比冲很高，但受限于电力供应和发动机设计，推力远不能和化学能发动机相比，在需要大推力、快速响应和快速变轨的场合，化学能发动机仍然大有用武之地。（作者：张雪松）

来源: 中国航天报

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