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日前我國發(fā)射的實踐9號攜帶的衛(wèi)星上第一次使用了離子電推力技術(shù)，從此為我國的航天技術(shù)開啟了一扇新的大門。此前該種技術(shù)一直被美俄等航天強國所壟斷。而打破美俄技術(shù)壟斷，研制出這種國際領(lǐng)先推力系統(tǒng)的正是蘭州空間物理研究所(510)所的科研團隊。12月26日，記者采訪了該所的科研團隊，了解了這種國際領(lǐng)先技術(shù)的誕生過程。

40年堅守電火箭技術(shù)達到國際先進水平

在不久前，實踐9號A星攜帶的510所自主研制的離子電推進系統(tǒng)首次點火成功，穩(wěn)定工作3分鐘，隨后又進行了第二次點火，穩(wěn)定工作了近4分鐘，實踐九號A星離子電推進系統(tǒng)飛行試驗取得了開門紅。整個離子電推分系統(tǒng)包括1個推進劑貯存模塊、1個調(diào)壓模塊、4個流量控制模塊、4臺離子電推進器以及其他附屬設(shè)備，系統(tǒng)干重約140千克。單臺離子電推進器額定推力40豪牛，比沖3000秒左右，工作壽命在10000至15000小時之間，達到了國際先進水平。這也是國內(nèi)第一次在衛(wèi)星上使用離子電推進系統(tǒng)。

可是有誰知道這次的成功讓510所的科研人員整整花費了40年的時間。510所所長張偉文告訴記者：“這兩次點火雖然只用了7分鐘的時間，可是為了這7分鐘的成功，我們卻花了40年來研究。這次電火箭在實踐9號上的20次點火把衛(wèi)星的軌道提高了324米，讓中國擁有了以往只有美國和俄羅斯等航天強國才有的技術(shù)。”據(jù)了解，510所是國內(nèi)最早開展電推進技術(shù)研究的單位，早在1974年就開始研制離子電推力系統(tǒng)，到了1986年研制了80毫米汞離子電推進，該成果于1987年獲得了國家科技進步一等獎，在當時達到了國際領(lǐng)先水平，產(chǎn)品水平不弱于從上世紀50年代就開始從事此方面研究的美國?？蛇@反而成了離子電推進系統(tǒng)由勝轉(zhuǎn)衰的時候。由于當時科學(xué)技術(shù)的制約，以及美國也沒有開始應(yīng)用，國家相關(guān)部門決定不再從事離子電推進系統(tǒng)的研究。而這一放就是十年。但是510所看好這項技術(shù)在未來的發(fā)展前途，并沒有解散這支科研隊伍，通過自籌資金一直維持著這支科研隊伍。并于1988年至1993年期間研制成功了90毫米氙離子電推進系統(tǒng)。

張偉文說，直到1997年，美國的SPI衛(wèi)星上首次應(yīng)用了離子電推進系統(tǒng)，在世界航天界引起轟動。1999年國家相關(guān)部門開始對離子電推進器進行二次研究。這時的510所立刻投入到了研究之中，在1999年至2004年研制了200毫米離子電推進系統(tǒng)原理樣機，主要性能達到國外同類產(chǎn)品水平。2004年至2007年完成了200毫米離子電推進系統(tǒng)工程樣機研制，通過了環(huán)境條件鑒定試驗。2007年至2012年為實踐九號衛(wèi)星研制了200毫米離子電推進子系統(tǒng)，該衛(wèi)星已經(jīng)于今年10月發(fā)射并實現(xiàn)首次空間飛行試驗(美國做到這一點用了8年時間，而510所只花了5年)，510所研制的離子電推力火箭作為這次空間試驗的3個最主要的測試系統(tǒng)之一。此次離子電推力系統(tǒng)的成功應(yīng)用，對我國的航天事業(yè)來說是里程碑式的。

據(jù)了解，目前國內(nèi)開展離子電推進技術(shù)研究的單位包括510所、801所、502所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、國防科大、上海交大等，其中，只有510所和801所屬于工程產(chǎn)品研制單位，其它只進行相關(guān)技術(shù)研究，而能做出離子電推力系統(tǒng)的只有510所，并且突破了諸多電推進技術(shù)，其中不少技術(shù)一直被美國長期壟斷。

用電取代化學(xué)燃料實現(xiàn)經(jīng)濟利益的翻番

什么是離子電推進系統(tǒng)？它與以往的用化學(xué)燃料的推進器有什么差別呢？510所特種推進室主任張?zhí)炱窖芯繂T告訴記者，所謂的離子電推進系統(tǒng)就是通常所說的電火箭，屬于非常規(guī)推進系統(tǒng)。是借助電能使工質(zhì)離解成為帶電粒子，再通過加速這種帶電粒子流來獲得推力。它的排氣速度很高，每秒可達幾十公里、幾百公里，甚至更高。最早的離子引擎于1960年左右由NASA的研究中心制成，但之后一直處于試驗階段。直到1998年，探測彗星的深空1號才首次將離子引擎作為主力推進系統(tǒng)應(yīng)用在深空飛行中。

傳統(tǒng)的火箭是通過尾部噴出高速的氣體實現(xiàn)向前推進的。離子推進器也是采用同樣的噴氣式原理，但是它并不是采用燃料燃燒而排出熾熱的氣體，它所噴出的是一束帶電粒子或是離子。它所提供的推動力或許相對較弱，但關(guān)鍵的是這種離子推進器所需要的燃料要比普通火箭少得多。只要離子推進器能夠長期保持性能穩(wěn)定，它最終將能夠把太空飛船加速到更高的速度。

電推進作為先進的空間推進技術(shù)，美國和前蘇聯(lián)一直都是這種先進技術(shù)的壟斷者，直到近年來，相關(guān)技術(shù)才應(yīng)用到一些太空飛船上，比如日本的“隼鳥”太空探測器和歐洲的“智能1號”太空船等，而且技術(shù)已經(jīng)取得了很大的進步和經(jīng)濟效益。

510所副所長王潤福說，電火箭除了定位精準之外，而且可以大大減少衛(wèi)星和探測器上的化學(xué)燃料的攜帶量，節(jié)省下來大量空間攜帶更多的儀器，為國家?guī)砀蟮慕?jīng)濟利益。“我給你舉個例子，比如東方紅4號衛(wèi)星平臺上有兩個1400升的化學(xué)儲劑箱，這里面的燃料主要是衛(wèi)星用來變軌的。而用了離子電推進之后可以節(jié)省燃料80%以上，同時，衛(wèi)星的自身重量也大大降低，現(xiàn)在一顆通訊衛(wèi)星大概重量是4.8噸，用了這種技術(shù)自身重量就減為了1.8噸。那么空出來的空間就可以把它利用起來，比如現(xiàn)在星上只有56臺轉(zhuǎn)發(fā)器，節(jié)省下來的空間我們就可以把它增加到100臺，一個轉(zhuǎn)發(fā)器產(chǎn)生的價值大約是100萬美元。也就是說以后一顆用離子電推進系統(tǒng)的衛(wèi)星，上面的科學(xué)儀器是現(xiàn)在的兩倍。”

未來深空探測離子電推進系統(tǒng)是必選項

也許有人會問，我國多少年來火箭和衛(wèi)星一直動用化學(xué)燃料推進，改成離子電推進有必要嗎？記者也帶著這個疑問咨詢了離子電推力器系統(tǒng)的副指揮于安民，他告訴記者，這不但完全有必要，而且我國的航天器要想在未來的太空有一席之地，在衛(wèi)星上運用離子電推力器是勢在必行的。

進入21世紀后，考察一個國家的航天航空能力不僅僅是能否探月、是否有空間站，而是能否開展對火星以遠深空探測應(yīng)用。王潤福告訴記者，要想搞好深空探測，離子電推進系統(tǒng)是必選項。我國深空探測長遠發(fā)展規(guī)劃中包括了采樣返回、木星探測和庫伯帶小行星探測任務(wù)。在現(xiàn)有運載條件下依靠化學(xué)能火箭，完成這些深空探測任務(wù)幾乎是不可能的。首先，深空探測距離很長，因此如果用化學(xué)染料，火箭和衛(wèi)星上大部份的位置將會被燃料所占據(jù)，那么相應(yīng)的科學(xué)探測儀器將會減少很多，而且化學(xué)燃料成本也非常高。而在使用離子電推進系統(tǒng)之后，因為它的比沖是化學(xué)燃料的10倍，且需要的工作介質(zhì)少，因此它能在太空無重力狀態(tài)下連續(xù)工作幾年時間。NASA計算過運用離子電推力的探測器到達土星的飛行時間只需要3年，而傳統(tǒng)航天器則要花費7年的時間。少帶了燃料就可以多帶科學(xué)儀器，從而避免了后期再運送儀器或燃料等產(chǎn)生的花費。同時，用化學(xué)染料推進的航天器需要選擇合適的發(fā)射窗口，而離子電推進則不需要。此外，張偉文向記者透露，510所的LIPS-200+離子電推進系統(tǒng)不久將應(yīng)用于我國首次小行星探測航天器，完成主推進任務(wù)，我國未來的東方紅3B、4號、5號、7號等通訊衛(wèi)星上都將使用該推進器，2020年將要應(yīng)用的空間站上也將使用4臺離子電推力系統(tǒng)，這也是我國空間站與美俄空間站相比的創(chuàng)新之處。