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兰州制造助实践二十号卫星上太空 510所研制的离子电推进系统达国际一流水平

2019-12-29 00:00:00 智能朗读:

    网投APP社全媒体记者孙理

    12月27日,实践二十号卫星搭载长征五号遥三火箭在海南文昌卫星发射中心顺利发射升空。

    本次搭载实践二十号卫星的LIPS-300离子电推进系统由网投APP航天科技集团有限公司五院第五一〇研究所(以下简称510所)研制,拥有完全自主知识产权,是支撑实践二十号卫星卓越性能的核心技术,更是评价通信卫星先进性的关键指标。在本次任务中,它将完成在轨轨控和轨道转移等任务,同时也将进一步验证其寿命、比冲等指标。

    产品水平达到国际一流

    什么是离子电推进系统?它与以往的用化学燃料的推进器有什么差别呢?510所所长王小军告诉记者,所谓的离子电推进系统属于通常所说的电火箭,是非常规推进系统。它借助电能使工质离解成为带正电荷的离子和带负电荷的电子,再通过加速离子来获得推力。它的排气速度很高,每秒可达几十公里、几百公里,甚至更高。传统的化学推进是通过尾部喷出高速的气体实现向前推进的。离子推力器也是采用同样的喷气式原理,但它所喷出的并不是燃料燃烧排出的炽热气体,而是一束高速的离子流。它所提供的推力或许相对较小,但关键的是这种离子推力器所需要的燃料要比普通化学推进少得多。只要离子推力器能够长期保持性能稳定,它最终将能够把太空飞船加速到更高的速度。

    王小军介绍,目前,应用电推进系统已成为国际通信卫星是否先进的标准。国际宇航界已形成普遍共识,没有电推进系统的卫星将缺乏竞争力。“与航天器用化学燃料排出炽热气体的推进方式相比,电推进技术有大幅减少推进剂燃料、定位更精准等优势。”他说。

    此次实践二十号上运用的离子电推进系统由4台LIPS-300离子推力器,可以用于完成卫星定点后全寿命期间的位置保持任务。510所从2015年年初起承担该任务,只用了1年的时间,完成了飞行产品的研制攻关和AIT阶段的测试工作。并且系统中所用的大发射电流空心阴极,环尖场放电室技术、精密栅极组件设计和制造技术,高电压、大功率电源处理单元技术等多项技术均属510所自主知识产权,打破了国际上对这些技术的垄断。

    “LIPS-300在实践二十号上的应用,它的意义是划时代的,标志着我国航天器飞行动力达到了世界一流水平。这也是我国在建设航天大国、航天强国过程中,一项新的技术突破得到了应用。对于地处兰州的510所来说,更多的体现了我们在国家科技创新,建设航天强国的征途中的使命担当和作出的贡献,我们因此感到自豪。”王小军说。

    多项突破打造最新产品

    实践二十号卫星是东方红五号卫星公用平台首飞试验星。该平台对标国际先进同类卫星平台,要求在未来5至15年内具备较强的竞争优势。LIPS-300离子电推进系统作为东五平台的标准配置,是保障平台先进性的核心分系统,也是实践二十号卫星最主要的在轨验证项目之一。

    目前电推进技术已成为高轨通信卫星的主流推进技术,国际上已将是否采用电推进系统作为衡量大容量、长寿命、低成本通信卫星平台先进性的重要标志。为提升我国通信卫星技术水平,增强国际竞争力,东方红五号卫星公用平台和全电推平台(DFH-4SP)等新型GEO卫星平台均确定采用电推进系统承担在轨姿控和轨道转移等任务。实践二十号卫星作为DFH-5平台的首发试验星,采用的就是510所研制的LIPS-300离子电推进产品。该产品正是瞄准我国新一代卫星平台应用需求研发的一款大功率、高性能、长寿命、多模式电推进产品。

    510所电推进事业部总经理耿海告诉记者,从研制伊始,LIPS-300离子电推进系统的核心单机——离子推力器的性能指标就全面对标国际一流技术水平。要求具备两种工作模式,实现最大推力200毫牛,最高比冲4000秒,寿命累计20000小时的高指标要求,同时满足在轨姿控和部分轨道转移的多任务需求。相比前一代产品而言,LIPS-300无论从推力、功率,还是寿命都有了大幅的提高,由此带来的放电室性能、栅极稳定性、阴极发射能力,可靠性及寿命保证的设计难度也大幅增加。为了完成任务,510所研制团队持续攻坚克难,相比前一代产品,LIPS-300离子推力器在推力、功率、寿命等方面都面临更高的挑战,经过大量的实验,510所科研人员成功使LIPS-300实现了“四大突破”,分别是:高性能四极环尖场放电室技术,三栅极设计与精密制造技术,大发射电流空心阴极技术及及推力器高可靠、长寿命设计技术,成功完成了LIPS-300的研制工作,并实现了目标国内推进系统的两个第一:高比冲和长寿命。

    高比冲是本次LIPS-300离子推力器的一大突破。那么什么是比冲呢?比冲是单位推进剂所产生的冲量,比冲越高,代表纠正轨道所消耗的推进剂越少。LIPS-300离子推力器可实现最高比冲4000秒,这是什么概念呢?打个比方,过去使用化学推进时,一颗重5吨的卫星,60%的重量都是化学燃料,若采用该项技术产品,重量可以减掉2.5吨!这意味着:原来一次只能发射一颗化学推进卫星的运载火箭,现在可以用来发射两颗同样功能卫星,应用了LIPS-300电推进的卫星,仅发射成本一项就打了五折,其他潜在效益难以预估。比冲4000秒是截至目前国内推进系统在空间应用的最高技术指标,为了完成这一任务,510所科研人员在国内电推进技术领域中首次引入并改进了四极环尖场技术,实现该项技术的核心在于协调磁场与等离子体放电之间的耦合关系,这从根本上打破了原来三级场放电室的局限。

    长寿命是LIPS-300离子推力器的另外一个重要特点。本次任务中LIPS-300离子推力器除了保障单一的卫星轨道保持任务外,还需要满足轨道转移的任务需求,这要求推力器要达到20000小时的技术指标。针对这一问题,研制团队先后尝试了变孔径技术、应力释放、微小间距热控技术、微小间距高压绝缘技术等,创新性地采用三栅极设计。为验证该技术的有效性,510所在地面开展了热真空试验、1:1寿命实验等,研制团队的成员们清晰记得试验设备刚建成时,试验人员在寒冬中的坚守,也依稀记得夏日洁净间空调故障时,汗水浸润记录表的执着,当20000小时的地面寿命考核实验完成时,研制团队的成员笑称和推力器一起经历过热循环、一起经历过冷循环,无数个日日夜夜,LIPS-300离子推进器在实验舱中散发着幽幽的光芒,正如一轮皓月,安静、美好,研制人员称这是他们“心中最美的月亮”。

    离子电推进系统是航天发展必选项

    “LIPS-300离子电推进系统究竟肩负了多么重要的任务呢?一方面,离子电推进的比冲是常规化学推进的十倍以上,可以使卫星承载更多的有效载荷;另一方面,LIPS-300离子电推进系统成功的为卫星‘瘦身’,可将卫星携带的推进剂减少90%。”耿海表示,与常规动力相比电推进系统优势非常显著。一方面,目前,我国发射的航天器一直由化学燃料执行空间推进工作,为了完成变轨、姿态调整和南北位置保持任务,卫星需要携带大量燃料。采用电推进系统能大幅减少卫星和探测器上的燃料携带量,卫星也将得到“瘦身”,节省下的空间可携带更多有效载荷。

    “卫星上自身携带的‘干粮’少了,多出来的空间可被充分利用,产生巨大的经济效益。”王小军表示。

    在谈到未来电推进技术的发展方向时,王小军表示未来发展空间广阔,他指出,未来电推进技术将更多的用于通讯卫星、深空探索、引力波探测、大型空间站等方面。为了推进电推进技术的进一步发展,510将投入更多的研究精力,将新建研究基地专门用来进行电推进技术的研究及产品开发。

来源: 网投APP网 网投APP

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