全电推卫星设想图

我国电推系统实验设备

　　电力推进因为可以长时间在轨工作等优势，已经成为目前主要国家在长寿命航天器研制方面争夺的“制高点”。我国目前已研制成功多种型号多种推力的电推进器，但研制完全采用电力推进的航天器所需要解决的技术难题远不止先进的推进器一个，全电推卫星的控制技术也与普通卫星有很大区别，负责的多。日前，《中国航天报》报道称，我国已经初步掌握了全电推卫星控制能力，很快可能将开始进行此类卫星的工程研制。

　　经过为期两年科研攻关，近日，中国航天科技集团公司五院502所电推进平台控制系统一体化设计方案新鲜出炉。这标志着我国已经初步掌握电推进卫星GNC(制导、导航与控制)系统设计方法，我国在电推进卫星理论研究与工程设计工作中取得重要进展。

　　如何在“卫星大脑”GNC系统的操控下帮助电推进航天器进行轨道转移、精确入轨以及在轨控制是世界性难题。“与传统的化学推进航天器相比，全电推给航天器的制导、导航与控制技术带来颠覆性改变。”中国航天科技集团公司五院502所研发中心副主任汤亮说。

　　以通信卫星变轨为例。在发射成功之后，通信卫星要从近地点200公里转移到距离地球3.6万公里的地球静止轨道。在化学推进器的作用下，这一过程卫星只需要5次运行轨迹修正、历时7天左右时间就可以完成。而在电推进技术应用之后，卫星在变轨过程中姿态、运行轨迹需要进行不间断修正，直至变轨完成，在推力作用下，这一过程需要历时180天。

　　“电推进卫星对GNC系统要求非常高。轨道控制不同方向的耦合、姿态与轨道控制耦合、大量误差源的耦合等问题研究起来要比传统控制方案复杂得多。”汤亮说。

　　同时，传统化学推进卫星的变轨方式是阶段性变轨，这意味着科研人员只需向卫星平台进行阶段性数据注入就能保证实现变轨。而采用电推进技术后，科研人员需对卫星的运行轨迹进行实时监测和不间断调整。

　　“一颗卫星电推进持续工作时间如此之长，飞行测控资源又如此有限，要求科研人员对它进行实时监测确实非常困难。”502所某电推进型号副主任设计师石恒表示，这种实际状况也对卫星平台具有更强的自主导航、自主控制甚至一定程度的任务自主规划能力形成了挑战。

　　“在充分继承我国高轨卫星控制方法的同时，我们设计并验证了一批针对电推进卫星控制的基础方法，其中包括轨道转移控制、自主导航方法等。”502所电推进控制技术攻关小组成员马雪说。

　　而这样的方案形成了电推进卫星GNC系统完整的问题分析和设计框架，整体提升了电推进卫星自主运行能力，同时方案性能经过数值验证，满足目前我国新型电推进卫星平台指标要求。

　　“全面突破电推进平台制导、导航和控制的关键技术和在轨实施，将进一步加快我国多颗卫星的工程化进程，实现多平台、多任务的适用目标。”502所研发中心主任何英姿表示，在这一设计方案的作用下，在不久的将来，我国可全面具备全电推通信卫星平台的控制能力。

　　扩展阅读：全电推卫星的优势

　　2014年12月，《经济导报》曾报道关于我国全电推进卫星研制的相关信息，报道称，现在在轨的混合电推进动力的通信卫星超过百颗，未来两年，全电推进动力的卫星也要相继升空，美国、欧洲即将进入全电推进时代

　　“目前，国际卫星市场上的通信卫星中超过50%采用混合动力，即包括常规化学燃料和电推进系统；另外40%以上采用常规化学推进剂。通信卫星之外的其他类型卫星，则极少采用电推进技术。”在刚刚结束的中国卫星应用大会上，兰州空间技术物理研究所特种推进技术研究室主任张天平向与会的学界、业内专家介绍说，相较化学剂推进，电推进的最大优势是节省推进剂，从而增加有效载荷、降低发射重量、延长卫星工作寿命。

　　“现在国内产品的基本性能和欧美国家相当，但从研制出样机到最后工程应用时间较长，国外已经大量成熟应用，我国现在才开始。”张天平说，电推进技术将大大提升中国在国际卫星市场的地位。特别在具有成本优势的情况下，促进中国航天事业自“科研型”向“市场型”的转变。

　　竞争优势不明显

　　中国卫通集团“中星10号”工程总师、“实践13号”工程副总师闵长宁表示，一颗5.5吨的通信卫星，通常化学燃料占3.1吨，如果采用电推进发动机，三四百公斤足矣，“维持卫星正常运转一年需要化学燃料55公斤，氙离子只需要5 公斤。”

　　动力系统一直是制约中国卫星走进国际市场的短板。“我国以往出口通信卫星大都依赖于国家间的友好关系。”张天平说。

　　中国的通信卫星少量出售给一些第三世界国家，如委内瑞拉、尼日利亚等国。“和美国、欧洲一些大的卫星运营公司相比，目前我国通信卫星的竞争优势不明显。”张天平说。

　　选用中国卫星产品的国家，一方面出于友好关系，同时对通信卫星的容量要求不高，中国产品的通信能力能够满足需求。再者，中国采取微利模式，同性能产品具有价格优势。

　　闵长宁分析称，目前国际市场上受欢迎的还是混合电推进技术的卫星，“通信卫星空间转移轨道时用化学推进剂，进入静止轨道后改用电推进，这能节省几百公斤的重量。全电推进的市场还不好，全电推进卫星转移轨道需要半年时间，影响卫星的运营。”

　　应用广泛

　　在2012年10月14日成功发射的“实践9号”上，中国用两种电推进技术进行了在轨飞行测试。

　　作为中国卫星通信主要开拓者之一，总参通讯部原副部长、中国卫星应用大会主席杨千里说：“如果我们的卫星有了电推进技术，就相当于多了一重保险 ，并能节约一些燃料，别国就会愿意购买。”

　　中国空间技术研究院通过自筹资金，于2010年确定在“东方红3B卫星平台”上进行电推进技术应用实施。所谓的“东方红3B”卫星平台，是基于这一平台系统，有一系列的卫星。

　　“实际上，”东方红3B“最早立项时没有电推进技术，是中国空间技术研究院后来自己加进来的。通过它的研制，在电推进技术应用方面取得很好的进展。”张天平解释，“东方红3B”采用200毫米的氙离子电推进系统—电推进发动机的喷射口径为200毫米，这是电推进发动机动力大小与性能的具体体现。截至目前，这一平台电推进技术地面试验已接近5000小时。

　　闵长宁说，采取“东方红3B”平台的“实践13号”通信卫星已定于2017年第一季度发射。它将携带四台200毫米口径的氙离子电推进发动机，在轨寿命15年。为满足这个要求，携带的常规化学燃料减少了四五百公斤，有效载荷将增加40%。

　　自2000年开始，世界领域内卫星电推进技术和应用已进入扩展阶段。现在在轨的混合电推进动力的通信卫星超过百颗，未来两年，全电推进动力的卫星也要相继升空，美国、欧洲即将进入全电推进时代。

　　目前在研发的“东方红5号”对电推进发动机的要求是：工作总累计时间超过4.2万小时，开关机次数超过1.2万次。而美国的离子电推进系统地面试验寿命已超过5万小时。

　　在中国未来的空间电推进技术应用中，近地小行星探测、远深空探测、载人深空探测、空间太阳能电站轨道维持等都将是它的用武之地。

　　观察者网军事观察员席亚洲认为 ，全电推卫星虽然在通信卫星市场竞争优势不明显，但对于军事用途却价值巨大。有了这一技术，可以大大延长卫星在轨时间，对于导弹预警卫星，海洋监视卫星，导航卫星等需要长时间在轨的卫星来说，这一技术的价值不言而喻。而且在减少卫星携带的燃料后，还可以有更多的空间搭载更大更重的星载设备，也可提高卫星的实际效能。正是因为这一原因，目前各国都在积极研制新型的全电推卫星平台。