芯片揭秘主播幻实(右)对话

上海空间推进研究所电推进事业部副部长杭观荣先生

 

大咖谈芯

幻实说

电推进系统是一种不依赖化学燃烧就能产生推力的航天设备,在卫星、飞船、星际探测器等航天器的姿态、轨道控制等方面,电推力器有着得天独厚的优势。

 

那么,电推进系统的基本原理是什么,目前中国的电推进技术发展处于怎样的阶段?相比于传统的化学推进,电推进有何长处?稀有气体与半导体器件在整个电推进系统中分别扮演着怎样的角色?

 

本期我们邀请到上海空间推进研究所电推进事业部副部长杭观荣先生,听他讲述国产电推进系统的发展历程。

 

以下内容由对话音频整理

本期话题

●我国电推进系统的发展历程


●电推进系统的技术难点有哪些?


●电推进用气体产品与传统工业气体有何不同?


●品质要求十分苛刻,核心器件还需精益求精

 

1、我国电推进系统的发展历程

幻实(主播)本期节目非常荣幸邀请到上海空间推进研究所研究员,博士,硕士生导师杭观荣先生。杭老师目前是上海空间推进研究所电推进事业部的副部长。先请杭老师给大家介绍一下他的主要研究方向。

 

杭观荣(嘉宾)大家好,我的主要研究方向是空间电推进系统。众所周知,目前火箭发射大多需要采用的是化学推进技术,但化学推进的推进剂利用效率较低,对需要在空间中长期运行的卫星而言十分不利,电推进器的研发就是基于这个问题展开的。卫星采用电推进之后,它的在轨寿命以及载荷的承载能力都能够大幅增加。

 

电推进系统一般分为三个部分:电源处理单元、推进剂工质贮存与供应单元、推力器。它的原理是利用太阳能转化为电能,然后将电能转化为动能,这样推进剂的利用效率便得到大幅提升。例如,重量达5吨的GEO卫星(地球静止轨道卫星),如果采用化学推进,燃料占比将非常大,若是采用电推进技术,在功能不变的情况下,卫星的质量将降低一半。

 

但是,电推进技术比化学推进更加复杂,因为将航天器的电转变成推力器和其他设备工作所需的电要借助更多的电子设备,这其中也涉及到电力的变化。

 

幻实(主播)这里是否也涉及到一些芯片的应用?

 

杭观荣(嘉宾)是的。电推进器的控制也很复杂,很多控制器件都和芯片产业相关。

 

幻实(主播)我看到关于您的介绍上写到您参与了国内首次霍尔电推进系统空间飞行试验,您也因此获得了国防科学技术进步的二等奖。不妨跟大家解释一下我们国家电推进的发展历程,和国外相比,我国的电推进技术又存在哪些差距?

 

杭观荣(嘉宾)其实在钱学森先生回国之后,我国的电推进技术就已经展开,但那时候相关的研究投入很少,一方面,我国航天器的电能很小,不足以支持电推进器运行;另一方面,国家的航天任务比较少。

 

典型的电推进航天器推进剂氙气加载量(图源:北京空间信息科技研究所)

 

到上世纪80年代,我国研制出了国内首台汞离子推力器;2000年之后,国家开始大力开展电推进方面的研究;2012年国内首个搭载霍尔和离子电推进的卫星成功发射并进行了在轨实验,这也预示着中国的整套电推进的技术体系、材料体系和研发能力都达到可用阶段;

 

现在越来越多的研究单位、航天高校都在进行电推进相关的研究。目前我们的研究方向主要集中于应用端,聚焦点在1000瓦到5000瓦的电推力器上。

 

2、电推进系统的技术难点有哪些?

幻实(主播)您觉得电推进技术在发展的过程中,我们会在哪些方面遇到难点?电推进技术是否需要其它领域的支撑?

 

杭观荣(嘉宾)难点有很多,比如电推力器本身如何实现点火,如何实现高效率和长寿命等;

 

电推进器的正常工作离不开其特殊的推进剂,例如高纯度的氙气等;

 

一般电推进器是高功率设备,相较于之前的卫星而言,需要更高的电压,这就对电能的高效率利用及高电压的变化技术提出了很高的要求;

 

推进剂一般储存于高压的气瓶中,如果想要稳定供应给电推力器,中间就涉及到减压和微流量的控制,因为电推力器的流速约为几毫克到几微克每秒。

 

霍尔电推进系统原理图

(图源:新浪科技)

 

幻实(主播)在研究过程中,半导体产业是否会制约电推进技术的向前发展?

 

杭观荣(嘉宾)目前会受到一定程度的制约。比如霍尔离子推力器需要用高电压加速离子才能实现较高的比重,虽然高电压环境在地面上比较容易实现,但想在空间中实现却并不容易,这里涉及到一些电力电子的抗辐照器件和高效率的磁芯等。

 

3、电推进用气体产品与传统工业气体有何不同?

幻实(主播)您刚刚提到了氙气可作为推进剂用于电推进系统中,这和一般的工业用氙气是否会有不同?

 

杭观荣(嘉宾)氙气的临界压力为5.83MPa,这使得氙在推进剂的容器中能够以液态形式被储存,这和使用氪气或氩气这样的永久性气体相比,推进剂气瓶可以做的更轻更薄,节省航天器的发射重量。

 

其实我国很早就拥有了氙气的制备能力,但电推力器中负责点火和羽流中和的空心阴极里有一种功能材料叫发射体,它对气体的纯度要求非常高,所以工业用氙气难以用于电推进器中,需要经过进一步的提纯才能被使用。我国相关氙气的制备工艺经历好几年的攻关已经达到可用水平,目前空间中一些电推进航天器也都使用了国产氙气。

 

幻实(主播)电推进系统对半导体器件、工业气体等产品的需求量有多大?会不会带动这些领域的发展?

 

杭观荣(嘉宾)目前我国对电推力器的使用刚刚起步,对各领域产品的需求相对而言不是很多,但现在正是我国对电推进系统研究的高速发展阶段。即使我们没有将航天器发射到太空,我们依然需要工业气体的支持,在电推进系统研发过程中或是对航天器进行寿命考核时,都需要用到这些气体。

 

电推力器的工作寿命一般能达到几千到上万小时,工程师会按照航天任务的需求在地面上进行1:1或者1:1.5的长寿命实验。例如需要研制出一台寿命达到1万小时的电推力器,在地面上至少要考核1万小时,不仅如此,为了测试其可靠性,可能需要多台推力器多次实验,这些过程对氙气或其他推进剂的需求量十分大。

 

 

质量>50KG的地球同步轨道和低地轨道卫星发射数量

(图源:北京空间信息科技研究所)

 

另外,在发射过程中,航天器也会装载推进剂,由于气体充装存在一定损失,所以通常一颗用作位置保持的GEO卫星需要搭载100~200公斤推进剂。

 

美国SpaceX公司的星链计划家喻户晓,他们采用了氪霍尔推力器来替代氙霍尔电推力器,每一颗卫星大约搭载10~20公斤的氪气,虽然每颗卫星装载的推进剂不多,但是星链计划四万颗卫星累计所需的推进剂总量还是十分惊人的。

 

4、品质要求十分苛刻,核心器件还需精益求精

幻实(主播)中国航天会不会有类似“星链计划”的布局?

 

杭观荣(嘉宾)我国也会有相应的布局。之前国内很多产品都是“有而不精”,像电推进系统就对稀有气体的的纯度和产量提出了很高的要求,只有精益求精的产品才能缩短与国外的差距。

 

幻实(主播)对半导体器件的产品质量要求是否也会很苛刻?

 

杭观荣(嘉宾)是的,电推力器对于半导体器件的需求量虽然不大,但是品质要求十分苛刻。因为太空环境与地面上的应用工况大不相同,太空辐照、高低温等都会影响器件运行。不仅如此,一般电推进系统需要工作15~20年,对半导体器件的可靠性、抗干扰能力,高低温环境下的工作能力等都算得上是极大的考验。

 

电推力器在某卫星上的安装位置示意图,红色处为电推力器

(图源:气体圈子官网)

 

幻实(主播)如果您那边需要国产化的半导体器件,我们也十分愿意把国内好的产品推送过去,为中国的航天发展尽自己的一份力。

 

杭观荣(嘉宾)我们当前的目标就是提高设备的国产化率,努力实现各核心设备的完全国产化,当然国外的器件厂商如果能够提供优质的产品,我们也十分欢迎。

 

幻实说

我国电推进系统在航天领域的应用仍取决于自身核心器件的技术发展,核心设备的国产化率越高,电推进技术发展的空间越大。

 

另外,航天器对器件、设备等的需求十分苛刻,电推进系统的向前发展也在带动其他产业产品的精进。航天器搭载的电推进系统拉动稀有气体、半导体等领域的需求量增长是逐渐的、长期的,电推进技术越成熟,其应用领域就越广泛,对稀有气体、半导体等领域的高精尖产品需求也就越大,这种互生共赢的良性循环是其他许多产业值得参考的案例。