我国空间推进技术领域发展思考与建议

侯晓 , 李永 , 武志文 , 林庆国 , 汪小卫 , 耿海 , 黄天坤

中国工程科学 ›› 2024, Vol. 26 ›› Issue (3) : 217 -225.

PDF (570KB)
中国工程科学 ›› 2024, Vol. 26 ›› Issue (3) : 217 -225. DOI: 10.15302/J-SSCAE-2024.07.014
工程前沿

我国空间推进技术领域发展思考与建议

作者信息 +

Development of Space Propulsion Technologies in China: Analysis and Suggestions

Author information +
文章历史 +
PDF (583K)

摘要

我国空间推进技术领域历经60余年发展形成了较完善的技术体系和较丰富的产品谱系，支持了载人航天、应用卫星、深空探测等重大工程应用；面向我国航天领域未来规划、重大工程和科学项目的应用需求，空间推进系统现有的技术水平存在不足，亟需谋划创新发展和突破方向。本文从电推进、化学推进、核推进、新概念空间推进等角度出发，系统梳理了空间推进系统的发展现状；重点提炼了高性能、低成本的空间推进系统支撑低轨小卫星组网发展，大推力、可重复使用的低温化学推进技术推动新型空间运输系统发展，多类型、长寿命的空间推进技术保障深空关键应用等未来应用需求。研究认为，我国空间推进技术领域面临系统可靠性和寿命亟需进一步提高、部分领域的产品成熟度与国际先进水平差距明显、产品成本高、可选推进技术种类少且重点技术研究滞后等迫切挑战，需开展顶层规划、优化技术选择，重视基础研究、构建发展机制，在重点技术方向上分类推进科研攻关，尽快实现低轨小卫星、地月空间转移、深空探测（含载人航天）用推进系统的技术突破与在轨应用。

Abstract

After over 60 years of development, the space propulsion field in China has made tremendous progress in terms of technology system and product pedigree, and has supported major engineering applications including manned spaceflight, applied satellites, and deep space exploration. However, considering the requirements of future major aerospace missions in China, the technical level of current space propulsion systems is still insufficient, and it is urgent to plan directions for the innovative development and breakthroughs of the field. This study reviews the development status of the space propulsion systems from the aspects of electric, chemical, nuclear, and new-concept space propulsion, and analyzes the requirements of future applications. Specifically, high-performance, low-cost space propulsion systems are required to support the networking of low-Earth-orbit (LEO) small satellites; high-thrust, reusable low-temperature chemical propulsion technologies are required for new space-transportation systems; and multi-type, long-life space propulsion technologies are required for deep-space applications. The results demonstrate that the space propulsion field in China still faces multiple challenges. First, the system reliability and lifespan require further improvement. Second, the space propulsion systems of China still lag behind the advanced international level in terms of product maturity of some technologies. Third, this field typically has a high product cost. Fourth, there are few types of optional technologies, and the research progress of key technologies is lagging. Therefore, we propose the following suggestions: (1) optimizing technology options through top-level planning, (2) improving the development mechanism of the field by emphasizing basic research, and (3) clarifying and promoting scientific research and development in key technological directions, thereby achieving in-orbit applications of the propulsion systems for LEO small satellites, Earth–Moon space transfer, and deep space exploration (including manned spaceflight).

关键词

空间推进 / 电推进 / 核推进 / 低轨小卫星 / 空间运输 / 深空探测 / 重复使用

Key words

space propulsion / electric propulsion / nuclear propulsion / LEO small satellite / space transportation / deep space exploration / reuse

引用本文

引用格式 ▾
侯晓,李永,武志文,林庆国,汪小卫,耿海,黄天坤. 我国空间推进技术领域发展思考与建议[J]. 中国工程科学, 2024, 26(3): 217-225 DOI:10.15302/J-SSCAE-2024.07.014

登录浏览全文

4963

注册一个新账户 忘记密码

一、 前言

空间推进系统是应用卫星、深空探测器、空间站等航天器的动力源，支持航天器执行轨道机动、位置保持、姿态控制、离轨等任务[1]，成为决定航天器机动能力、在轨时间、控制精度的重要分系统。目前，航天大国在空间资源方面的竞争趋于激烈，应用卫星、深空探测、载人航天等领域存在战略博弈[2,3]。发展航天、动力先行，先进航天器需要先进的空间推进系统；空间推进技术决定了人类探索和利用空间资源的能力，作为航天领域发展的战略性技术获得优先发展。例如，美国国家航空航天局、欧洲航天局每5年更新各自的空间推进技术发展路线图，对未来5~20年的技术发展方向进行滚动规划。我国空间推进技术经过60多年发展，在载人航天、应用卫星、深空探测等应用上取得了重大进步，研制的各类空间推进系统支撑了火星探测、卫星导航、空间站建设等重大任务[1]。与国外相比，我国空间推进技术水平已从过去的全面落后发展到现在的部分领先。

为应对激烈的空间资源竞争，国际航天强国已在低轨卫星应用、空间运输、深空探测等方面进行了系统布局，规划了未来空间推进技术发展路线，配套研制了各类先进空间推进系统。例如，低成本、小功率的电推进技术支持了以美国太空探索技术公司“星链”计划为代表、千颗量级的低轨小卫星在轨应用[4]；在空间运输方面开始发展无毒低温的先进空间化学推进系统[5]；推进剂在轨加注、大功率电推进、空间核推进等技术趋于成熟[6~8]，更好支持未来的深空探测（含载人航天）应用。而在我国，空间推进技术领域尚无相关规划，部分技术方向与国际先进水平仍有明显差距；亟需研判我国空间推进技术现有不足，凝练航天重大工程对空间推进系统的新增需求，提出中长期空间推进技术发展路线并规划重点研制任务，以精准培育新型空间推进技术，增强空间推进技术和应用水平，保障航天重大装备的国际竞争力。

本文围绕空间推进技术领域发展，梳理现状、辨识需求、研判挑战、构思建议，以为航天强国建设、航天重大工程实施、航天系统技术攻关等提供基础参考。

二、 空间推进系统发展现状

空间推进任务主要涉及应用卫星、深空探测、载人航天、空间科学探索等，空间推进系统大体分为空间电推进、空间化学推进、空间核推进、新概念空间推进4类。目前，化学推进、电推进的理论和技术都趋于成熟，而核推进、新概念推进等技术仍处于研究阶段，相较工程化目标还有差距[3]。

（一） 空间电推进系统

空间电推进系统通过电源的电能对工质进行加热、电离和离解，然后将工质加速释放，为推力器提供动能；比冲为100~10 000 s，具有寿命长、推力精度高的优点，适用于卫星轨道转移、位置保持、阻力补偿、姿 / 轨控、离轨处理，深空探测器主推进等任务。国外已实现空间电推进系统的规模化应用，我国正在进入全面在轨应用阶段[9]。按照应用对象特点，空间电推进系统可分为微小功率（1~1000 W）、中高功率（1~10 kW）、大功率（>10 kW）3类。

1. 微小功率电推进系统

微小功率电推进系统主要应用于500 kg以下的微小卫星。国外发展了不同功率等级的成熟产品，在各种规格的微小卫星上广泛应用。霍尔电推进系统是100~500 kg卫星的应用主流、当前最受关注的类型，“星链”卫星即采用氪或氩工质的霍尔推力器；随着“星链”计划的实施，小功率电推进系统的在轨应用数量超过4000台。而对于100 kg以下的微纳卫星，发展了脉冲等离子体推进、电喷雾推进、真空电弧推进、场发射电推进等微功率电推进系统，也形成了产品谱系并实现批量在轨应用，如奥地利Enpulsion公司研发的场发射电推进系统已用于70多个航天器[10]。

紧跟国际进展，国内相关科研机构、高校、企业开发了多类微小功率电推进系统，部分产品完成了在轨测试，在轨应用也在稳步开展[11]。面向100~500 kg卫星应用，北京控制工程研究所、兰州空间技术物理研究所、上海航天动力机械研究所、哈尔滨工业大学等单位均研制了小功率霍尔电推进系统（百瓦级），为我国低轨卫星星座组网工程提供动力装置[12]。在微功率电推进方面，国产脉冲等离子体推进、真空电弧推进、电喷雾推进等系统完成了在轨验证或应用[11]。

2. 中高功率电推进系统

中高功率电推进系统主要用于高轨通信卫星和深空探测器。目前，国外中高功率空间电推进系统完成了数百台（套）产品的在轨飞行应用，超过40%的在轨地球同步轨道通信卫星使用电推进系统，也发展了多型全电推进高轨通信卫星[13]；美国、欧洲、日本已有多个深空探测器应用了电推进装置。中高功率电推进技术的主流形式是霍尔推进和离子推进：前者在高轨卫星中应用较多，后者在深空探测器中更具应用优势。俄罗斯SPT-100霍尔推力器（推力为80 mN）是在高轨卫星上应用最多的电推进系统[13]，美国NSTAR离子推力器应用于DS-1、Dawn等深空探测器[13]。

我国中高功率电推进技术发展稍晚，正在逐步开展工程应用。兰州空间技术物理研究所研制的LIPS-200离子推进系统应用到高轨卫星平台，上海航天动力机械研究所研制的HET-80霍尔电推进系统应用到天宫空间站[14]。尽管如此，国产中高功率空间电推进产品的飞行履历偏少，在轨飞行产品数量少于20台（套），产品成熟度不高。

3. 大功率电推进系统

大功率电推进系统主要面向未来载人深空探测、空间运输等大推力电推进任务需求，目前已规划到兆瓦级。美国、俄罗斯正在发展多种技术路线的大功率电推进系统，但受限于空间电源功率不足而仅完成地面测试，部分样机通过了长时间连续测试[15]。我国大功率空间电推进系统尚处于“跟随”发展阶段，参照国外规划研制了多类原理样机并完成地面点火试验。

（二） 空间化学推进系统

空间化学推进系统可分为常规化学推进、低温化学推进两类。常规空间化学推进系统主要包括冷气推进和单 / 双组元推进，比冲为60~335 s[16]，工作可靠性高，常用于微小卫星、航天运载等航天器[17]；作为航天器的主要推进方式，目前处于性能持续提升、应用范围逐步扩大的发展阶段。低温化学推进系统一般指液氢 / 液氧火箭发动机、液氧 / 甲烷火箭发动机：前者在运载火箭上应用较多，后者实现了重复使用航天器应用[18]。

1. 冷气推进系统

由于比冲非常低（通常小于70 s）[16,17]，冷气推进系统已经很少在长寿命卫星上作为主推进应用，而多用于微小卫星等航天器的高精度控制[19]。国内外都有针对微小卫星的冷气推进模块，也面向高精度航天器控制任务（如引力波探测）开发了推力高精度连续可调、低噪声、快响应的微牛级冷气推进系统，如我国“天琴一号”卫星应用的微牛级变推力冷气推进系统[19]。在冷气推进方向，国内外技术水平差距较小。

2. 单组元推进系统

单组元推进系统多为微型和小型火箭发动机，常用于运载火箭上面级、卫星、探测器、飞船等航天器的姿态控制。国内外单组元发动机技术成熟，已大量应用于卫星和其他航天器，工质为有剧毒的肼类。工质无毒化是单组元推进系统的重要研究方向，国外研制并应用了各类绿色单组元推进系统[20]，国内也开始在某些航天器上使用，如载人飞船上使用的硝酸羟胺基单组元发动机[1]。

3. 双组元推进系统

双组元推进系统的比冲约为单组元的1.5倍，广泛应用于星际飞行器主推进、卫星入轨与轨道保持、轨道器辅助推进等大总冲推进任务[9,10]。国外发展了各种规格的双组元推进系统，比冲和推力级别高于国内产品，配套有成熟的推进剂在轨加注技术[21]。国内双组元火箭发动机已经形成推力从2 N到15 kN的系列化产品，比冲和可靠性获得提升，应用于卫星、探月工程等任务。例如，国产490 N双组元推进系统（比冲为315 s）应用于各型号卫星，7500 N双组元推力器用于“嫦娥三号”“嫦娥四号”“嫦娥五号”飞行器的下降、悬停与缓速落月任务[1]。

4. 低温化学推进系统

低温推进剂具有高比冲、无毒无污染的特性，如液氢 / 液氧低温推进剂对应的比冲可达460 s，是比冲最高的化学推进剂。采用高比冲的低温推进剂可显著提高空间推进系统性能，减小空间飞行器规模并提高机动能力[22]。然而，低温推进剂沸点低、易蒸发，空间飞行器受太阳辐射、地球反照及红外辐射、其他天体反照及红外辐射等空间热环境以及飞行器内部热源的传热影响，导致低温推进剂的蒸发损失极高，加大了低温推进剂在轨贮存的难度。低温化学推进仍主要用于运载火箭的主推进发动机（用于地面起飞级或助推级）、上面级发动机（用于火箭末级直接入轨），而在空间飞行器上应用较少。

低温化学推进系统应用于空间飞行器需具有多次点火、多次起动、低箱压工作等基础能力，相关研制工作追求高性能、高可靠、长寿命目标。在达到上述条件的基础上，低温化学推进系统才能满足长时间在轨、大范围机动、高低轨道往返运输等任务需求，也使空间应用具有良好效益。为了促进低温推进剂的空间任务应用，国内外均在攻关低温火箭发动机、低温推进剂蒸发量控制、低温推进剂集成利用等关键技术。

（三） 空间核推进系统

空间核推进系统是利用空间核能源产生动力的推进类型总称，具有推力大、比冲高、可多次起动等优点；单位质量燃料可释放的能量远大于化学推进，成为未来大型航天器、远距离深空探测、地月运输等空间任务的首选推进方案[23]。按照推进工作方式主要分为核热推进、核电推进，其推力、比冲各具优势；核热 / 核电双模式概念也获得研究。

值得指出的是，空间核推进系统技术难度大、污染防护要求高，国内外均未实现在轨应用。美国、俄罗斯在核推进方面发展时间长，技术相对成熟：美国完成千瓦级空间核推进系统的在轨技术验证，具备百千瓦级空间核推进系统的在轨演示验证能力；俄罗斯兆瓦级空间核电推进系统进入地面集成演示验证阶段[24]。

（四） 新概念空间推进技术

新概念空间推进技术主要指工作原理新颖、处于原理探索阶段、有较大应用潜力的推进技术类型，多处于实验室研究阶段，未获得规模化发展和应用。电动力绳系推进[25]、空间帆推进[26]、天梯[27]、吸气式电推进[28]、水电解推进[29]5种技术受到较多关注：前3种技术属于无工质推进，后2种可支持空间环境资源的原位利用而具有广阔应用前景。

目前，国外开展了电动力绳系推进、空间帆推进、吸气式电推进、水电解推进等技术的在轨测试，也推出了电动力绳系推进、水电解推进的定型产品[30]。国内少量开展了空间帆系统测试，而帆制备技术较国外产品有一定差距；电动力绳系推进、空间帆推进、吸气式电推进、水电解推进技术均处于实验室研究阶段，未开展工程化[31]。在概念较为新颖的天梯技术方向，国内外都处于探索阶段，但国内发展起步稍晚，仅处于论证阶段；国外进入方案设计、关键技术攻关阶段，在材料和方案设计方面进展较快，如2018年日本静冈大学首次完成太空电梯技术的在轨测试[32]。

三、 我国空间推进系统的未来应用需求

面向经济社会发展和国防安全建设，聚焦航天强国建设目标，2045年前的国家重大航天任务集中在低轨小卫星、空间运输、深空探测（含载人航天）3个方面。这些任务对空间推进系统提出了各具特色的能力需求。

（一） 高性能、低成本的空间推进系统支撑低轨小卫星组网发展

低轨小卫星主要用于组网通信和对地观测，在军事和民用方面都有重要价值。低轨小卫星系统的传统业务模式主要是对地遥感和科学探测，国内已有成熟的单组元、冷气推进系统来满足应用需求。

在未来天地一体化、“通导遥”融合等新应用需求的牵引下，低轨互联网卫星数量快速增加[33]。整星质量轻、载荷少、功能相对单一，强调通用化和低成本，在任务周期内将频繁进行长时间的位置保持，对推进系统的比冲、精度、可靠性等提出了极高要求。星座规模庞大（300~800颗甚至更多、多轨道面部署），需要单颗卫星成本尽可能低，对推进系统的成本控制提出了极高要求。

随着低轨空间碎片、卫星数量的快速增加，为了保证卫星安全，需要低轨卫星具备快速机动能力。相对其他航天器或空间碎片进行规避，需要推进系统具有大推力、高比冲（小推力）等不同工作模式：前者用于快速变轨，后者用于长时间位置保持。

（二） 大推力、可重复使用的低温化学推进技术推动新型空间运输系统发展

新型空间运输系统应根据未来空间资源开发需求而发展，是未来经济的重要增长点。空间运输系统承担地球轨道、在轨服务站、月球轨道之间的往返运输，未来更远距离的深空转移运输等任务[34]，具有长期在轨、智能化、重复使用、在轨交会对接、在轨服务与维护等主要能力特征，将代表进入空间、利用空间、探索空间的国家能力。

为了显著提高空间推进系统的综合性能、空间运输系统的机动能力，采用比冲高、无毒无污染的液氢 / 液氧推进剂成为优选方案。突破多次点火、简易化设计、智能健康管理、推进剂在轨加注等关键技术，支持低温推进系统实现重复使用，更好支撑未来空间转移运输系统的重复使用和航班化运营。发展大推力、可重复使用的低温化学推进系统，适应未来新型空间运输系统快响应轨道机动、高效率转移运输等需求，保障未来航班化空间运输任务顺利实施。

（三） 多类型、长寿命的空间推进技术保障深空关键应用

深空探测、载人航天是人类探索空间的重要活动，其技术水平标志着航天领域的国家实力。深空探测器与地球轨道卫星任务剖面有明显不同，对空间推进技术提出新的要求。① 深空探测器的速度增量较大，而对于某些探测任务，通常在制动捕获过程中需要短时提供单次较大的速度增量；② 探测器空间极其有限，对推进系统的体积和质量控制严格，因而推进系统需采用小型化、轻质化设计理念；③ 深空探测器飞行剖面复杂、任务时间长、测控资源有限、地面干预少，要求推进系统可靠性高、寿命长；④ 深空探测器飞行距离远、遥控和遥测延时长，推进系统需具有一定的在轨智能控制及故障诊断能力。

未来的载人航天工程任务系统更趋复杂，对空间推进系统提出更高的要求。① 载人飞船的推进系统事关载人空间系统的长期安全运行，需要长期稳定工作、可定期燃料补给，对推进系统的工作可靠性提出极高要求；② 航天员的生活空间靠近空间推进系统，需要采用绿色无毒、安全环保的发动机技术和系统；③ 较多执行交会、对接、姿态保持等任务，要求空间推进系统具有高精度姿态调节能力和快速响应能力。

四、 我国空间推进技术领域面临的发展挑战

（一） 系统可靠性和寿命亟需进一步提高

我国发展了较为完善的常规化学推进（含冷气、单组元、双组元等推进剂类型）和电推进型谱产品，足以支持现有航天任务实施。然而，对标远距离深空探测、载人航天等未来航天重大任务，我国空间推进系统的可靠性和寿命存在不足，也与世界领先水平存在明显差距。

在空间化学推进技术方面，国外针对单 / 双组元推进系统开展了一系列寿命和可靠性研究，提出了氧燃推进剂蒸汽隔离等寿命延长技术，实现了推进系统在轨飞行超过35年后仍能正常启动工作。国产空间化学推进系统的可靠性依然偏低，在空间复杂环境下曾多次出现非预期情况导致的航天器故障。

在空间电推进技术方面，国外系统的最长寿命超过5×104 h，而国内同类产品寿命不超过1.5×104 h，也在空间应用过程中多次出现非预期故障。

我国空间推进系统的可靠性和寿命存在不足，主要源于相关基础理论研究不充分。国外的寿命和可靠性机理研究涉及系统、关键部件、元器件等，而国内主要关注性能，忽视工作稳定性、系统寿命等，因而针对性加强基础理论分析工作较为迫切。

（二） 部分领域的产品成熟度与国际先进水平差距明显

在传统的空间化学推进领域，国内产品的技术成熟度与国外差距较小，但空间电推进、部分新概念空间推进的技术成熟度偏低，对低轨小卫星组网应用、未来深空探测任务实施构成制约。

在空间电推进系统方面，国外已有上千套小功率霍尔电推进系统获得在轨应用，中高功率电推进系统在高轨卫星、深空探测器的应用超过20年；我国的小功率电推进系统仍处于试验验证和组网初期，仅有10余台（套）产品在轨运行，中高功率电推进系统直到2012年才完成在轨测试，但在高轨卫星上应用较少，有关深空探测应用尚未开展。

在新概念空间推进系统方面，国外的空间帆推进、电动力绳系推进、水电解推进等新概念技术完成在轨测试，部分类型形成货架产品；我国相关研究整体滞后，工程化进度普遍较慢。

我国空间推进技术成熟度滞后于国外产品，主要原因是缺乏足够的在轨验证和应用机会。国外尤其是美国一直稳定支持空间推进领域的新技术验证，在一些重要任务（如日本的“隼鸟号”深空探测器[13]）中果断使用新型推进技术。

（三） 产品成本高

空间推进系统的产品成本问题主要体现在低轨小卫星应用方向。由于使用低成本工质（如氪气、氩气）和元器件，国外的小功率空间电推进产品成本较低，售价约为15万~20万美元；更重要的是国外空间推进产品的研制和生产主要由商业航天公司承担，相应运营模式灵活，竞争意识和成本控制能力更强。国内的小功率霍尔推力器仍在使用昂贵的氙气，元器件价格也较高，产品价格约为20万~50万美元，不利于扩大使用规模。

国内空间推进系统成本高的原因有：① 在技术发展路线方面，国内更关注空间推进系统的性能，而国外在关注性能的同时会综合考虑成本，如发展性能不高但成本较低的氪气、氩气工质电推进系统；② 国内在空间推进系统的器件、材料、工艺方面能力发展滞后，同等级元器件的可靠性低于国外产品，需要备份；③ 国内空间推进产品（尤其是低轨小卫星用推进系统）的批量化生产线尚未建立，生产周期长、人力成本高；④ 国内的商业航天产业起步稍晚，对小卫星用推进产品的需求量仍达不到国外市场规模，研发成本占总成本的比重居高不下。

（四） 可选推进技术种类少且重点技术研究滞后

我国空间推进系统现有型谱可以满足近期航天任务需求，但随着低轨小卫星（质量多为200~700 kg）进一步微型化、深空探测任务更为多样化、新型空间运输系统需要更高比冲的大推力推进系统，现有型谱将无法支撑航天重大任务实施。

在低轨小卫星应用方面，除了成熟的霍尔电推进系统，国外还发展了微型冷气推进、绿色单组元推进、脉冲式电推进、离子液体推进等微推进系统，多数系统完成在轨验证并成为货架产品，保障了各种规格微纳卫星（1~100 kg）的应用任务。国内在技术发展类别上紧跟国外，但技术成熟度普遍不高，无法覆盖未来各类微纳卫星任务的应用需求。

在深空探测和空间运输方面，除了成熟的常规化学推进和电推进技术，国外积极储备核推进技术、低温推进技术、新概念推进技术。我国的深空探测器全部使用化学推进系统，电推进系统尚无在轨使用经历，核推进及新概念推进的技术储备不足。

我国在部分重点技术方向的研究进度滞后。对于低温化学推进技术，对标地月空间快响应轨道机动、高效率转移运输的需求，我国与国外相比存在发动机性能低、长期在轨蒸发量控制技术弱、低温推进剂集成流通系统设计及测试能力不足等问题。在核推进技术方向，系统总体设计、材料与结构、空间核反应堆、地面测试等方面的技术水平也落后于传统航天强国。相关技术能力不足，导致我国低温化学推进和核推进系统工程应用滞后，制约相关应用领域的综合竞争力。

新技术支持力度相对不足是我国空间推进领域可选技术种类少、重点技术研发滞后的主要原因，突出表现在在轨验证机会方面。与此相对的是，美国国家航空航天局、国防高级研究计划局等机构逐年发布专门项目，支持新型空间推进技术研究和在轨验证及应用。

五、 我国空间推进技术领域发展建议

（一） 开展顶层规划，优化技术选择

空间推进系统类型多样，全面均衡发展耗费众多，不具有可实施性。应根据具体任务需求，综合对比可选技术，明确发展迫切性和应用前景，在同类技术中进行优选，合理降低发展成本。建议全面梳理空间推进技术体系，按照应用对象属性进行推进系统分类，科学设定发展优先序；争取设置国家专门计划项目，支持高优先级的空间推进技术研究和在轨测试，着力解决空间推进技术成熟度不高、可选类型偏少的瓶颈问题。

（二） 重视基础研究，构建发展机制

空间推进技术涉及众多学科、机理相对复杂，而基础研究层面的差距是我国空间推进领域技术水平和创新性滞后的重要原因。提高对各类技术原理的认知水平，是增强系统性能、可靠性与寿命，开展关键技术攻关的前提和基础。① 梳理相关瓶颈技术涉及的关键科学问题，加大科研投入力度，探索技术解决方案；② 发展空间推进地面试验及数值模拟能力，结合空间应用亟需，研制先进测试设备，构建完备的仿真平台；③ 建立“产学研”协同机制，发挥企业、高校、科研院所的优势和积极性，在人才培养、基础研究、技术攻关等方面形成稳定合作模式，成立联合实验室和创新实践基地；④ 以相关高校、中国科学院等为主体，在空间推进领域与国际知名科研机构加强交流，参与国际科技项目合作，提升我国空间推进研究成果的国际影响力。

（三） 在重点技术方向上分类推进科研攻关

低轨小卫星侧重轨道提升、位置保持、主动离轨，需要采用集成化、高比冲、高总冲的空间推进系统，由电推进取代常规单组元、冷气推进已是趋势。从成本控制的角度出发，低轨小卫星较多采用的电推进系统也需低成本和高效率。为有效应对低轨卫星、空间碎片，相应推进系统需配置大推力模式，支持卫星快速机动。到2030年，我国小功率电推进系统的技术成熟度达到9级，推力覆盖1 μN~20 mN，效率>40%，寿命>1×104 h；小型化学推进系统实现无毒化，比冲>300 s；化学 / 电混合推进系统应实现在轨应用。为此，建议加大支持力度和范围，鼓励多种投资形式，推动低轨小卫星用推进系统的规模化应用；开展低功率电推进关键技术（含工质、材料、器件、推力模式等）研究，建立低成本电推进研发体系，提升性能和成熟度并支持快速变轨应用。

积极发展包括低温火箭发动机、低温推进剂蒸发量控制、低温推进剂集成利用在内的低温高性能空间推进技术，支持地月空间转移任务对空间推进系统的需求。到2030年，国产10吨级膨胀循环氢氧发动机在改型后具备在轨应用能力，支撑地月空间转移任务，真空比冲>451 s，真空推力>100 kN，起动次数>10次。为此，建议对照空间低温推进的任务场景，梳理待研究的空间低温推进相关子技术；优选并明确关键技术发展路线，重点推进可行性高、应用前景好的技术方案；开展系统方案论证与关键技术研制，支持各子技术方向的原理样机研制，配套完善的地面测试体系，获得在轨验证机会。

深空探测（含载人航天）任务涉及多种空间推进系统，需在化学推进、电推进、核推进、新概念推进方向进行系统布局。① 在化学推进方向，完善系统和组件型谱，提高常规化学推进系统性能，推进无毒化学推进系统应用，开展新型关键组件（含贮箱、各类阀门）研究；到2030年，在比冲为333 s、寿命>3×104 s的高性能常规变轨发动机，比冲为245 s的无毒单组元发动机，推进系统智能化，推进剂在轨加注等方面具备工程应用能力。② 在电推进方向，创造更多在轨应用机会，在实践中提高国产电推进系统的技术成熟度和工程应用水平，开展现有电推进系统的延寿设计，发展大功率、多模式电推进系统；到2030年，15 kW以上功率的电推进系统实现在轨应用，寿命>3.5×104 h，具有多个推力模式，完成250 kW级电推进系统的地面验证。③ 积极推动核推进、新概念空间推进等技术发展，在研发资源、在轨验证机会等方面提供支持。

利益冲突声明

本文作者在此声明彼此之间不存在任何利益冲突或财务冲突。

Received date: July 27, 2023; Revised date: May 13, 2024

Corresponding author: Hou Xiao is a research fellow of ChinaAerospace Science and Technology Corporation, and a member ofChinese Academy of Engineering. His major research field is solidrocket motor technology. E-mail: 6120210189@bit.edu.com

Funding project: Chinese Academy of Engineering project “Researchon the Development of Space Propulsion Technology” (2022-HY-04)

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
[1]

朱智春, 林庆国, 杭观荣, 等‍‍. 我国空间推进技术研究现状及发展 [J]‍. 上海航天(中英文), 2021, 38(3): 178‒188‍.
[2]

Zhu Z C, Lin Q G, Hang G R, et al‍. Research status and development of space propulsion technology in China [J]‍. Aerospace Shanghai (Chinese & English), 2021, 38(3): 178‒188‍.
[3]

李帅, 申志强, 侯宇葵, 等‍. 我国空间应用发展总体构想 [J]‍. 中国工程科学, 2023, 25(2): 67‒78‍.
[4]

Li S, Shen Z Q, Hou Y K, et al‍. Overall concept of space application development in China [J]‍. Strategic Study of CAE, 2023, 25(2): 67‒78‍.
[5]

赵文波, 李帅, 李博, 等‍. 新一代体系效能型对地观测体系发展战略研究 [J]‍. 中国工程科学, 2021, 23(6): 128‒138‍.
[6]

Zhao W B, Li S, Li B, et al‍. Development strategy of the new-generation effectiveness-oriented earth-observation system [J]‍. Strategic Study of CAE, 2021, 23(6): 128‒138‍.
[7]

杨广华, 王强, 陈国玖, 等‍. 美国"星链"低轨星座军事应用前景探析 [J]‍. 中国航天, 2022 (9): 60‒63‍.
[8]

Yang G H, Wang Q, Chen G J, et al‍. Future military application of the US starlink LEO constellation [J]‍. Aerospace China, 2022 (9): 60‒63‍.
[9]

包为民, 汪小卫, 董晓琳‍. 航班化航天运输系统对动力的发展需求与技术挑战 [J]‍. 火箭推进, 2021, 47(4): 1‒5‍.
[10]

Bao W M, Wang X W, Dong X L‍. Development demands and challenges of propulsion technology for space transportation system in airline-flight-mode [J]‍. Journal of Rocket Propulsion, 2021, 47(4): 1‒5‍.
[11]

高振良, 孙小凡, 刘育强, 等‍. 航天器在轨延寿服务发展现状与展望 [J]‍. 航天器工程, 2022, 31(4): 98‒107‍.
[12]

Gao Z L, Sun X F, Liu Y Q, et al‍. Development and prospect of spacecraft on-orbit life extension servicing [J]‍. Spacecraft Engineering, 2022, 31(4): 98‒107‍.
[13]

余水淋, 徐亚男, 张岩, 等‍. 大功率霍尔电推进研究进展与分析 [J]‍. 中国航天, 2022 (6): 47‒52‍.
[14]

Yu S L, Xu Y N, Zhang Y, et al‍. Research progress and analysis of high power hall electric propulsion [J]‍. Aerospace China, 2022 (6): 47‒52‍.
[15]

张泽, 薛翔, 王园丁, 等‍. 空间核动力推进技术研究展望 [J]‍. 火箭推进, 2021, 47(5): 1‒13‍.
[16]

Zhang Z, Xue X, Wang Y D, et al‍. Prospect of space nuclear power propulsion technology [J]‍. Journal of Rocket Propulsion, 2021, 47(5): 1‒13‍.
[17]

康小录, 张岩‍. 空间电推进技术应用现状与发展趋势 [J]‍. 上海航天, 2019, 36(6): 24‒34‍.
[18]

Kang X L, Zhang Y‍. Application status and development trend of space electric propulsion technology [J]‍. Aerospace Shanghai, 2019, 36(6): 24‒34‍.
[19]

Krejci D, Reissner A, Schönherr T, et al‍. Informing FEEP thruster design utilizing the flight heritage from 167 thrusters in LEO and GEO [C]‍. Orlando: 2024 AIAA Science and Technology Forum and Exposition, 2024‍.
[20]

田立成, 王尚民, 高俊, 等‍. 微电推进系统研制及应用现状 [J]‍. 真空, 2021, 58(2): 66‒75‍.
[21]

Tian L C, Wang S M, Gao J, et al‍. Development and application of micro-electric propulsion system [J]‍. Vacuum, 2021, 58(2): 66‒75‍.
[22]

Ding Y J, Li H, Wei L Q, et al, Overview of hall electric propulsion in China [J], IEEE Transactions on Plasma Science, 2018, 46(2): 263‒282‍.
[23]

Lev D, Myers R M, Lemmer K M, et al‍. The technological and commercial expansion of electric propulsion [J]‍. Acta Astronautica, 2019, 159: 213‒227‍.
[24]

耿海, 李婧, 吴辰宸, 等‍. 空间电推进技术发展及应用展望 [J]‍. 气体物理, 2023, 8(1): 1‒16‍.
[25]

Geng H, Li J, Wu C C, et al‍. Development and application prospect of space electric propulsion technology [J]‍. Physics of Gases, 2023, 8(1): 1‒16‍.
[26]

杭观荣, 梁伟, 张岩, 等‍. 大功率等离子体电推进研究进展 [J]‍. 载人航天, 2016, 22(2): 175‒185‍.
[27]

Hang G R, Liang W, Zhang Y, et al‍. Research progress of high power plasma propulsion [J]‍. Manned Spaceflight, 2016, 22(2): 175‒185‍.
[28]

潘海林‍. 空间推进 [M]‍. 西安: 西北工业大学出版社, 2016‍.
[29]

Pan H L‍. Space propulsion [M]‍. Xi'an: Northwestern Ploytechnical University Press, 2016‍.
[30]

毛根旺‍. 航天器推进系统及其应用 [M]‍. 西安: 西北工业大学出版社, 2009‍.
[31]

Mao G W‍. Spacecraft propulsion systems and their applications [M]‍. Xi'an: Northwestern Ploytechnical University Press, 2009‍.
[32]

郑建朋, 崔晨, 陈六彪, 等‍. 低温推进剂贮箱绝热性能实验研究 [J]‍. 真空与低温, 2016, 22(1): 26‒29‍.
[33]

Zheng J P, Cui C, Chen L B, et al‍. Experimental study on insulation performance of cryogenic propellant tank [J]‍. Vacuum and Cryogenics, 2016, 22(1): 26‒29‍.
[34]

李永, 刘旭辉, 汪旭东, 等‍. 空间极小推力宽范围可调推进技术研究进展 [J]‍. 空间控制技术与应用, 2019, 45(6): 1‒12, 19‍.
[35]

Li Y, Liu X H, Wang X D, et al‍. Review and prospect on the large-range thrust throttling technology with extremely small thrust [J]‍. Aerospace Control and Application, 2019, 45(6): 1‒12, 19‍.
[36]

杭观荣, 洪鑫, 康小录‍. 国外空间推进技术现状和发展趋势 [J]‍. 火箭推进, 2013, 39(5): 7‒15‍.
[37]

Hang G R, Hong X, Kang X L‍. Current status and development trend of space propulsion technologies abroad [J]‍. Journal of Rocket Propulsion, 2013, 39(5): 7‒15‍.
[38]

田甜, 刘海印‍. 美国航空航天局机器人在轨加注任务简析 [J]‍. 中国航天, 2019 (4): 42‒47‍.
[39]

Tian T, Liu H Y‍. A brief analysis of NASA' robotic refueling mission [J]‍. Aerospace China, 2019 (4): 42‒47‍.
[40]

张少华, 张晓屿, 贲勋, 等‍. 低温推进剂贮箱大面积冷屏热分析及成本优化 [J]‍. 低温工程, 2017 (1): 21‒25, 35‍.
[41]

Zhang S H, Zhang X Y, Ben X, et al‍. Optimization and thermal analysis of broad area cooler and system cost for cryogenic propellant tanks [J]‍. Cryogenics, 2017 (1): 21‒25, 35‍.
[42]

朱安文, 刘飞标, 杜辉, 等‍. 核动力深空探测器现状及发展研究 [J]‍. 深空探测学报, 2017, 4(5): 405‒416‍.
[43]

Zhu A W, Liu F B, Du H, et al‍. Current status and development for deep space nuclear power explorer [J]‍. Journal of Deep Space Exploration, 2017, 4(5): 405‒416‍.
[44]

李永, 周成, 吕征, 等‍. 大功率空间核电推进技术研究进展 [J]‍. 推进技术, 2020, 41(1): 12‒27‍.
[45]

Li Y, Zhou C, Lyu Z, et al‍. Progress on high power space nuclear electric propulsion technology development [J]‍. Journal of Propulsion Technology, 2020, 41(1): 12‒27‍.
[46]

文浩, 金栋平, 胡海岩‍. 绳系卫星收放控制地面实验研究 [J]‍. 振动工程学报, 2010, 23(1): 7‒11‍.
[47]

Wen H, Jin D P, Hu H Y‍. Ground-based experimental study on deployment and retrieval control of tethered satellite [J]‍. Journal of Vibration Engineering, 2010, 23(1): 7‒11‍.
[48]

李永‍. 特种空间帆和电动力绳系推进技术 [M]‍. 北京: 科学出版社, 2019‍.
[49]

Li Y‍. Advanced space sail and electrodynamic tether propulsion technology [M]‍. Beijing: Science Press, 2019‍.
[50]

汪小卫, 鲁宇, 刘丙利, 等‍. 天梯技术研究进展 [J]‍. 导弹与航天运载技术, 2015 (2): 41‒44‍.
[51]

Wang X W, Lu Y, Liu B L, et al‍. Progress of study on the space elevator technology [J]‍. Missiles and Space Vehicles, 2015 (2): 41‒44‍.
[52]

陈盼, 武志文, 刘向阳, 等‍. 一种用于临近空间飞行器的吸气式电推进技术 [J]‍. 宇航学报, 2016, 37(2): 203‒208‍.
[53]

Chen P, Wu Z W, Liu X Y, et al‍. An air-breathing electric thruster for near-space vehicle [J]‍. Journal of Astronautics, 2016, 37(2): 203‒208‍.
[54]

Gotzig U, Wurdak M, Harmansa N‍. Development and coupled thruster/electrolyser tests of a water propulsion system [J]‍. Acta Astronautica, 2023, 202: 751‒759‍.
[55]

Lemmer K‍. Propulsion for CubeSats [J]‍. Acta Astronautica, 2017, 134: 231‒243‍.
[56]

Tagawa M, Yokota K, Nishiyama K, et al‍. Experimental study of air breathing ion engine using laser detonation beam source [J]‍. Journal of Propulsion and Power, 2013, 29(3): 501‒506‍.
[57]

Yamagiwa Y, Fujii T, Nakashima K, et al‍. Space experimental results of STARS-C CubeSat to verify tether deployment in orbit [J]‍. Acta Astronautica, 2020, 177: 759‒770‍.
[58]

郭梦媞‍. 未来10年小卫星发展前瞻分析 [J]‍. 国际太空, 2021 (6): 20‒22‍.
[59]

Guo M T‍. Prospect analysis of small satellite development in the next 10 years [J]‍. Space International, 2021 (6): 20‒22‍.
[60]

王松, 撒文彬‍. 空间运输系统模块化方案设计 [J]‍. 兵器装备工程学报, 2016, 37(11): 151‒156‍.
[61]

Wang S, Sa W B‍. Design of modular program of space transportation system [J]‍. Journal of Ordnance Equipment Engineering, 2016, 37(11): 151‒156‍.

基金资助

中国工程院咨询项目“空间推进技术发展研究”(2022-HY-04)

AI Summary AI Mindmap
PDF (570KB)

8981

访问

0

被引

详细
导航
相关文章

AI思维导图

/

〈 〉