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    稀有气体在航天电推进领域的应用前景和市场规模




    按电推进工作原理,气体分子量越大,对航天器产生的推力也就越大。目前人类所发现的分子量最大的气体分别是氡(222),氙(131),氪 (84),氩(18)。氡气因为制取困难并有放射性污染危害而没有被选作电推进工质。氙气作为第二大分子量气体,电离后成分单一便于获得较高的加速效率等特质。氙气的化学稳定性好,易于储存。氙气的临界压力为5.83MPa,这使得氙在推进剂的容器中可以液态形式被储存,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。


         氙气虽然有如此多的优点但价格昂贵。氙气常年市场均价大约8-10万元/M3.在商业化低成本航天快速发展的情况下,更加廉价的氪气也在电推进领域进入实际应用阶段。美国SpaceX公司的星链计划使用约6000颗近地轨道卫星完成初步组形成初步覆盖地球的高速通讯网络,作为控制成本的重要手段,SpaceX 公司在2019年5月28日发射的星链卫星上已经采用了氪离子电推力器替代了氙离子电推力器。氪气目前的市场价格约为氙气价格的5% 。中国航天院所从2010年代起就开始进行了氪氙推进剂的比较研究。根据目前公开发表的文献称“在同等电压,功率下,氪气比冲略高于氙气,但推进剂的利用率,离子聚焦性能下降。推力器整体性能大约有10%的下降。


          虽然很多的公开文献称电推力器可以应用于地球同步静止轨道卫星(GEO),近地轨道卫星(LEO),深空探测,轨道维持器等多种应用,但目前的电推力器大都应用于GEO通信卫星。GEO卫星在轨运行时基本没有变轨任务要求,毫牛级的电推力器就可以满足轨道维持做功的需要。同时通信卫星一般都具有较大的电功率,可以满足电推进系统的电力要求。而其他的卫星往往不具备GEO卫星的这些特质。有的卫星有变轨任务设计,化学推进几天就能到位的轨道飞行,电推进需要几个月才能完成。有的卫星轨道虽然固定,但本身所携带的电源功率不够,如果要增加电源功率,势必需要设计更大的太阳能帆板。而太阳能帆板的增大会增加发射重量,巨大的帆板打开后对卫星的姿态控制也会构成新的挑战。长征5号火箭搭载的实践二十号卫星装备有四套5KW 功率的LIPS-300离子电推进系统,推力为200mN/台。据公开文献称,实践20号卫星的太阳能帆板面积是中国卫星中最大的,其展开机构也是最复杂的。实践二十号卫星的太阳能帆板展开后,比波音737飞机的翼展还要宽上10米。




    典型的电推进航天器推进剂氙气加载量
    航天器类型 氙气加载量 氙气加载量
    (KG) (M3)
    5吨级/电混推进GEO卫星 约200-400 约34-69
    2-3吨级全电推进GEO卫星 约300-600 约51-102
    200KG级低轨通讯卫星 约10 约1.70
    1吨级深空探测器10Km/S
    加速度
    约400 约69



    2016-2019年,质量>50KG,全球地球同步轨道和低地轨道卫星发射数量

    地域/发射年份低地轨道卫星地球同步轨道卫星
    全球20166238
    全球201710239
    全球201812835
    全球2019 476 *30
    2019 中国179




    *2019年全球低地轨道卫星发射数据为不区分卫星重量数据。数据来源-北京空间信息科技研究所历年公开发表的数据

         2019年中国航天总计成功执行了42次发射任务将53颗卫星送上轨道。其中实践20号和太极一号,天琴一号等采用了电推进的卫星,还有一些卫星也采用了脉冲等离子体电推进。实践20号是目前世界上最重的通信星,发射重量达到8吨多。该卫星采用电推进与化学推进混合进方案。太极一号和天琴一号都是用于微重力和引力波探测的科学卫星。这种卫星的轨道与姿态维持任务所需的推力十分微小,采用的是微牛顿级推力器。“太极一号”上的微推力器μRIT-1,它的最大推力只有几十微牛。我国目前使用中大功率电推进技术的卫星全部都是实践系列卫星,分别是 - 实践9A,13,17,18(发射失利),20。除实践9A是组网实验和光学观测卫星外,其余的都是GEO通信卫星。实践顾名思义就是“技术验证”,实践系列卫星除了承担实际卫星功能外还担负着大量新技术验证的任务。中国航天的电推进技术目前尚处于初步的实际应用验证阶段。各实践卫星在轨时间都不长,国产电推力器的全面应用还有待于现有型号通过长期严酷的太空环境的实际考验。


          我国发射的GEO卫星除了通信卫星外还有北斗导航卫星。2019年我国共计发射北斗GEO导航卫星3颗,2020年上半年还将发射两颗北斗GEO导航卫星。目前北斗3号系统已接近组网完成,全系统卫星都采用了化学推进系统,但随着电推进技术的发展和可靠性的提高,后继用于替换和更新的北斗卫星也可能使用电推进系统。据悉中国载人航天的某核心舱段的轨道维持飞行也将采用电推力器和化学推进剂并用的方式作为动力来源。

         若中国航天每年发射的电推进GEO卫星数量能达到5颗,综合卫星加注量和地面测试用气,中国航天GEO卫星对氙气的需求量预计可以达到300-600立方米/年。欧美卫星制造商在国际GEO通讯卫星领域占有垄断性的地位,据不完全统计,2012-2018年欧美共有14家卫星制造商获得了119颗GEO通信卫星订单。但是在2012-2018年期间国际GEO通信卫星的发射数量是逐年下降的,导致发射数量下降的主要原因是市场周期,GEO轨道资源日益饱和新一代的通信卫星信道容量不断的增大。目前全球在轨的全电推进GEO通信卫星数量约14颗。可以预见电推进技术在GEO卫星中的广泛使用会对全球氙气市场的需求产生一定的拉动作用。


        近年来,中低轨道(LEO)的星座联网通信卫星成为公众瞩目的热议话题。LEO星座卫星似有与传统的GEO通信卫星进行竞争的态势。LEO卫星组网运行需要的卫星数量众多,但是LEO卫星自身重量都较小,整个发射和运行计划大量依赖民间融资,对成本控制较为敏感。所以LEO卫星究竟采用那种推进系统和如果采用电推进系统,究竟采用那种气体推进剂,目前尚不能做出比较明晰的判断。同时LEO星座卫星的组网技术复杂,用户接入,数据传输的可靠性等问题也都有待于解决。



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