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    稀有氣體在航天電推進領域的應用前景和市場規模




    按電推進工作原理,氣體分子量越大,對航天器產生的推力也就越大。目前人類所發現的分子量最大的氣體分別是氡(222),氙(131),氪 (84),氬(18)。氡氣因為制取困難并有放射性污染危害而沒有被選作電推進工質。氙氣作為第二大分子量氣體,電離后成分單一便于獲得較高的加速效率等特質。氙氣的化學穩定性好,易于儲存。氙氣的臨界壓力為5.83MPa,這使得氙在推進劑的容器中可以液態形式被儲存,這和使用氪氣或氬氣這樣的永久性氣體相比,推進劑氣瓶可以做的更輕更薄,節省航天器的發射重量。


         氙氣雖然有如此多的優點但價格昂貴。氙氣常年市場均價大約8-10萬元/M3.在商業化低成本航天快速發展的情況下,更加廉價的氪氣也在電推進領域進入實際應用階段。美國SpaceX公司的星鏈計劃使用約6000顆近地軌道衛星完成初步組形成初步覆蓋地球的高速通訊網絡,作為控制成本的重要手段,SpaceX 公司在2019年5月28日發射的星鏈衛星上已經采用了氪離子電推力器替代了氙離子電推力器。氪氣目前的市場價格約為氙氣價格的5% 。中國航天院所從2010年代起就開始進行了氪氙推進劑的比較研究。根據目前公開發表的文獻稱“在同等電壓,功率下,氪氣比沖略高于氙氣,但推進劑的利用率,離子聚焦性能下降。推力器整體性能大約有10%的下降。


          雖然很多的公開文獻稱電推力器可以應用于地球同步靜止軌道衛星(GEO),近地軌道衛星(LEO),深空探測,軌道維持器等多種應用,但目前的電推力器大都應用于GEO通信衛星。GEO衛星在軌運行時基本沒有變軌任務要求,毫牛級的電推力器就可以滿足軌道維持做功的需要。同時通信衛星一般都具有較大的電功率,可以滿足電推進系統的電力要求。而其他的衛星往往不具備GEO衛星的這些特質。有的衛星有變軌任務設計,化學推進幾天就能到位的軌道飛行,電推進需要幾個月才能完成。有的衛星軌道雖然固定,但本身所攜帶的電源功率不夠,如果要增加電源功率,勢必需要設計更大的太陽能帆板。而太陽能帆板的增大會增加發射重量,巨大的帆板打開后對衛星的姿態控制也會構成新的挑戰。長征5號火箭搭載的實踐二十號衛星裝備有四套5KW 功率的LIPS-300離子電推進系統,推力為200mN/臺。據公開文獻稱,實踐20號衛星的太陽能帆板面積是中國衛星中最大的,其展開機構也是最復雜的。實踐二十號衛星的太陽能帆板展開后,比波音737飛機的翼展還要寬上10米。




    典型的電推進航天器推進劑氙氣加載量
    ?航天器類型 氙氣加載量 氙氣加載量
    (KG) (M3)
    5噸級/電混推進GEO衛星 約200-400 約34-69
    2-3噸級全電推進GEO衛星 約300-600 約51-102
    200KG級低軌通訊衛星 約10 約1.70
    1噸級深空探測器10Km/S
    加速度
    約400 約69



    2016-2019年,質量>50KG,全球地球同步軌道和低地軌道衛星發射數量

    地域/發射年份低地軌道衛星地球同步軌道衛星
    全球20166238
    全球201710239
    全球201812835
    全球2019 476 *30
    2019 中國179




    *2019年全球低地軌道衛星發射數據為不區分衛星重量數據。數據來源-北京空間信息科技研究所歷年公開發表的數據

         2019年中國航天總計成功執行了42次發射任務將53顆衛星送上軌道。其中實踐20號和太極一號,天琴一號等采用了電推進的衛星,還有一些衛星也采用了脈沖等離子體電推進。實踐20號是目前世界上最重的通信星,發射重量達到8噸多。該衛星采用電推進與化學推進混合進方案。太極一號和天琴一號都是用于微重力和引力波探測的科學衛星。這種衛星的軌道與姿態維持任務所需的推力十分微小,采用的是微牛頓級推力器?!疤珮O一號”上的微推力器μRIT-1,它的最大推力只有幾十微牛。我國目前使用中大功率電推進技術的衛星全部都是實踐系列衛星,分別是 - 實踐9A,13,17,18(發射失利),20。除實踐9A是組網實驗和光學觀測衛星外,其余的都是GEO通信衛星。實踐顧名思義就是“技術驗證”,實踐系列衛星除了承擔實際衛星功能外還擔負著大量新技術驗證的任務。中國航天的電推進技術目前尚處于初步的實際應用驗證階段。各實踐衛星在軌時間都不長,國產電推力器的全面應用還有待于現有型號通過長期嚴酷的太空環境的實際考驗。


          我國發射的GEO衛星除了通信衛星外還有北斗導航衛星。2019年我國共計發射北斗GEO導航衛星3顆,2020年上半年還將發射兩顆北斗GEO導航衛星。目前北斗3號系統已接近組網完成,全系統衛星都采用了化學推進系統,但隨著電推進技術的發展和可靠性的提高,后繼用于替換和更新的北斗衛星也可能使用電推進系統。據悉中國載人航天的某核心艙段的軌道維持飛行也將采用電推力器和化學推進劑并用的方式作為動力來源。

         若中國航天每年發射的電推進GEO衛星數量能達到5顆,綜合衛星加注量和地面測試用氣,中國航天GEO衛星對氙氣的需求量預計可以達到300-600立方米/年。歐美衛星制造商在國際GEO通訊衛星領域占有壟斷性的地位,據不完全統計,2012-2018年歐美共有14家衛星制造商獲得了119顆GEO通信衛星訂單。但是在2012-2018年期間國際GEO通信衛星的發射數量是逐年下降的,導致發射數量下降的主要原因是市場周期,GEO軌道資源日益飽和新一代的通信衛星信道容量不斷的增大。目前全球在軌的全電推進GEO通信衛星數量約14顆??梢灶A見電推進技術在GEO衛星中的廣泛使用會對全球氙氣市場的需求產生一定的拉動作用。


        近年來,中低軌道(LEO)的星座聯網通信衛星成為公眾矚目的熱議話題。LEO星座衛星似有與傳統的GEO通信衛星進行競爭的態勢。LEO衛星組網運行需要的衛星數量眾多,但是LEO衛星自身重量都較小,整個發射和運行計劃大量依賴民間融資,對成本控制較為敏感。所以LEO衛星究竟采用那種推進系統和如果采用電推進系統,究竟采用那種氣體推進劑,目前尚不能做出比較明晰的判斷。同時LEO星座衛星的組網技術復雜,用戶接入,數據傳輸的可靠性等問題也都有待于解決。



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