芯片揭秘 | 電推進系統(tǒng)面面觀 稀有氣體與半導(dǎo)體器件在電推進系統(tǒng)中有何用武之地？

芯片揭秘主播幻實（右）對話

上?？臻g推進研究所電推進事業(yè)部副部長杭觀榮先生

大咖談芯

幻實說

電推進系統(tǒng)是一種不依賴化學(xué)燃燒就能產(chǎn)生推力的航天設(shè)備，在衛(wèi)星、飛船、星際探測器等航天器的姿態(tài)、軌道控制等方面，電推力器有著得天獨厚的優(yōu)勢。

那么，電推進系統(tǒng)的基本原理是什么，目前中國的電推進技術(shù)發(fā)展處于怎樣的階段？相比于傳統(tǒng)的化學(xué)推進，電推進有何長處？稀有氣體與半導(dǎo)體器件在整個電推進系統(tǒng)中分別扮演著怎樣的角色？

本期我們邀請到上?？臻g推進研究所電推進事業(yè)部副部長杭觀榮先生，聽他講述國產(chǎn)電推進系統(tǒng)的發(fā)展歷程。

以下內(nèi)容由對話音頻整理

本期話題

●我國電推進系統(tǒng)的發(fā)展歷程

●電推進系統(tǒng)的技術(shù)難點有哪些？

●電推進用氣體產(chǎn)品與傳統(tǒng)工業(yè)氣體有何不同？

●品質(zhì)要求十分苛刻，核心器件還需精益求精

1、我國電推進系統(tǒng)的發(fā)展歷程

幻實（主播）本期節(jié)目非常榮幸邀請到上?？臻g推進研究所研究員，博士，碩士生導(dǎo)師杭觀榮先生。杭老師目前是上?？臻g推進研究所電推進事業(yè)部的副部長。先請杭老師給大家介紹一下他的主要研究方向。

杭觀榮（嘉賓）大家好，我的主要研究方向是空間電推進系統(tǒng)。眾所周知，目前火箭發(fā)射大多需要采用的是化學(xué)推進技術(shù)，但化學(xué)推進的推進劑利用效率較低，對需要在空間中長期運行的衛(wèi)星而言十分不利，電推進器的研發(fā)就是基于這個問題展開的。衛(wèi)星采用電推進之后，它的在軌壽命以及載荷的承載能力都能夠大幅增加。

電推進系統(tǒng)一般分為三個部分：電源處理單元、推進劑工質(zhì)貯存與供應(yīng)單元、推力器。它的原理是利用太陽能轉(zhuǎn)化為電能，然后將電能轉(zhuǎn)化為動能，這樣推進劑的利用效率便得到大幅提升。例如，重量達5噸的GEO衛(wèi)星（地球靜止軌道衛(wèi)星），如果采用化學(xué)推進，燃料占比將非常大，若是采用電推進技術(shù)，在功能不變的情況下，衛(wèi)星的質(zhì)量將降低一半。

但是，電推進技術(shù)比化學(xué)推進更加復(fù)雜，因為將航天器的電轉(zhuǎn)變成推力器和其他設(shè)備工作所需的電要借助更多的電子設(shè)備，這其中也涉及到電力的變化。

幻實（主播）這里是否也涉及到一些芯片的應(yīng)用？

杭觀榮（嘉賓）是的。電推進器的控制也很復(fù)雜，很多控制器件都和芯片產(chǎn)業(yè)相關(guān)。

幻實（主播）我看到關(guān)于您的介紹上寫到您參與了國內(nèi)首次霍爾電推進系統(tǒng)空間飛行試驗，您也因此獲得了國防科學(xué)技術(shù)進步的二等獎。不妨跟大家解釋一下我們國家電推進的發(fā)展歷程，和國外相比，我國的電推進技術(shù)又存在哪些差距？

杭觀榮（嘉賓）其實在錢學(xué)森先生回國之后，我國的電推進技術(shù)就已經(jīng)展開，但那時候相關(guān)的研究投入很少，一方面，我國航天器的電能很小，不足以支持電推進器運行；另一方面，國家的航天任務(wù)比較少。

典型的電推進航天器推進劑氙氣加載量（圖源：北京空間信息科技研究所）

到上世紀(jì)80年代，我國研制出了國內(nèi)首臺汞離子推力器；2000年之后，國家開始大力開展電推進方面的研究；2012年國內(nèi)首個搭載霍爾和離子電推進的衛(wèi)星成功發(fā)射并進行了在軌實驗，這也預(yù)示著中國的整套電推進的技術(shù)體系、材料體系和研發(fā)能力都達到可用階段；

現(xiàn)在越來越多的研究單位、航天高校都在進行電推進相關(guān)的研究。目前我們的研究方向主要集中于應(yīng)用端，聚焦點在1000瓦到5000瓦的電推力器上。

2、電推進系統(tǒng)的技術(shù)難點有哪些？

幻實（主播）您覺得電推進技術(shù)在發(fā)展的過程中，我們會在哪些方面遇到難點？電推進技術(shù)是否需要其它領(lǐng)域的支撐？

杭觀榮（嘉賓）難點有很多，比如電推力器本身如何實現(xiàn)點火，如何實現(xiàn)高效率和長壽命等；

電推進器的正常工作離不開其特殊的推進劑，例如高純度的氙氣等；

一般電推進器是高功率設(shè)備，相較于之前的衛(wèi)星而言，需要更高的電壓，這就對電能的高效率利用及高電壓的變化技術(shù)提出了很高的要求；

推進劑一般儲存于高壓的氣瓶中，如果想要穩(wěn)定供應(yīng)給電推力器，中間就涉及到減壓和微流量的控制，因為電推力器的流速約為幾毫克到幾微克每秒。

霍爾電推進系統(tǒng)原理圖

（圖源：新浪科技）

幻實（主播）在研究過程中，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是否會制約電推進技術(shù)的向前發(fā)展？

杭觀榮（嘉賓）目前會受到一定程度的制約。比如霍爾離子推力器需要用高電壓加速離子才能實現(xiàn)較高的比重，雖然高電壓環(huán)境在地面上比較容易實現(xiàn)，但想在空間中實現(xiàn)卻并不容易，這里涉及到一些電力電子的抗輻照器件和高效率的磁芯等。

3、電推進用氣體產(chǎn)品與傳統(tǒng)工業(yè)氣體有何不同？

幻實（主播）您剛剛提到了氙氣可作為推進劑用于電推進系統(tǒng)中，這和一般的工業(yè)用氙氣是否會有不同？

杭觀榮（嘉賓）氙氣的臨界壓力為5.83MPa，這使得氙在推進劑的容器中能夠以液態(tài)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(jié)省航天器的發(fā)射重量。

其實我國很早就擁有了氙氣的制備能力，但電推力器中負責(zé)點火和羽流中和的空心陰極里有一種功能材料叫發(fā)射體，它對氣體的純度要求非常高，所以工業(yè)用氙氣難以用于電推進器中，需要經(jīng)過進一步的提純才能被使用。我國相關(guān)氙氣的制備工藝經(jīng)歷好幾年的攻關(guān)已經(jīng)達到可用水平，目前空間中一些電推進航天器也都使用了國產(chǎn)氙氣。

幻實（主播）電推進系統(tǒng)對半導(dǎo)體器件、工業(yè)氣體等產(chǎn)品的需求量有多大？會不會帶動這些領(lǐng)域的發(fā)展？

杭觀榮（嘉賓）目前我國對電推力器的使用剛剛起步，對各領(lǐng)域產(chǎn)品的需求相對而言不是很多，但現(xiàn)在正是我國對電推進系統(tǒng)研究的高速發(fā)展階段。即使我們沒有將航天器發(fā)射到太空，我們依然需要工業(yè)氣體的支持，在電推進系統(tǒng)研發(fā)過程中或是對航天器進行壽命考核時，都需要用到這些氣體。

電推力器的工作壽命一般能達到幾千到上萬小時，工程師會按照航天任務(wù)的需求在地面上進行1:1或者1:1.5的長壽命實驗。例如需要研制出一臺壽命達到1萬小時的電推力器，在地面上至少要考核1萬小時，不僅如此，為了測試其可靠性，可能需要多臺推力器多次實驗，這些過程對氙氣或其他推進劑的需求量十分大。

質(zhì)量>50KG的地球同步軌道和低地軌道衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量

（圖源：北京空間信息科技研究所）

另外，在發(fā)射過程中，航天器也會裝載推進劑，由于氣體充裝存在一定損失，所以通常一顆用作位置保持的GEO衛(wèi)星需要搭載100~200公斤推進劑。

美國SpaceX公司的星鏈計劃家喻戶曉，他們采用了氪霍爾推力器來替代氙霍爾電推力器，每一顆衛(wèi)星大約搭載10~20公斤的氪氣，雖然每顆衛(wèi)星裝載的推進劑不多，但是星鏈計劃四萬顆衛(wèi)星累計所需的推進劑總量還是十分驚人的。

4、品質(zhì)要求十分苛刻，核心器件還需精益求精

幻實（主播）中國航天會不會有類似“星鏈計劃”的布局？

杭觀榮（嘉賓）我國也會有相應(yīng)的布局。之前國內(nèi)很多產(chǎn)品都是“有而不精”，像電推進系統(tǒng)就對稀有氣體的的純度和產(chǎn)量提出了很高的要求，只有精益求精的產(chǎn)品才能縮短與國外的差距。

幻實（主播）對半導(dǎo)體器件的產(chǎn)品質(zhì)量要求是否也會很苛刻？

杭觀榮（嘉賓）是的，電推力器對于半導(dǎo)體器件的需求量雖然不大，但是品質(zhì)要求十分苛刻。因為太空環(huán)境與地面上的應(yīng)用工況大不相同，太空輻照、高低溫等都會影響器件運行。不僅如此，一般電推進系統(tǒng)需要工作15~20年，對半導(dǎo)體器件的可靠性、抗干擾能力，高低溫環(huán)境下的工作能力等都算得上是極大的考驗。

電推力器在某衛(wèi)星上的安裝位置示意圖，紅色處為電推力器

（圖源：氣體圈子官網(wǎng)）

幻實（主播）如果您那邊需要國產(chǎn)化的半導(dǎo)體器件，我們也十分愿意把國內(nèi)好的產(chǎn)品推送過去，為中國的航天發(fā)展盡自己的一份力。

杭觀榮（嘉賓）我們當(dāng)前的目標(biāo)就是提高設(shè)備的國產(chǎn)化率，努力實現(xiàn)各核心設(shè)備的完全國產(chǎn)化，當(dāng)然國外的器件廠商如果能夠提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，我們也十分歡迎。

幻實說

我國電推進系統(tǒng)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用仍取決于自身核心器件的技術(shù)發(fā)展，核心設(shè)備的國產(chǎn)化率越高，電推進技術(shù)發(fā)展的空間越大。

另外，航天器對器件、設(shè)備等的需求十分苛刻，電推進系統(tǒng)的向前發(fā)展也在帶動其他產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品的精進。航天器搭載的電推進系統(tǒng)拉動稀有氣體、半導(dǎo)體等領(lǐng)域的需求量增長是逐漸的、長期的，電推進技術(shù)越成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域就越廣泛，對稀有氣體、半導(dǎo)體等領(lǐng)域的高精尖產(chǎn)品需求也就越大，這種互生共贏的良性循環(huán)是其他許多產(chǎn)業(yè)值得參考的案例。