电推进系统，也称电推进发动机，其工作原理是先将氙气等惰性气体转化为带电离子，然后把这些离子加速并喷出以产生推进力，进而完成航天器的姿态控制、轨道修正和轨道维持等任务。

 

国外电推系统应用

 

自从1982年5月原苏联研制的SPT-70霍尔电推进系统首次成功应用于GEO卫星Kos-masl366东西位保任务以来，电推进在国外各类航天型号任务得到了广泛应用，并且随着电推进技术的发展和电推力器性能的不断提升，使用电推进系统的航天器日益增多，电推进在航天器上所担负的任务更是随推力器性能的提高逐渐增强。

 

电推进所承担的在轨任务从应用初期（1990年前后）单纯的GEO卫星东西位保或南北位保，发展到后来(2000年前后）的GEO卫星在轨位保与轨道提升，中、低轨道卫星轨道维持（大气阻尼补偿）以及深空探测主推进等。进入2010年后，以美国为代表的航天技术强国在高性能电推进产品研制和航天应用方面更是取得了重大进展，由电推进系统承担航天器在轨所有推进任务(位置保持、轨道转移等)的全电推进技术已经被完全掌握并进入航天型号应用阶段。

 

目前，空间应用最为广泛的是静电式电推进，其中，霍尔电推进、离子电推进为当前国际上研究和应用的重点，在GEO卫星轨道转移和位置保持、深空探测器主推进、低轨卫星轨道维持等任务中大量应用。

 

以下从GEO卫星、低轨卫星、深空探测等方面介绍国内外电推进发展和应用情况。

 

1、GEO卫星位置保持和轨道转移

 

地球静止轨道（GEO）卫星是目前电推进应用最为广泛的领域，也属于电推进的传统应用领域。在国外已经完成飞行和正在执行飞行任务的所有使用电推进的航天器中，90%以上都集中在这一领域，且基本上都是长寿命通信卫星。

 

美国波音公司在BSS-601HP平台卫星上应用XIPS-13离子电推进系统完成南北位置保持任务，共发射了近20颗卫星。波音公司在BSS-702平台上应用XIPS-25离子电推进系统完成全部位置保持任务I3-4，共发射了20多颗卫星。美国劳拉公司在LS-1300平台上应用SPT-100霍尔电推进系统完成南北位置保持任务S，共发射了10多颗卫星。

 

欧洲Astrium公司在EUROSTAR-3000平台上应用SPT-100和PPS-1350霍尔电推进系统完成南北位置保持任务，共发射了近10颗卫星。欧洲最新ALPHABUS平台确定采用Snecma公司的PPS-1350霍尔电推进系统完成南北位置保持任务。由波音公司研制的美国首个全电推进卫星平台BSS-702SP平台的首发星（亚洲广播公司的ABS-3A和墨西哥卫星公司的Satmex7）预计将于2015年初采用一箭双星方式发射。ESA也于2013年10月启动了欧洲第一个全电推进卫星平台Electra平台的开发工作。该平台基于德国OHB公司正在研制中的SGEO平台开展研制，该平台首颗卫星(卢森堡欧洲卫星公司卫星）计划将于2018年发射。

 

俄罗斯应用力学联合体在MSS-2500等平台上应用SPT-100霍尔电推进系统完成全部位置保持任务，共发射了10多颗卫星。俄罗斯的Express和Seset等通信卫星采用直接入轨方式发射，利用电推进系统实现卫星在轨南北位保和东西位保，在概念上实现了全电推进。

 

 

2、深空探测自主推进

 

深空探测主推进是最能体现电推进技术优势的领域，也是电推进最具发展和应用潜力的领域，虽然目前已经发射的以电推进作为主推进的深空探测器只有4个，数量不是很多，但就是这为数不多的几次成功应用，已经向世人显示了电推进作为深空探测主推进实现航天器自主导航飞行与控制的技术优势。

 

世界各航天技术先进国家针对未来更远距离深空探测使命，如水星探测、木星探测、海王星探测、彗星表面采样返回以及载人深空探测等，已经启动或正在开发和研制更高性能的大功率、超大功率电推进系统。

 

当前，世界航天技术强国均已经制定了选用电推进尤其是离子电推进作为未来更远距离深空探测主推进的产品开发与研制计划，国外应用电推进开展深空探测的主要有美国、日本和欧洲。美国于1998年10月发射升空的DS-1航天器应用NSTAR-30离子电推进系统完成了小行星探测主推进任务，2007年9月在Dawn航天器上应用3台NSTAR-30离子电推进系统完成了对主带小行星中Vesta和Ceres科学探测的主推进任务，美国的下一代推力可调、功率范围1~10kW的太阳能电推进离子推力器NEXT，高比冲、大功率、长寿命核电氙离子电推进系统NEXIS和大功率的HiPEP；俄罗斯的STP-140和SPT-290等霍尔电推进系统。日本于2003年5月发射升空的隼鸟号航天器应用4台μ-10微波离子推进系统完成了近地小行星丝川的采样返回的主推进任务（2-15)，计划于2014年发射隼鸟二号继续采用4台μ-10微波离子电推进系统完成1999JU3小行星采样返回的主推进任务。欧洲于2003年9月发射的SMART-1航天器应用单台PPS-1350霍尔推进系统完成了月球探测主推进任务。

 

3、中低轨道航天器⽆拖曳控与⾼精度姿态控制

 

这一领域的航天器主要依靠电推进实现轨道阻尼补偿，以保证航天器无阻尼飞行或运行轨道、位置、姿态稳定及其高精度调节等。对应的航天器主要包括有高精度重力梯度测量卫星、空间微重力试验卫星、高精度遥感（对地观测）卫星以及对卫星轨道与位置要求较高的小型卫星、微小卫星和星座组网卫星等。

 

欧洲于2009年发射升空的GOCE卫星应用2台T5离子电推进系统完成了240km轨道大气阻尼补偿任务6，绘制出了高精度的全球重力场分布。美国于2000年11月发射升空的EO-1成功应用脉冲等离子体电推进系统完成了精确姿态控制任务，于2007年3月发射升空的FalconSat-3小卫星应用了Busek公司研制的微脉冲等离子体电推进系统完成了超精确无拖曳控制任务。

 

4、空间太阳能电站轨道维持

 

所谓空间太阳能电站轨道维持就是在空间轨道上将太阳能转化为电能，通过微波、激光等方式传输到地面再转化为电力以供地面使用的天地一体化系统。作为发电站，空间太阳能电站上拥有丰富的电能资源，利用大功率的电推进系统来完成空间太阳能电站位置保持、轨道维持等任务，其优势是其它任何推进系统都无法比拟的。

 

国内电推进系统应用

 

我国航天发展计划对电推进已经提出了明确的应用需求，主要的需求领域包括地球同步轨道（GEO）卫星位置保持和轨道提升，全电推进卫星平台，近地小行星探测主推进，超静卫星平台无拖曳控制，中、低轨道航天器轨道维持，火星以远深空探测主推进等。目前应用需求最为迫切的主要集中在以下领域：GEO卫星平台卫星位置保持和轨道提升、全电推进卫星平台、中等轨道航天器轨道维持、近地小行星探测等。

 

1、GEO卫星位置保持和全电推进

 

目前，我国已经明确应用电推进系统来承担航天器部分或全部在轨推进的任务主要包括中等容量GEO卫星平台、大容量GEO卫星平台、全电推进卫星平台及空间站等。

 

2023年1月13日凌晨，亚太6E卫星由长征二号丙运载火箭在西昌卫星发射中心成功发射，这是我国基于全电推平台——东方红三号E平台研制的一颗国际商业高通量通信卫星。

 

2、近地⼩⾏星探测等深空探测主推进

 

中国小行星探测任务的目标是实现对Tukimit小行星的飞越探测，对Apophis小行星的伴飞以及对1996FG3小行星的附着探测。推进方式拟采用电推进和化学推进相结合的方式。电推进提供巡航阶段轨道控制所需的速度增量，化学推进进行姿态控制，并完成伴飞和附着段的轨道控制。小行星探测器巡航阶段轨道控制所需的速度增量不小于5.6km/s。深空探测器采用电推进系统作为主推进，可以极大提高航天器的有效载荷能力。深空探测任务对电推进系统的技术要求主要体现在大范围多点工作模式和长寿命方面，当然，在多模式的基础上实现大推力可以缩短探测器飞往探测目标的飞行时间，降低电推进系统寿命要求，实现高比冲也可有效提高探测器的有效载荷能力或减少推进剂携带量。

 

3、低轨航天器⽆拖曳控制和轨道维持

 

高精度引力场测量卫星需要卫星平台达到非常高的微(零）重力水平，电推进系统可通过推力的连续和精确可调，补偿卫星在某个方向或全部方向上的非惯性力(如大气阻尼），实现卫星无拖曳飞行控制。我国正在论证中的重力梯度卫星将是第一颗计划采用电推进系统实现无拖曳控制的航天器。另外，高精度对地观测卫星、微重力试验卫星以及其它类型的科学实验卫星对无拖曳飞行均具有广泛的应用需求。低轨和超低轨卫星因轨道大气阻力的作用，其运行轨道会随时间不断降低，利用电推进系统小推力特点可对轨道大气阻力实现实时、准确补偿，确保航天器运行轨道的稳定。该领域的应用对电推进系统的推力、比冲与寿命的要求并不是很高，但由于此类航天器能够提供的电功率有限，因此，要求电推进系统功率不能太高。按照国外应用经验，对于低轨和超低轨小型卫星的轨道维持应用，电推进系统功率一般应在300W左右。

 

2020年6月，银河航天首发星搭载了电推进系统，来实现首发星的初始入轨调整、长期轨道保持、寿命末期离轨处理（减少太空垃圾）。这是电推进系统在国内首次在低轨小卫星上使用。

 

2022年，我国独立自主建造运营的载人空间站核心舱上配置了4台霍尔电推进发动机，这是人类载人航天器上首次使用电推进。

 

2022年10月13日，由兰州空间技术物理研究所（即510所）完全自主研制的300瓦级LHT-40霍尔电推进系统在微厘空间北斗导航增强星座S5卫星上完成首次在轨测试。系统工作稳定，性能指标全面满足用户需求，为国内小功率霍尔电推进产品在北斗系列导航任务中的应用拉开了序幕。

 

4、(超)低轨⼩卫星编队飞⾏及(微)⼩卫星精确轨道控制

 

为完成低轨和超低轨小卫星编队飞行、小卫星与微小卫星精确轨道维持、轨道机动、姿态控制任务，要求电推进系统的输出冲量精确可控（输出推力小、控制精度高）。从目前各种电推进系统的技术特点来看，小推力甚至于微推力水平的场致发射推力器（FEEP，0.001~10mN）、脉冲等离子体推力器（PPT，0.005~20mN）、胶体离子推力器（Colloid，0.001~0.5mN）、微小功率射频离子推力器（RFIT，0.001～20mN）和微波离子推力器（ECRIT，0.001～20mN）是执行此类任务的最佳选择。

 

5、空间太阳能电站轨道维持

 

空间太阳能电站作为解决人类能源问题的有效途径之一，已成为世界范围的研究热点。国外正在开展针对该领域应用需求的大功率电推进系统研制工作。我国也已经将空间太阳能电站确立为国家新能源战略目标之一并启动了关键技术论证工作。大功率电推进系统作为大型航天器在轨运行的重要支撑技术，在我国未来空间太阳能电站建设中具有显著的应用需求。

 

未来我国重力梯度卫星、空间微重力试验卫星等无拖曳飞行控制、深空探测以及低轨和超低轨卫星轨道维持、小卫星编队飞行、微小卫星精确姿态控制等背景型号领域电推进也将会有广阔的应用前景，尽管现阶段这些领域的需求并不是特别迫切和清晰，尚未正式列入国家航天技术发展与应用计划，但在未来10~20年，甚至更短时间内，随着我国航天任务的不断推进和电推进应用的深化，电推进在这些领域完全有可能实现应用。

 

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