“东五平台”首飞试验星“实践二十号”升空 510所300毫米离子火箭发动机“随星出征” 推力十足 超长“待机”

2019年12月27日，“实践二十号”卫星搭载“胖五”长征五号遥三火箭在海南文昌卫星发射中心顺利发射升空。“实践二十号”卫星作为我国新一代地球同步轨道大型卫星公用平台“东方红五号”的首飞试验星，是我国新一代通信卫星的“探路者”，具有大容量、宽覆盖、长寿命、可扩展、多适应等特点，性能与国际上最先进的通信卫星技术水平相当。此次，由我国最西端的航天研究所——中国航天科技集团有限公司五院510所集45年技术积累、历时3年攻关而成的300毫米离子火箭发动机（即LIPS-300离子电推进系统），作为“东五”平台的标配已“随星出征”，开启了它的太空使命……300毫米离子火箭发动机为什么会在“东五”试验首发星上首轮“上场”？它将完成怎样的太空使命？记者28日就此采访了510所所长王小军及相关科研人员。

使命

“‘实践二十号’在中国航天强国建设历程中具有里程碑意义！”510所所长王小军自豪之情溢于言表。

“胖五”为我国未来实现航天重大工程包括载人航天、探月三期、空间站等提供了保障，使我国低轨运载能力达25吨，达到国外同期先进水平。它所搭载的我国新一代地球同步轨道大型卫星公用平台“东方红五号”首飞试验星“实践二十号”卫星，既是我国最重卫星，也是我国技术含量最高的卫星。最重要的标志之一，就是采用了510所研制的拥有完全自主知识产权的300毫米离子火箭发动机，它是体现“东五”卫星平台先进性的核心单机，同时也是“实践二十号”卫星最主要的在轨验证项目之一，标志着我国已掌握了多模式电推进技术。

助力“实践二十号”破空而行的510所电推进系统，包括4台LIPS-300离子推力器、4台数字化电源处理单元和2台推力器切换单元、2台高压氙气瓶共计12台（套）产品，将承担卫星16年全寿命周期内的位置保持等轨道控制任务，并开展电推进系统变轨能力的在轨验证，同时也将进一步验证其工作性能和工作稳定性。

“好比汽车上的发动机决定车的性能，推进系统也是航天器的动力源，航天器在太空中进行姿态调整、轨道控制等都离不开推进系统，决定着卫星的性能。”王小军说。之前已在星上得到正式应用的LIPS-200离子推力器，只承担同步轨道卫星南北位置保持一项任务；而“实践二十号”上的LIPS-300离子推力器，除了执行南北位保任务，还需完成东西位保、偏心率修正、动量轮卸载等位保任务以及变轨能力在轨验证任务。510所科研人员为新任务设定了高、低功率双工作模式，使卫星姿态调整和轨道控制更加灵活、高效。

考验

“LIPS-300离子推力器将不仅应用于高轨卫星平台，还将应用于深空探测飞行器的主动力系统。‘实践二十号’上的LIPS-300离子电推进系统设定了3种工作模式，而在未来的小行星探测中将采用35种工作模式，在7年以上的连续飞行中持续工作，寿命预期达3.5万小时。”王小军介绍说。

在地面上，LIPS-300离子推力器已经完成了羽流专项试验、电磁兼容性试验、关键部组件寿命考核等百余项试验，推力器整机寿命考核时间已超过6000小时。从研制伊始，510所即对标世界最先进技术持续攻坚克难，先后解决多级场放电、三栅极组件、大电流空心阴极、长寿命实现等国际难题。相比前一代，LIPS-300离子推力器在推力、比冲和寿命上都有了大幅提升，推力足足翻了5倍。

510所电推进事业部总经理耿海表示：“‘实践二十号’卫星发射后，将进行离子推力器预处理，卫星定点后，离子电推进进行点火测试与工作，除了确保完成16年位保等轨道控制任务外，还将择机进行变轨能力在轨验证。”

攻关

耿海介绍，推力器本体三大部分：阴极、放电室和栅极。

510所科研人员在国内电推进技术领域中首次设计了四级环尖场放电室。“放电室为等离子体的产生提供场所，而新的任务中离子体密度要求提高了一倍，对应的放电效率要求更高。”LIPS—300离子推力器主管设计师王亮介绍说，通过结构、磁场优化，使推力器的总效率由三级场的60%提高到了67%，达到了国际先进水平。

影响离子推力器寿命的另一关键在于栅极。既要长寿命，又要大推力，必须提高推力器中的离子密度。而离子密度的提高，必然会对栅极带来严重的溅射腐蚀，从而影响寿命。团队借鉴国际上的做法，增加了一片减速栅，有效缓冲了“子弹”打到“靶”上的力量、降低了“子弹”数量。

离子推力器上的阴极相当于发动机的点火装置。耿海说，为适应5倍于之前的发射电流的要求，科研人员新设计了20安大发射电流空心阴极。为满足寿命要求，对阴极内部影响寿命的关键零件的材料进行了改进，采用了抗等离子溅射腐蚀能力和长期氧化能力更强的新材料，并根据材料特性对阴极装配工艺进行了优化。

“实践二十号”卫星共装备4台大型板式表面张力贮箱，携带近3500升推进剂，是卫星进入同步轨道的主要动力来源。此次使用的880升大型板式表面张力贮箱为我国第一种实际应用于宇航型号的板式表面张力贮箱，具有可靠性高、结构简单、有效载荷量高、环境适应能力强等特点。该型贮箱较第一代网式表面张力贮箱每台减重近20公斤，有效的提高了卫星的有效载荷。

未来

510所自上世纪70年代中期开展电推进技术研究，到获1987年度国家科技进步一等奖，再到510所电推进技术2012年首次在轨验证、2017年首次在轨应用，及至今年。510所电推进技术研制已走过45年艰辛历程，目前已成为510所的首要战略性方向。“发展好是我们的责任担当。”王小军说：“通信、深空探测、载人登月等绝大多数航天领域，都离不开电推进技术，应用前景广阔。”王小军表示，510所已形成电推进产品型谱：小推力的产品将主要用于商业航天，其中两款小功率霍尔推力器已用于低轨互联网卫星；LIPS-200、LIPS-300离子推力器适用于中大型卫星平台；下一步，超大功率电推进系统即将在轨验证，可满足国家航天领域发展对动力系统的需求。

兰州日报社全媒体记者何燕/文510所供图

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