NASA與航空噴氣-洛克達因公司推動空間電推進技術發展

近期，在向航天相關的眾議院小組委員會作證時，美國航空噴氣-洛克達因公司建議將「太陽能電推進」（SEP）技術作為美國深空體系的核心組成。公司空間項目主管喬·卡薩迪表示，SEP對於深空體系的可持續性來說十分關鍵，可在航天員抵達深空目的地之前，實現貨物、居住艙和有效載荷的高效運輸。

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SEP系統性能優勢

SEP系統的推進劑效率（比沖）是傳統化學推進系統的6-10倍。目前，超過200個商業、民用、國家安全及國防領域的航天器正使用SEP進行位置保持、重新定位和軌道提升等操作。載人火星任務約75%的有效載荷可使用SEP系統運輸，從而減少發射次數。此外，NASA和航空噴氣-洛克達因公司正在研發的SEP系統可使深空任務所需推進劑量減少10倍。

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在研技術

航空噴氣-洛克達因公司當前正在為NASA研發三種獨立的高功率電推進系統：①用於行星任務的「NASA演進氙離子商業推進器」(NEXT-C)氙離子發動機；②用於深空貨運任務的「先進電推進系統」（AEPS）；③為未來技術嵌入研發的NASA「下一代空間探索技術合作」（NextSTEP）項目100千瓦級嵌套式霍爾推進器。

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NASA演進氙離子商業推進器（NEXT-C）

航空噴氣-洛克達因公司在2015年獲得NASA約1800萬美元的合同，用於開展NEXT-C網格離子推進器系統的研發工作，以支持政府和商業航天器以更高的燃料效率、更快、更遠地執行深空任務。根據NASA，NEXT系統能執行以火星及其他外行星為目的地的各種深空任務。2013年，NASA對NEXT-C網格離子推進器系統進行了破紀錄的5萬小時壽命測試。其運行功率是NASA當前低功率系統的3倍，可產生3倍的推力水平。

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先進電推進系統（AEPS）

2016年4月，航空噴氣-洛克達因公司與NASA簽訂6700萬美元的成本加固定費用合同，用於研發高功率電推進系統AEPS，為NASA地月空間探索和火星探索計劃提供關鍵部件。根據合同，公司將研發、認證並交付5個12.5千瓦「霍爾」推進器子系統，包括推進器、功率處理單元（PPU）和氙離子流控制器。其中，功率處理單元（PPU）已於近期在NASA格倫研究中心成功進行一系列熱點火測試。

▲NASA格倫研究中心對12.5千瓦的推進器進行評估。

據航空噴氣-洛克達因公司稱，比起其最先進的XR-5「霍爾」推進器（目前正用於推送政府和商業衛星進入地球同步軌道），AEPS系統12.5千瓦「霍爾」推進器可提供兩倍推力。而據NASA消息，該推進系統可使航天器運載工具的燃料效率比當前化學推進技術提高10倍。目前，該公司正在進一步完善該推進系統，尋求使其成為具有2.3萬小時壽命的飛行系統。該推進系統將成為SEP航天器的核心，NASA可使用它為低地球軌道以遠的載人深空探索提供高效的居住艙和貨物運輸服務。

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100千瓦級「嵌套式霍爾推進器」

2016年2月，NASA授予航空噴氣-洛克達因公司250萬美元的合同，用於研發並驗證高功率電推進系統。公司團隊將完成100千瓦級「霍爾推進器系統」的研發。該系統包括：使用公司多通道「嵌套式霍爾推進器」技術研發的250千瓦推進器、100千瓦模塊化功率處理單元（PPU）的關鍵部件、以及模塊化氙離子供給系統的部件。其中，PPU將航天器太陽能電池陣列生成的電能轉化為「霍爾推進器」所需動力。合同包括系統集成測試，並計劃在NASA格倫研究中心對100千瓦級系統進行100小時的測試。一旦完成研發，該技術將有助於減少地月及火星載人航天任務的次數並降低任務成本。

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高功率電推進系統的意義

當前電推進系統的運行功率為5千瓦或更低，NASA計劃在近期的航天器任務如「小行星重定向任務」（ARM）中使用20-50千瓦的電推進系統。該項目還研發更高功率的系統，如可擴展的100千瓦級系統，以便為可持續的載人火星任務運輸大型的有效載荷。

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研發XR-100推進系統

2016年，NASA「下一代空間探索技術合作」（NextSTEP）項目授予航空噴氣-洛克達因公司650萬美元的合同，用於在未來三年內研發被稱為XR-100的推進系統。該系統是可擴展至兆瓦級的100千瓦級系統，密歇根大學加里摩爾教授主持研發的X3推進器是該系統的核心。航空噴氣-洛克達因公司將圍繞X3建造兩個主要部件：將電能轉化為推進器動力的功率處理單元（PPU），以及從高壓燃料箱向通道供給氙氣的系統。

▲X3推進器正在建造和測試

X3設計功率200千瓦，體積小，重量輕。其核心技術「霍爾」推進器已經用於在軌衛星機動操作。加里摩爾表示，相比而言，當前在軌運行的最強「霍爾」推進器功率為4.5千瓦，能夠調整衛星軌道和方向，但不足以為載人深空探索任務運輸大量貨物。而X3具有三個通道，以同心環的方式嵌套在一起。這種嵌套式設計使「霍爾」推進器體積縮小並能以200千瓦的功率運行。X3目前可以在高達30千瓦功率的熱穩定狀態下運行，在倒立擺推力試驗台上的推力測量顯示出超過2000秒的比沖和65毫牛/千瓦的推力/功率比。加里摩爾團隊的目標是使X3達到200千瓦運行功率，並將X3一年多的使用壽命延長5-10倍。

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