LIPS-300地面点火试验
电推进领域频频传来好消息，前段时间是801所的20kW大功率霍尔推力器实现全网刷屏，今天的主角则是510所的LIPS-300大功率离子推力器。相比较于801所的20kW，LIPS-300是5kW量级的小家伙，但是相比较我国以往上天应用电推进系统而言，这已经是一个大家伙了，而且是一个实实在在经过太空验证的先进电推进系统。如果非要我比较一下801所的大功率霍尔推力器和510所的LIPS-300，我认为前者代表了未来，而后者则于当下引领风骚。
2019年12月27日，长征五号成功复出，并将我国首颗基于东方红五卫星平台的实践20号（SJ-20）通信卫星送入了预定轨道。
该卫星以“国家使命、超越领先、技术引领”为设计原则，是我国目前最重地球同步轨道卫星，被赋予了重多黑科技，今天将为大家重点介绍其中的一项黑科技：电推进系统——离子推力器。
东五平台是我国自主开发的新一代大型地球同步轨道卫星平台，据了解，按照设计指标，基于“东五”平台的卫星起飞重量可达8000-9000kg，载荷承载能力可达1500-1800kg；整星功率28kW以上，提供载荷功率达18kW；载荷舱的散热能力达9kW；设计寿命长达16年。更为重要的是，东五平台可以满足不同功能卫星研制需求，可广泛应用于高轨通信、微波遥感、光学遥感、空间科学探测、科学试验、在轨服务等多个领域，是世界航天领域少有的多适应性平台。引用自《东五首飞！我国卫星公用平台产品体系构建完善》
何为电推进，顾名思义就是采用电的推进装置。那么不采用电的推进装置是什么，当然是化学推进。在地面使用的汽车，我们知道汽车有烧油的，有油电混合的，更有纯电动的特斯拉。电推进之于卫星，就相当于电机之于汽车，他们均需要电能作为能量输入，最后输出动能，产生动力。
纯电动的Tesla与混动的丰田汽车
那么，SJ20应用电推进的必要性在哪呢？还是以汽车为例，说明卫星采用电推进系统的必要性。
在汽车领域，采用电是为了环保节能，如果不考虑电是如何得到的，单纯考虑电能与机械能、热能与机械能之间的转化关系，前者的转换效率是远远高于后者的。在太空领域，同样适用。
不同于汽车领域，电能可以产生很强劲的动力使电动汽车的速度与传统汽车的速度相当，太空领域的电推进系统产生的力是非常微小的，小至μN，中至mN，大至N，而卫星上化学推进可以产生10-1000N甚至更大的推力。这主要是二者产生推力的原理不同造成的。
化学推进会短时间内喷出大量的气体，甚至采用化学反应短时间内释放出化学燃料的化学能，这种纯暴力的方式可以在瞬间产生一个巨大的冲击，付出的代价是短时间消耗大量的燃料，而且这种方式下气体的能量更倾向于各向同性（即各个方向的速度接近相等），即使通过特殊的喷管设计达到定向加速的效果，但是速度仍然较低，速度低将导致比冲低，从而消耗更多的燃料，这就是采用化学推进产生大推力时需要付出的代价。
采用电推进则相反，电推进在电场和磁场的作用下产生大量的带电粒子，再用电场和磁场将带电粒子定向加速至高能量，这样的过程可以使比冲大幅度提高，从而达到节省燃料的目的，但是这个过程最终产生的推力非常小。推力小不代表其没有优点。
离子推力器工作原理
如果卫星需要紧急机动快速避让，或者需要尽快完成变轨，那么电推进系统确实难以胜任，但是如果需要提供连续、持久且精确的推力，电推进无疑是最佳选择。
根据不同的任务，电推进与化学推进是完美搭配，而不是互相排斥的。
因为SJ-20是我国目前最重地球同步轨道卫星，这对动力系统提出了至少以下两个方面的需求：
- 燃料携带量少；
- 更强劲的动力。
由于该卫星需要发射到地球同步轨道，节省燃料可以节省大量的发射费用，另一个角度而言，节省燃料意味着同等发射费用下可以使卫星平台携带更多的有效载荷（各种功能仪器）。
一般而言，目前常用的电推进有霍尔推力器和离子推力器，比冲基本是化学推进器的10倍以上。以美国波音720SP卫星平台为例，以往的化学动力卫星是一箭单星，而采用全电推进平台的720SP实现了一箭双星，可见采用电推进节省燃料的能力之强。
因此，此次大家伙SJ-20在首次发射就采用了电推进，因为谁也不想成为别人眼中的胖子。
采用电推进，意味着需要电。要想电推进提供强劲的动力，这意味着卫星需要强有力的能量来源，而卫星的能量来源为太阳能。为了满足大功率电推进系统的使用要求以及卫星本身各项系统对能量的需求，SJ-20大胆采用了另一项黑科技——“绷弦式”太阳翼。
实践二十号卫星身躯庞大，它的“翅膀”是我国迄今为止面积最大、翼展最长、展开方式最复杂的太阳翼，双翼展开比波音737飞机的翼展还要宽上10米。尽管这双“翅膀”十分巨大，但是却“身轻如燕”，作为国内首个“绷弦式”太阳翼，机电重量比为历史最低。太阳翼首次采用二维二次展开方式，展开后面积大大增加，带来源源不断的超强电流供给，让实践二十号卫星始终拥有充沛体力，为更多的用户提供广播电视服务、移动通信服务。引用自《最强盘点丨数数实践二十号卫星的“黑科技”》
除了“绷弦式”太阳翼，SJ-20还有一套矢量调节机构。矢量调节机构是用来调整推力方向，使推进系统效果达到最优的关键机构。SJ-20有了这两项关键技术，为大功率电推进在太空为卫星提供持续、精准的推力提供了保障。
铺垫了这么多，这次搭载SJ-20一起飞入太空的离子推力器到底是怎样一个厉害的家伙呢？官方给出的信息是：
本次搭载的LIPS-300电推进系统实现了高性能放电室设计，大束流密度三栅极设计及热稳定性控制等4大技术突破，解决了高密度等离子体源、复杂环境下精密器件热设计等国际难题，可实现200毫牛推力、最高比冲4000秒的高性能指标，较上一代LIPS-200电推进系统相比，综合性能大幅提升，技术指标达到国际先进水平。此外，Lips-300电推进系统首次设计了低、高双功率输出模式，就像是汽车一样可以根据“路况”的不同变换不同的档位，任务执行能力更强更加灵活、更加高效。引用自《成果 | LIPS-300电推进系统成为空间动力“新担当”》
官方信息中的几点关键信息：
- 技术突破：高性能放电室设计，大束流密度三栅极设计，热稳定性控制等；
- 性能指标：200mN推力，4000s比冲；
- 工作模式：低、高双功率输出模式。
第一点技术突破是为了解决高密度等离子体源、实现高效长寿命加速离子和复杂环境下精密器件的热设计这几个问题的。复杂环境主要是指火箭发射过程当中面临的强冲击动力学环境以及离子推力器在太空工作时的超高温/超低温冷热交替环境，复杂的热力学环境会导致高精密的栅极系统面临失效的风险。
第二点性能表明了离子推力系统的动力输出能力和燃料节省能力。4000s的比冲，这相比较于化学推进常见的300s左右的比冲，提高了13倍。
电推进技术是未来开展深空探测的首选利器，打个比方，过去使用化学推进时，一颗重5吨的卫星，60%的重量都是化学燃料，若采用电推进技术产品，重量可以减掉2.5吨。多出来的空间可以配备更多科学载荷，同时应用了LIPS-300离子推力器的卫星，仅发射成本一项就打了
五折，还不算其他潜在效益，因此LIPS-300电推进系统拥有着广阔的发展前景。特别是对于火星、水星、金星、木星和小行星等这些星的探测来说，距离地球几百万甚至上亿千米，采用化学推进，在现有的运载条件下，是不可能完成的任务，只有电推进系统才能有效解决这一问题。此外，电推进系统还有其特殊的优势，其连续工作能力和推力可调节能力，使得探测任务可以不受或少受发射窗口的限制。引用自《成果 | LIPS-300电推进系统成为空间动力“新担当”》第三点工作模式表明该推力器可以提供不同范围的推力，即不是只产生200mN的推力。这使该推进系统能够更加灵活的工作，尤其是当其他功能仪器短时间需要大功率电能时，如果不具备这样的工作模式将导致卫星短时间失去动力。
本文主要内容到此结束，下一篇文章将从原理上详细分析离子推力器，并针对LIPS-300的技术突破，尝试弄清楚以下几个问题：
- 高性能放电室的设计受到哪些因素的影响，优化的方法有哪些；
- 栅极系统的设计以及大栅极系统设计面临哪些问题；
- 热稳定性对离子推力器的重要性。
