小功率電推進已成為最有技術競爭力的小衛星應用的推進系統選擇。在總結美國、俄羅斯、歐洲、日本等國家離子、霍爾、電熱、PPT、FEEP 等小功率電推進技術發展和小衛星應用情況的基礎上，從軌道轉移、大氣阻尼補償、位置保持、姿態控制、編隊飛行等任務方面分析了小衛星對電推進系統的需求和應用電推進的必要性及可行性，針對小衛星主要任務需求分別提出了10 W、100 W和500 W級小功率電推進技術發展和應用方面的具體建議。

引言

　　低成本、短周期、高性能是發展小衛星的主要動力，目前已經應用的小衛星及星座包括通信、遙感、觀測、科學試驗、技術驗證等。廣義小衛星重量為500 kg以下，狹義小衛星重量為100～500 kg，文章小衛星定義重量為100～1 000 kg、功率為100～1 000 W。大多數小衛星需要推進系統完成阻尼補償、軌道升降、位置保持、姿態控制、編隊飛行、發射誤差修正等任務，并且隨著小衛星使命增強和工作壽命延長變得更加必要。

　　推進系統一般占航天器總重量的10%～50%，小型化高性能的空間推進系統是小衛星降低重量、提高性能的主要技術支撐。過去的小衛星主要應用冷氣和化學推進系統，但隨著具有微推力、高效率、高比沖、長壽命、推力可控等特點的電推進技術發展，小功率電推進已成為最有技術競爭力的小衛星推進系統選擇。文章在總結國外小功率電推進技術發展和小衛星應用情況的基礎上，分析了小衛星對電推進系統的需求及應用必要性和可行性，提出了小功率電推進技術發展和應用方面的建議。

1、國外小功率電推進的發展與應用

1.1、小功率電推進發展

　　在傳統電熱、靜電和電磁電推進及新型電推進技術中，小功率電推進可以分為兩類：一類是具有內在小功率(小型化)特性的，如場發射(FEEP)、脈沖等離子(PPT)、MEMS、膠體(CT)等電推進；另一類是可以實現小型化的電推進，包括離子(IT)、霍爾(HT)、微型電熱(MET)等電推進。小功率電推進技術研究和產品研制主要集中在航天發達國家，包括美國、俄羅斯、歐洲、日本等，表1列出了離子、霍爾、微型電熱、PPT、FEEP等小功率電推進典型產品的主要性能和成熟度，MEMS、膠體和其他類型小功率電推進，由于技術和產品成熟度較低，或其功率不在文章關注范圍內而沒有列入。目前，小功率離子電推進性能覆蓋范圍為功率10～500 W、推力0.5～20 mN、比沖1 400～5 000 s，小功率霍爾電推進為70～900 W、3～44 mN、800～2 000 s，小功率電熱電推進為50～750 W、20～400 mN、100～800 s，PPT電推進為5～200 W、0.1～6 mN、1 000～2 000 s，FEEP電推進為5～80 W、0.02～1.2 mN、4 000～12 000 s。離子電推進的小功率化發展比霍爾電推進更好，特別是射頻和微波離子電推進已經實現了與PPT和FEEP等電推進的性能交疊。

表1 小功率電推進產品性能與成熟度

1.2、國外小衛星應用電推進情況

　　早期衛星質量都比較小，而電推進試驗和應用又開始于1970年，所以在統計上不列入小衛星電推進應用范圍。表2給出了1999年以來小衛星電推進應用情況。目前已經實現或正在實施的小衛星電推進應用包括無拖曳控制、大氣阻尼補償、軌道維持、姿態控制等，其中無拖曳控制和大氣阻尼補償主要是離子電推進，軌道維持主要是霍爾電推進和電熱電推進，姿態控制主要是PPT電推進。

表2 小衛星電推進應用情況

2、小衛星應用電推進的建議

2.1、小功率電推進技術發展建議

　　(1)在100～500 W功率范圍內，應優先發展性能指標如表8所列的離子和霍爾兩種類型電推進，以滿足地球軌道大氣阻尼補償(含無拖曳控制)、軌道維持和位置保持、部分軌道轉移、部分編隊飛行等需求，其中離子電推進具有較大范圍功率連續調節能力可滿足無拖曳控制需求；

　　(2)在10～100 W功率范圍內，應優先發展離子、PPT、電熱等三種類型電推進，具體性能指標如表8所列，以滿足軌道維持、姿態控制、高軌道無拖曳控制等需求，其中離子電推進主要為微波或射頻類型；

　　(3)在10 W 以下功率范圍，應優先發展PPT、CT兩種類型電推進，主要滿足微、納衛星姿態控制、無拖曳控制、軌道維持等需求，具體性能指標如表8所列。建議發展CT而不是發展FEEP的主要原因為：膠體推力器高效、寬比沖工作，無壽命衰減、推進劑污染問題，FEEP高電壓需求、金屬推進劑污染等決定了其不具備工程應用競爭力。

2.2、小衛星應用電推進建議

　　電推進具有比沖高、推力小、系統相對復雜、性能調節方便、需要電功率源等特點，但并不是所有的航天器都適合應用電推進，例如快速機動要求用電推進就難以滿足。小衛星應用電推進要遵循的基本原則包括：能用傳統推進完成的就不用電推進，能用簡單電推進完成的就不用復雜電推進，應用電推進要經過飛行試驗驗證，針對具體使命用好電推進要從小衛星方案設計階段做起。對小衛星應用電推進的主要建議包括：

　　(1)重力梯度衛星、超靜平臺等衛星的無拖曳控制需要連續、快速可調的推力輸出，并且有長期工作的壽命要求，目前只有離子電推進可以最有效的滿足這一需求；

　　(2)隨著LEO 軌道小衛星的工作壽命不斷延長，完成軌道維持需要的推進劑量成為重要影響因素，應用高性能電推進的效益將變得非常可觀。反過來看，應用電推進將成為延伸衛星工作壽命的最有效手段；

　　(3)部分科學試驗(如電離層環境測量)衛星需要軌道高度連續變化，部分觀測衛星需要軌道傾角連續變化以覆蓋地球表面更大范圍，這些使命需求正好與電推進的小推力、長期連續工作特性相對應，高比沖特性同時帶來節省大量推進劑的效益；

　　(4)多星發射下的星座展開、激光干涉儀空間天線等的編隊飛行都需要高性能的推進系統，不僅速度增量需求大，而且要求能夠兼顧衛星展開、軌道保持(間距維持)、壽終離軌等機動，離子和霍爾電推進是最好的選擇；

　　(5)僅單獨配置姿態控制電推進似乎過于昂貴，除非技術上必要。小衛星姿態控制應盡量與軌道控制電推進系統兼顧使用，或者組合配置姿態控制和軌道控制電推進系統，如PPT和μPPT的組合；

　　(6)小速度增量需求和轉移周期不受限制的小衛星軌道轉移使命應用離子或霍爾電推進，不僅具有可實現性，而且能夠帶來明顯效益。對大速度增量需求和轉移周期受限制的小衛星軌道轉移，采用化學推進和電推進優化組合方法是可行的途徑。

3、總結

　　小衛星應用電推進的優點包括減輕重量、提高精度、擴展使命等，針對小衛星應用需求，國外除了繼續發展PPT、FEEP等傳統小功率電推進外，在離子、霍爾、電熱等電推進的小功率化方面已經取得很大進展，實現了小衛星不同使命下的多種類型電推進的應用。

　　為滿足小衛星發展和應用需求，應優先發展100～500 W功率范圍的離子和霍爾電推進技術、10～100 W 功率范圍的PPT 和離子電推進技術、10 W以下功率范圍的PPT和CT電推進技術。小衛星發展規劃中，建議在LEO軌道無拖曳控制、長壽命軌道維持、連續軌道變化等使命優先應用電推進，并逐步擴展到星座展開和編隊飛行、軌道轉移等使命。