作者：太阳谷 来源：高端装备发展研究中心

长期以来NASA都在寻求一种经济高效的太空动力系统，以应用于其登陆月球和火星的任务，并且NASA在不断探索新的方法，以缩短这些变革性技术的研发周期，以便可以在短时间内提高美国的太空实力，支持各种商业航天活动来保证NASA的资金运转。太阳能电力推进（SEP）项目就是其中之一。该项目由NASA太空技术任务理事会（STMD）赞助，由美国宇航局格伦研究中心管理。

NASA的太阳能电力推进项目正在开发一些关键技术，以扩展其雄心勃勃的新科学项目和探索任务的距离和能力。通过星载太阳能电池阵列的电力供应，电动推进系统只需要使用比传统化学推进系统少10倍的推进剂，减少燃料质量将能为飞行器提供强大的动力，能够推动飞行器和载人飞行任务远远超出低地球轨道——将深空探测航天器送往遥远的目的地，或者将货物运送到目的地星球及从目的地运回货物，为新的深空探索任务或重新补给已经开展的探索任务奠定基础。

大功率SEP的任务需要该项目开发一系列先进技术，包括大型轻型太阳能电池阵列、磁屏蔽离子推进推进器、以及高压电源处理单元。

NASA位于克利夫兰的格伦研究中心负责太阳能电力推进项目，并正准备进行系统级飞行演示。

太阳能电池阵列

SEP项目需要开发大型、灵活、抗辐射的太阳能电池阵列，在这之前，NASA准备先开发一些小巧、轻便、具有成本效益的设计方案。

MegaFlex太阳能电池阵列

SEP项目与轨道ATK航空航天部（现已被诺斯罗普格鲁门公司收购）和可部署空间系统公司合作，建造并测试了两种太阳能电池阵列设计：一种可以像风扇一样折叠（ATK MegaFlex），另一种可以像窗帘一样展开（DSS ROSA）。两者都采用轻质结构和柔韧的毛毯材质技术，以保证其足够耐用，可在地球轨道上长时间运行或穿过恶劣的空间环境，例如范艾伦辐射带。

太阳能阵列ROSA

两个阵列均实现了所有最先进的相关指标，包括四倍的辐射容限，1.7倍于单位质量的功率（kW/kg），四倍于存储体积效率和二十倍以上的展开强度。该太阳能电池阵列技术此后的商业用途包括搭载Megaflex的天鹅号货运飞船前往国际空间站。太空系统Loral和Deployable Space Systems符合12.5千瓦的ROSA标准，因此ROSA可以用于Loral等商业卫星。一个最近在国际空间站进行的ROSA飞行试验成功完成其科学目标，首次验证了ROSA的在轨测量结构动力学和发电性能。

霍尔推进器

SEP项目将使用带有先进磁屏蔽的静电霍尔推进器（Hall Thrusters），而不是使用传统化学推进剂的火箭发动机。在SEP中，大型太阳能电池阵列将收集的太阳能转换为电能，这种能量被输送到这种特别节能的推进器中，在整个任务期间提供温和但不间断的推力。

太阳能电动推进发动机的霍尔推进器

霍尔推进器将电子在磁场中捕获并利用它们将机载推进剂（一般为惰性气体氙）电离成等离子体的尾气羽流，从而加速航天器的前进。实际应用时可以组合几个霍尔推进器来增加SEP航天器的功率。这种系统可将氙离子加速到65000英里/小时以上，并在一段时间内提供足够的力来移动货物并进行轨道转移。

测试中的霍尔推进器

在2015年，NASA研究人员成功测试了一个新的12.5千瓦霍尔推进器，该推进器采用磁屏蔽，使其能够连续运行多年，这一性能对于深空探测任务非常重要。

网格式离子推进器（NEXT-C）

NASA的进化氙气推进器（NEXT）是一种网格式离子推进器。在离子推进器中，离子通过静电力加速。用于加速的电场由位于推进器下游端的电极产生。每组电极，称为离子光学器件或网格，包含数千个同轴孔径。每组孔都用作透镜，通过光学器件将离子电聚焦。

NEXT-C

NASA的离子推进器使用双电极系统，其中上游电极（称为屏栅）充电为高电位，下游电极（称为加速栅）充电为低电位。由于离子是在高正区域产生的，加速器网格的电位是负的，离子被吸引向加速器栅格并通过孔聚焦在放电室外，产生数千个离子射流，所有离子射流聚集在一起形成离子束。推力是上游离子和加速器格栅之间产生的力。光束中离子的排气速度基于施加到光学器件的电压。

正在进行调试的NEXT-C

化学火箭的最高速度受到火箭喷嘴的热能力的限制，但离子推进器的最高速度只受到施加到离子光学器件的电压的限制（理论上无限制）。光束中离子的排气速度基于施加到光学器件的电压。虽然化学火箭的最高速度受到火箭喷嘴的热能力的限制，但离子推进器的最高速度受到施加到离子光学器件的电压的限制（理论上无限制）。光束中离子的排气速度基于施加到光学器件的电压。虽然化学火箭的最高速度受到火箭喷嘴的热能力的限制，但离子推进器的最高速度受到施加到离子光学器件的电压的限制（理论上无限制）。

预计NEXT的强度是Dawn和Deep Space 1太空船上使用的NSTAR的三倍。与Discovery，New Frontiers，Mars Exploration和旗舰外行星探测任务的化学和其他电力推进技术相比，NEXT提供更大的交付有效载荷，更小的运载火箭尺寸和其他任务增强。格伦研究中心制造了测试引擎的核心电离室，Aerojet Rocketdyne设计并制造了离子加速组件。前两个航班将于2019年初上市。

使用NEXT-C动力前往火星的假想图

对商业航天工业的好处

通过使用SEP，地球静止通信卫星（geocomsats）每年平均可以产生5000万至1.5亿美元的收入，其运行寿命将从7-8年提高到12-15年。商用航天器通过使用30-50kW级SEP将变得更轻，Falcon 9运载火箭甚至可以同时发射两枚这种卫星。随着高功率SEP的引入，当更高功率的太阳能电池阵列和电力推进系统可用时，卫星制造商在其整个航天器队中采用这种动力的几率越来越大。这是因为60％的大型通讯卫星的总质量通常与用于从地球静止转移轨道（GTO）到地球静止轨道（GEO）转移的双推进剂化学推进系统有关，即使是目前最大的商用航天器，使用SEP也可以获得30-50kW的机载功率，足以实现合理的GTO-GEO行程时间，因此可以实现额外的可创收有效载荷，以满足日益增长的卫星电视需求（目前卫星电视占所有卫星服务收入的比例超过90%）。

使用SEP动力的通信卫星概念图

给太空探索带来的好处

高功率SEP是NASA人类探索计划的基础，NASA的该计划是将载有深空探测所需的大型货物，有效载荷和其他航天器元件移到行星际空间的低地球轨道上，并且建设可扩展的空间基础设施。SEP技术的发展有可能提高太空运输效率，从而实现深空运输。

其他重要事实

◆SEP可以使太空运输任务携带更多货物并使用较小的运载火箭，同时降低任务成本。

◆SEP项目开发的太阳能电池阵列比现有的太阳能电池阵列更轻、更坚固、更紧凑、更便宜。

◆SEP提供了极高的燃料经济性，它使深空飞行任务所需的推进剂数量减少了90％。

◆SEP将使低地球轨道以外的太空发射任务成本大大降低。

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