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全球小卫星推进技术概况与趋势分析（2023年）

学术   2024-10-15 09:34   北京  


2024年，美智库航空航天公司发布2023年全球小卫星推进技术概况分析报告。主要内容如下。

该报告所指的小卫星范围是皮卫星、微纳卫星或立方星；功率<100W；重量<100kg；技术成熟度≥2。

资料收集范围是公开出版物和制造商报告。

小卫星范围
小卫星推进系统技术成熟度定义

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由于标准不一，报告所指的技术成熟度（Technology Readiness Level，TRL）分为9级，定义如下：
TRL 1：推力器和推进剂加速机制概念化
仅限于论文或其他研究。
形成如何产生推力的概念。
TRL 2：开始实用发明
从试验或文献中获得推力器工作原理。
确定子系统初步设计（推进剂储存、推进剂供给、电源等）。
通过参数或第一性原理估计推力器性能。
TRL 3：进行大量研发
开发了推力器硬件。
使用实验室替代子系统对性能进行实验测量。对于电推进，性能包括推力、比冲以及推力器功率效率。明确了测量过程中的不确定性。
通过分析工具估计寿命，并确定了寿命限制机制。
探索了推力器系统对主航天器的影响。
TRL 4：研发重点从推力器转移到整个系统性能
一般情况下，推进系统在电路板上组装而成，至少包括推力器、推进剂管理子系统和基本的控制系统。
根据任务设计参考资料(DRM)制定系统要求。
系统在典型环境中集成在电路板上进行试验。
直接测量系统的寿命，尤其是推力器寿命。
地面测试结果已归档。
TRL 5：系统做好技术演示的准备
适合飞行的推力器设计已完成。
组件已通过标称性能和使用寿命测试。
采用工程模型(EM)进行所有子系统电路硬件设计，包括主航天器的控制接口。
整个系统在模拟飞行环境中经过实验室验证，地面测试结果已归档。
量化系统对主航天器的影响（热返浸、电磁干扰、羽流污染等）。
TRL 6：原型机地面试车成功
通过原型机地面试车，将风险降低到客户可接受的水平，可能不同于大型传统航天器的全套环境测试。完成针对客户需求的测试，测试结果已归档。
系统与预期的在轨和发射环境完全兼容，包括辐射、热真空、电晕放电和发射时振动水平。
软件接口研发和验证完成。
可以直接测量出系统寿命。
经过同行评审后达到TRL 6资格。
TRL 7：系统原型已进行在轨飞行验证
开发并试飞原型飞行硬件。
在轨完成性能验证并与地面测试结果进行比较，结果已发布并归档。
追溯原型机飞行异常的根本原因并通过地面测试进行验证。
TRL 8：系统开发完成
系统设计已完成并进行了飞行验证，无故障遗留。
系统已批产，性能已稳定并归档。
系统已定型，不再进行需要专门技术试验验证，不再进行进一步的技术开发。
TRL 9：系统成功通过多次重复的飞行验证
小卫星推进系统成为成熟系统，而不是实验产品，不需要研发人员参与。硬件和软件接口完全成熟。
2023年全球小卫星推进技术概况

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2023年，TRL ≥2的小卫星推进技术有336项，其中化学推进有167项，电推进有155项，无工质推进有14项，化学推进比电推进的成熟产品（TRL≥7）多，分别占37%和16%。
有154项技术可供商业化应用，成本数据较少，取决于小卫星任务要求；商用≠货架产品（COTS），大约需要1年时间才能交付。有195项属于美国市场，欧洲市场紧随其后。美国主要供应商有航空喷气·洛克达因（Aerojet Rocketdyne）、Moog、Busek、VACCO。其他供应商有阿里安集团、Ecaps、Enpulsion、Sitael、Rafael。
2023年小卫星化学推进领域共有167项推进技术，包括单组元、固体或混合推进、双组元、冷气4种类型，其中单组元推力器较多，常用推进剂类型有肼、AF-M315E（ASCENT），LMP-103S、制冷剂 (R134a/R236fa)、惰性气体、水、AP/HTPB、3D打印塑料。在市场方面，有124项属于美国市场，欧洲市场紧随其后。美国主要供应商有航空喷气·洛克达因（Aerojet Rocketdyne）、Moog、NGC、VACCO、Busek、Stellar Explorations。其他供应商有阿里安集团、ECAPS、Surrey Satellite Technologies。
2023年小卫星电推进领域共有155项推进技术，包括霍尔、电热、脉冲等离子体、射频/螺旋波、离子、电喷/胶体、场发射、电弧8种类型，其中霍尔电推进较多。常用工质有惰性气体（氙、氩、氪）、碘、聚四氟乙烯、铟、离子液体。在市场方面，有64项属于美国市场，欧洲市场紧随其后。美国主要供应商有Busek、PhaseFour、Orbion、Exoterra。其他供应商有阿里安集团、ThrustMe、Enpulsion、Rafael、Fakel、Pale Blue。
比冲与推力布局

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根据公开的比冲和推力信息，横轴为推力，纵轴为比冲，2023年小卫星推进技术分布如下图。绿色圈为可商用，红色圈为不可商用，圆圈越大代表技术成熟度越高，虚线表示化电双模式推进。
在推进技术类型方面，FEEP电推进比冲最高，单组元推力器、固体推力器和双组元推力器推力最高。
在任务类型方面，深空任务主要使用高比冲的推力器，灵活机动任务主要使用推力大的推力器，空间站轨道维持任务对比冲和推力要求都比较高。
趋势见解

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如下图所示，过去5年，小卫星推进系统一直在增长。未来有待分析的问题有：
为什么有些推进系统停产了？
如何更好地跟踪进度？
如何更准确地量化公开信息中提到的技术？
当前的趋势

电推进行业的增长和动荡导致推力器的数量和种类增加

霍尔推力器：许多型号和制造商出现、消亡、被收购、更名、重新设计等。
因为集成简单（没有移动组件和固体推进剂储存），FEEP和金属PPT正在兴起。
美国之外的供应商取得进展——2023年发现的新系统中有三分之二不是美国的，主要是欧洲的。
2023年具备发射资格的电推进系统占比高于去年，促进了更多任务的发射.
由于氙气价格高昂，人们对替代推进剂的兴趣日益浓厚。

化学系统稳步增长

传统大型制造商继续凭借成熟推进系统产品保持领先地位，但与小公司的竞争日益激烈：一是基于肼的推进系统不断小型化，已应用在小卫星上。二是“绿色”推进剂（肼替代品）的采用，包括离子液体、ADN推进剂、过氧化物、水、N₂O基单元推进剂。
超低SWAP固体阵列、小型双组元推进、新型推进剂、增材制造和 MEMS 系统等新技术正在涌现。
对敏捷、大推力系统的需求仍然明显。
更多趋势分析有待讨论

可用的推进系统过多。多个供应商生产许多技术类似的重复产品；主要客户自主研发推进系统（例如星链、柯伊伯星座）；风险投资似乎在推动很大一部分研发工作，而不是市场需求驱动；风险投资最终目的是在有利可图时退出，这可能会导致在公开市场上买不到受资助的货架商品。
商业技术成熟度是供应商自己提供的，几乎没有第三方验证。技术成熟度评价标准不一，可能会使客户难以准确识别技术成熟度。
初创企业面临将系统推进至TRL>6的难题。内部测试设施建设成本高昂，而且很难获得飞行资格。
缺乏针对小型卫星的鉴定和验收标准。“Proto-qual”系统针对具体任务和客户。SMC 标准（例如 SMC-S-025、SMC-S005、SMC-S-016 可能无法涵盖所有客户需求，或者可能冗余，导致成本过高、浪费时间）。敏捷任务需要快速的技术开发或现成产品生产，但商用现成品或技术在资格鉴定时尚未完善飞行和地面测试方面的标准。
缺乏指导技术开发的任务需求标准。任务需求已从一次性资金雄厚的任务演变为小型敏捷任务，需要改变行业和客户思维方式。传统上，任务需求推动技术开发和需求，但在新的航天时代，这太耗时且成本高昂。任务需求越来越局限于高端，而商业航天企业一无所知。NASA和国家安全战略（NSS）的任务要求通常很少重叠，导致技术开发不一致。



来源：美国航空航天公司、空天动力瞭望

编辑：陈飚

监制：祁首冰





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