2024年，美智庫航空航天公司發(fā)布2023年全球小衛(wèi)星推進技術概況分析報告。主要內(nèi)容如下。

該報告所指的小衛(wèi)星范圍是皮衛(wèi)星、微納衛(wèi)星或立方星；功率<100W；重量<100kg；技術成熟度≥2。

資料收集范圍是公開出版物和制造商報告。

小衛(wèi)星范圍

小衛(wèi)星推進系統(tǒng)技術成熟度定義

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由于標準不一，報告所指的技術成熟度（Technology Readiness Level，TRL）分為9級，定義如下：

TRL 1：推力器和推進劑加速機制概念化

僅限于論文或其他研究。

形成如何產(chǎn)生推力的概念。

TRL 2：開始實用發(fā)明

從試驗或文獻中獲得推力器工作原理。

確定子系統(tǒng)初步設計（推進劑儲存、推進劑供給、電源等）。

通過參數(shù)或第一性原理估計推力器性能。

TRL 3：進行大量研發(fā)

開發(fā)了推力器硬件。

使用實驗室替代子系統(tǒng)對性能進行實驗測量。對于電推進，性能包括推力、比沖以及推力器功率效率。明確了測量過程中的不確定性。

通過分析工具估計壽命，并確定了壽命限制機制。

探索了推力器系統(tǒng)對主航天器的影響。

TRL 4：研發(fā)重點從推力器轉移到整個系統(tǒng)性能

一般情況下，推進系統(tǒng)在電路板上組裝而成，至少包括推力器、推進劑管理子系統(tǒng)和基本的控制系統(tǒng)。

根據(jù)任務設計參考資料(DRM)制定系統(tǒng)要求。

系統(tǒng)在典型環(huán)境中集成在電路板上進行試驗。

直接測量系統(tǒng)的壽命，尤其是推力器壽命。

地面測試結果已歸檔。

TRL 5：系統(tǒng)做好技術演示的準備

適合飛行的推力器設計已完成。

組件已通過標稱性能和使用壽命測試。

采用工程模型(EM)進行所有子系統(tǒng)電路硬件設計，包括主航天器的控制接口。

整個系統(tǒng)在模擬飛行環(huán)境中經(jīng)過實驗室驗證，地面測試結果已歸檔。

量化系統(tǒng)對主航天器的影響（熱返浸、電磁干擾、羽流污染等）。

TRL 6：原型機地面試車成功

通過原型機地面試車，將風險降低到客戶可接受的水平，可能不同于大型傳統(tǒng)航天器的全套環(huán)境測試。完成針對客戶需求的測試，測試結果已歸檔。

系統(tǒng)與預期的在軌和發(fā)射環(huán)境完全兼容，包括輻射、熱真空、電暈放電和發(fā)射時振動水平。

軟件接口研發(fā)和驗證完成。

可以直接測量出系統(tǒng)壽命。

經(jīng)過同行評審后達到TRL 6資格。

TRL 7：系統(tǒng)原型已進行在軌飛行驗證

開發(fā)并試飛原型飛行硬件。

在軌完成性能驗證并與地面測試結果進行比較，結果已發(fā)布并歸檔。

追溯原型機飛行異常的根本原因并通過地面測試進行驗證。

TRL 8：系統(tǒng)開發(fā)完成

系統(tǒng)設計已完成并進行了飛行驗證，無故障遺留。

系統(tǒng)已批產(chǎn)，性能已穩(wěn)定并歸檔。

系統(tǒng)已定型，不再進行需要專門技術試驗驗證，不再進行進一步的技術開發(fā)。

TRL 9：系統(tǒng)成功通過多次重復的飛行驗證

小衛(wèi)星推進系統(tǒng)成為成熟系統(tǒng)，而不是實驗產(chǎn)品，不需要研發(fā)人員參與。硬件和軟件接口完全成熟。

2023年全球小衛(wèi)星推進技術概況

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2023年，TRL ≥2的小衛(wèi)星推進技術有336項，其中化學推進有167項，電推進有155項，無工質(zhì)推進有14項，化學推進比電推進的成熟產(chǎn)品（TRL≥7）多，分別占37%和16%。

有154項技術可供商業(yè)化應用，成本數(shù)據(jù)較少，取決于小衛(wèi)星任務要求；商用≠貨架產(chǎn)品（COTS），大約需要1年時間才能交付。有195項屬于美國市場，歐洲市場緊隨其后。美國主要供應商有航空噴氣·洛克達因（Aerojet Rocketdyne）、Moog、Busek、VACCO。其他供應商有阿里安集團、Ecaps、Enpulsion、Sitael、Rafael。

2023年小衛(wèi)星化學推進領域共有167項推進技術，包括單組元、固體或混合推進、雙組元、冷氣4種類型，其中單組元推力器較多，常用推進劑類型有肼、AF-M315E（ASCENT），LMP-103S、制冷劑 (R134a/R236fa)、惰性氣體、水、AP/HTPB、3D打印塑料。在市場方面，有124項屬于美國市場，歐洲市場緊隨其后。美國主要供應商有航空噴氣·洛克達因（Aerojet Rocketdyne）、Moog、NGC、VACCO、Busek、Stellar Explorations。其他供應商有阿里安集團、ECAPS、Surrey Satellite Technologies。

2023年小衛(wèi)星電推進領域共有155項推進技術，包括霍爾、電熱、脈沖等離子體、射頻/螺旋波、離子、電噴/膠體、場發(fā)射、電弧8種類型，其中霍爾電推進較多。常用工質(zhì)有惰性氣體（氙、氬、氪）、碘、聚四氟乙烯、銦、離子液體。在市場方面，有64項屬于美國市場，歐洲市場緊隨其后。美國主要供應商有Busek、PhaseFour、Orbion、Exoterra。其他供應商有阿里安集團、ThrustMe、Enpulsion、Rafael、Fakel、Pale Blue。

比沖與推力布局

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根據(jù)公開的比沖和推力信息，橫軸為推力，縱軸為比沖，2023年小衛(wèi)星推進技術分布如下圖。綠色圈為可商用，紅色圈為不可商用，圓圈越大代表技術成熟度越高，虛線表示化電雙模式推進。

在推進技術類型方面，F(xiàn)EEP電推進比沖最高，單組元推力器、固體推力器和雙組元推力器推力最高。

在任務類型方面，深空任務主要使用高比沖的推力器，靈活機動任務主要使用推力大的推力器，空間站軌道維持任務對比沖和推力要求都比較高。

趨勢見解

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如下圖所示，過去5年，小衛(wèi)星推進系統(tǒng)一直在增長。未來有待分析的問題有：

為什么有些推進系統(tǒng)停產(chǎn)了？

如何更好地跟蹤進度？

如何更準確地量化公開信息中提到的技術？

電推進行業(yè)的增長和動蕩導致推力器的數(shù)量和種類增加

霍爾推力器：許多型號和制造商出現(xiàn)、消亡、被收購、更名、重新設計等。

因為集成簡單（沒有移動組件和固體推進劑儲存），FEEP和金屬PPT正在興起。

美國之外的供應商取得進展——2023年發(fā)現(xiàn)的新系統(tǒng)中有三分之二不是美國的，主要是歐洲的。

2023年具備發(fā)射資格的電推進系統(tǒng)占比高于去年，促進了更多任務的發(fā)射.

由于氙氣價格高昂，人們對替代推進劑的興趣日益濃厚。

化學系統(tǒng)穩(wěn)步增長

傳統(tǒng)大型制造商繼續(xù)憑借成熟推進系統(tǒng)產(chǎn)品保持領先地位，但與小公司的競爭日益激烈：一是基于肼的推進系統(tǒng)不斷小型化，已應用在小衛(wèi)星上。二是“綠色”推進劑（肼替代品）的采用，包括離子液體、ADN推進劑、過氧化物、水、N?O基單元推進劑。

超低SWAP固體陣列、小型雙組元推進、新型推進劑、增材制造和 MEMS 系統(tǒng)等新技術正在涌現(xiàn)。

對敏捷、大推力系統(tǒng)的需求仍然明顯。

可用的推進系統(tǒng)過多。多個供應商生產(chǎn)許多技術類似的重復產(chǎn)品；主要客戶自主研發(fā)推進系統(tǒng)（例如星鏈、柯伊伯星座）；風險投資似乎在推動很大一部分研發(fā)工作，而不是市場需求驅動；風險投資最終目的是在有利可圖時退出，這可能會導致在公開市場上買不到受資助的貨架商品。

商業(yè)技術成熟度是供應商自己提供的，幾乎沒有第三方驗證。技術成熟度評價標準不一，可能會使客戶難以準確識別技術成熟度。

初創(chuàng)企業(yè)面臨將系統(tǒng)推進至TRL>6的難題。內(nèi)部測試設施建設成本高昂，而且很難獲得飛行資格。

缺乏針對小型衛(wèi)星的鑒定和驗收標準。“Proto-qual”系統(tǒng)針對具體任務和客戶。SMC 標準（例如 SMC-S-025、SMC-S005、SMC-S-016 可能無法涵蓋所有客戶需求，或者可能冗余，導致成本過高、浪費時間）。敏捷任務需要快速的技術開發(fā)或現(xiàn)成產(chǎn)品生產(chǎn)，但商用現(xiàn)成品或技術在資格鑒定時尚未完善飛行和地面測試方面的標準。

缺乏指導技術開發(fā)的任務需求標準。任務需求已從一次性資金雄厚的任務演變?yōu)樾⌒兔艚萑蝿?，需要改變行業(yè)和客戶思維方式。傳統(tǒng)上，任務需求推動技術開發(fā)和需求，但在新的航天時代，這太耗時且成本高昂。任務需求越來越局限于高端，而商業(yè)航天企業(yè)一無所知。NASA和國家安全戰(zhàn)略（NSS）的任務要求通常很少重疊，導致技術開發(fā)不一致。

信息來源：美國航空航天公司。

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