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Satellite Engines in Commercial Spaceflight: Observations on Electric and Chemical Propulsion

2025-11-06

2024年,中国商业航天迈入“批量化发射元年”——全年68次高频航天发射任务,其中43次为商业航天发射任务,占全年发射总数的63%。全年商业卫星成功入轨201颗,占全年入轨卫星总数的78%,远超2023年的120颗。中国向国际电信联盟(ITU)申请低轨卫星总数已达5.13万颗,两大卫星互联网巨型星座:GW星座和“千帆”星座先后实现规模化组网,代表中国卫星互联网建设进入加速期,成为推动商业航天产业发展和提升国际竞争力的关键力量。

可以确定,2025年-2030年,商业航天将迎来常态化火箭发射和大规模卫星组网。作为国家战略性新兴产业,商业航天已然成为中国航天事业的重要力量。而占卫星平台总价值量10%-20%的空间推进器,则是不可忽视的核心子系统。保守估计,全球在轨空间推进器总量超2万台,存量市场规模数百亿人民币。随着商业航天的高频次发射和规模化组网,空间推进器将迎来近千亿人民币的蓝海市场。

泰合资本始终深耕商业航天领域,长期客户覆盖商业火箭、商业卫星、空间推进、激光通信领域的头部创业公司,形成系统性商业航天生态布局。我们将为你解读空间推进器行业的商业逻辑。

本文核心观点

· 理解空间推进器:为什么是太空中的核心发动机?

· 电推市场:主流巨型星座的组网竞赛,需要何种推进器?

· 化推市场:已被大规模应用的化推,后续空间何在?

· 行业分析:空间推进器公司的关键成功要素是什么?

· 案例分析:具备全链条自研和商业化交付能力的星辰空间

空间推进器帮助卫星进入预定轨道、维持轨道和轨道转移,是卫星高精度姿态调整和空间紧急避让的动力引擎,直接决定卫星的任务能力和在轨寿命。无论是目前1.3万颗+已在轨卫星,还是航天竞赛中数以万计的待发卫星,都需要空间推进器为各类“通导遥”卫星提供动力。在低轨通信及遥感星座中,单星通常配置1-2台空间推进器;在高轨卫星中,单星通常配置13台空间推进器(1台轨控发动机和12台姿控推力器)。

空间推进器分为两种不同的推进系统,即“电推”和“化推”。

电推(电推进系统)通过来自太阳能的电能加速推进剂产生推力,无需依赖化学燃烧。

化推(化学推进系统)用化学反应产生推力,通过燃烧或催化分解液体或固体推进剂来产生高速气体射流,从而产生推力。

航天实际应用中,电推和化推经常组合应用。化推技术成熟,化学燃料在燃烧时能产生较大推力,在短时间内为卫星提供强大动力;但化推燃料消耗快、有毒性,不适合卫星长期在轨。电推的核心优势是比冲高,可大幅减少燃料携带量,提升有效载荷携带量,极大降低发射成本。因此,当卫星长时间航行需要轨道维护和转移时,电推可以稳定支持,有效延长卫星在轨寿命。

简单来说,化推如短跑健将,擅长短时间快速机动和推力爆发场景,对于载人航天、快速机动、紧急避让、在轨服务等方面更为适用。电推则像马拉松选手,主导低轨卫星互联网星座长生命周期的卫星入轨与销毁、轨道维护和转移。

未来五年,全球商业航天技术竞赛进一步加速,卫星互联网巨型星座的组网需求是商业航天发展的必然趋势。大规模星座组网任务催生市场对稳定可靠、低成本电推的海量需求。目前,电推按不同的技术路径,主要分为:电热型、电磁型和静电型三种类型。

电热型通过加热,将工质气化形成高速气流进而产生推力,典型代表为电弧推力器。电弧推力器结构简单、成本低,在小型卫星中应用较多。其功率范围为几kW~几十kW,比冲为200s-800s。同等功耗下,比冲仅为静电型霍尔电推的1/8~1/4,已逐渐被霍尔电推取代。

电磁型是一种基于电磁原理工作的推进装置。其原理是利用洛伦兹力和反作用力的作用,使物体在一个磁场中获得推力,典型代表为磁等离子推进器。磁等离子推进器比冲较高、性能优良,其功率范围为几百kW,比冲为3000~10000s。但该技术还不成熟,其高电压高电场的特性对工程要求非常高,使其在轨使用呈现不稳定的状态,因此还未实现商业化在轨应用。

静电型利用电能加速工质形成高速射流进而产生推力,典型代表是霍尔电推(氙工质&氪工质)。霍尔电推具备高效率、高比冲和高可靠性,比冲为1000~3000s,已广泛应用于航天领域。氙工质霍尔电推以氙气为推进剂,经过体制内科研院所多年研究和工程应用,目前技术状态成熟。氪工质霍尔电推以氪气为推进剂,氪气的物理特性与氙气相近,相同的外部条件下,理论上氪工质的比冲较氙工质高出25%[1]。同时,氪气相比氙气具有很强的价格优势,氙气平均价格在8000~10000元/kg,氪气平均价格在100~200元/kg,氙气成本是氪气的50倍左右,所以氪气也成为替代氙气的最优选择之一。此外,氪工质霍尔电推其高比冲高效率的特点,可节省推进剂质量,提高有效载荷比例。

全球来看,大功率氪工质霍尔电推已逐渐成为主流巨型星座的共同选择。在商业星座应用中,Starlink已大规模应用大功率氪工质霍尔电推,其功率400W、稳定推力18mN、稳定工作比冲1300s、效率29%,代表了氪工质霍尔电推的性能和成本已达到商业化应用级别。在我国重大卫星互联网星座建设中,大功率氪工质霍尔电推因其明显的性能和价格优势,亦成为巨型星座建设的主力选手。我们认为,400W~1000W大功率氪工质霍尔电推,基于其优秀的在轨验证表现,已达到理论研究到工程应用的跨越阶段,成为国内外卫星互联网星座的应用趋势。

[1] Linnell J.A. An evaluation of krypton propellant in Hall thrusters [D]. PhD Thesis of Michigan Technical University, 2007.

化推是利用推进剂的化学反应释放化学能,产生高温高压气体高速喷出,从而获得瞬时高推力的航天动力技术。核心原理与电推有本质区别,化推完全依赖推进剂自身的化学能,无需外部电源支持。应用于航天飞行器、卫星、空间站、太空武器、登月着陆器、导弹末端变轨等领域。

化推作为航天的传统动力技术,未来十年市场需求强劲,其增长逻辑与行业结构性变革紧密关联——卫星数量井喷背后的避让需求。在低轨卫星互联网大规模建设的背景下,全球新增卫星总量超10万颗。随着全球在轨卫星数量指数级增多,空间紧急避让和变轨需求激增,大量卫星将配置1台化推作为应急备份与紧急避让的强机动保障。此外,化推还广泛应用于空间飞行器、导弹末端变轨、空间攻防等领域,市场增长潜力显著。供给方面,体制内仅个别科研单位具备化推研发能力,且优先保障供给国家任务;商业创业公司中,能够实现化推量产的企业更是凤毛麟角。

在卫星任务中,化推的不可替代性主要体现在三类场景:

第一类为入轨与轨道转移,火箭通常仅将卫星送至初始轨道,后续进入预定轨道需卫星自身推进系统完成。如2017年“中星9A”卫星因火箭异常未能进入预定轨道,凭借卫星推进系统历经10次变轨最终抵达目标位置。

第二类为强机动需求,包括太空紧急避障、深空探测器轨道大幅修正,化推可以做到秒级响应的快速变轨能力。

第三类为时间敏感任务,某些科学观测卫星需快速调整轨道以捕捉瞬态天文现象,化推的高推力可缩短变轨时间,远优于电推的变轨时间。

总结而言,电推和化推在核心原理、性能特性和应用场景上呈现差异化,构成互补的太空动力双翼。化推尽管技术成熟,但比冲(200~500s)远低于霍尔电推(1000~3000s),导致其燃料效率较低。化推推进剂有毒性,如肼类燃料具有强腐蚀性和致癌性,加注与运输过程中增加环境负担。电推虽有较大比冲,但电推的毫牛级稳定推力注定其无法替代化推执行快速机动的紧急避障任务,而电推依赖太阳翼供电的局限在深空探测阴影区也尤为凸显。

技术演进正推动电推和化推深度协同。未来在深空探索和在轨服务领域,将依赖电推+化推混合动力的精密配合,化推奠基起航爆发力,电推实现续航经济性。空间推进领域围绕技术创新、效率革新、安全升级持续突破,支撑人类探索太空疆域的星辰大海。

1、优异的在轨验证表现,是空间推进产品立足市场的基石。

在轨验证产品通过了真实太空环境的严苛考验,证明技术方案可靠性与工程实用性。航天器一旦进入轨道,其推进系统需在极端温度、辐射、真空环境下保持精准控制和推动能力,任何微小故障均可能导致任务失败。没有经过在轨验证的空间推进器,本质上仍是实验室方案,无法真正进入商业发射清单和国家任务供应链。

2、技术创新自主可控,是企业构筑全球竞争力、保障产业链安全的战略根基。

习近平总书记强调:“关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的”和“把科技的命脉牢牢掌握在自己手中”。面对航天产业新变革,空间推进企业需充分调研低轨卫星互联网的建设要求,通过正向研发和技术创新,不断迭代低成本高性能解决方案。基础研究的深度突破是自主可控的源头活水,企业需深入底层原理而非仅做技术集成,从空间力学、材料科学、物理机制等基础层面构建原创能力。唯有实现自主创新,方能突破“卡脖子”瓶颈,筑牢经济与国防安全防线,为新质生产力培育提供核心动能。

3、安全可靠的产品力,是企业保持长期竞争力的制胜关键。

推进器产品的全链条技术验证、冗余容错设计、极端环境适应性及全生命周期质量管理,是保障卫星在太空严苛条件下稳定工作的基础。太空的真空环境、强辐射、-170℃至200℃剧变温度等极端条件对推进器系统构成严峻挑战,企业需通过数千小时地面模拟试验与在轨实证构建可靠性壁垒。市场信任最终依赖复杂场景下的工程闭环,安全可靠的产品力是推进器企业从技术方案上升到太空任务的终极通行证。

4、低成本批量生产能力,是企业获得订单、扩大市场份额的核心支撑。

智能化制造技术、规模化生产效应、供应链垂直整合和产业链上下游协同,共同推动推进器产品成本系统性压缩。企业需贯通“研发—制造—量产”闭环,在核心技术、工艺装备、量产落地三方面同步发力,将技术产品力升维为商业落地力。在星座组网和深空探索的时代浪潮中,推进器产品的低成本批量化生产,将推动卫星、星座综合成本降低,最终定义卫星推进器的“中国制造”身位。

目前,在空间推进器领域,最值得关注的商业公司无疑是星辰空间——国内率先成功批量化在轨交付大功率氪工质霍尔电推,同时也是国内化推在轨数量第一的商业公司。

星辰空间成立于2019年,聚焦国家航天新基建规划,致力于为空间任务提供全方位、先进的动力支持,深耕创新技术研发与工程产品研制,成为国内空间推进领域的核心力量。

星辰空间电推产品形成了功率覆盖100W~2000W、推力在5mN~90mN的多工质霍尔推力器产品型谱,可为我国太空基础设施建设提供高可靠性、低成本的动力解决方案。

星辰空间自主研发的900W氪工质霍尔电推已成功批量发射,在轨表现优异

2025年,某低轨卫星互联网发射任务取得圆满成功,卫星精准送入预定轨道,搭载了由星辰空间自主研发的一组900W氪工质霍尔电推进系统。此次成功不仅彰显了我国商业航天在卫星批量化研制与高效组网部署领域的卓越实力,更标志着国产商业空间动力产品迈入规模化工程应用的新阶段。这是星辰空间技术实力的集中体现,更是商业高性能氪工质霍尔电推在单次任务中实现多星、多套产品同步成功在轨应用的重要里程碑。星辰空间展现了诸多技术亮点与创新能力:

自主研制能力:900W氪工质霍尔电推由星辰空间独立研发完成,在继承公司成熟技术的基础上,通过了数千小时的电推全系统长寿命试验考核,为系统长时间稳定运行奠定了基础。

国内首个大功率氪工质电推在轨应用:作为国内首台900W大功率氪工质霍尔电推力器,具备超数千小时的稳态推力输出工作能力,其稳态推力在35~43mN可连续调节,为卫星长期稳定运行提供了有力保障。

工质效率提升:在同等推力输出条件下,相较于传统氙工质,星辰空间的氪工质推力器比冲提高近8%,有效提升了工质使用效率。

星辰空间是国内唯一具备成熟化推量产产品的商业公司

星辰空间化推产品在轨总计超30套,产品包括0.25N、0.5N、1N、5N、10N和20N等单组元和双组元推进器。自主研发了包括表面张力贮箱在内的全套技术,具备从方案设计到燃料加注的“一站式”服务能力,适用于30kg微纳星到1500kg大卫星的快速机动和姿轨控需求。目前,星辰空间化推产品已成功应用于“天启星座”、“光传01、02星”等一系列商业化星座中,具备充分的在轨飞行数据,产品可靠性得到众多行业用户认可。此外,星辰空间还研发出mN级低成本电阻式推进,可满足低成本商业应用需求。

星辰空间正式迈入“自主可控+规模量产”新阶段

批量化生产制造方面,星辰空间为满足未来太空服务平台建设、国家重大卫星星座工程和其他国家任务需要,已建成并投产使用重庆制造中心,正在建设南京批生产总装工厂,总产能达年产1000套,为行业客户批量化交付高质量产品释放更强动能。

星辰空间创始人潘海林对行业的展望

星辰空间始终以打造高可靠、高性能、长寿命的卫星“太空动力心脏”为使命。未来空间推进技术将迎来两个趋势:一是对于低轨组网卫星,随着卫星功能和重量的增加,电推系统的功率将向千瓦级别跃进。二是高轨卫星和深空探测领域,电推和化推的组合推进模式是未来的发展主流。对于企业来说,唯有以极端环境验证为基石、技术工艺创新为核心、全链品控体系为标准、供应链自主为支撑,才能在商业航天的时代浪潮中,定义卫星动力的中国新范式。


杜瑞
泰合资本副总裁

本文作者杜瑞女士主要负责泰合资本在航空航天、半导体、高端制造等硬科技领域的交易。代表案例:蓝箭航天、银河航天、合见工软、星辰空间、极光星通等。

在加入泰合资本之前,杜瑞女士曾长期就职于中国航天科技集团第九研究院772研究所(北京微电子技术研究所),担任芯片研发工程师,参与多个“核高基”重大专项宇航级芯片设计、验证及流程管理;参与编撰《北京人工智能产业发展白皮书》,并于第二十二届软博会公开发布。

如您是航空航天等新质生产力行业的从业者或投资者,欢迎联系泰合团队(rui.du@th-cap.com),与我们交流观点、碰撞思考。

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