劉 坤，鄒 爽，王江永，許宏巖

(中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100094)

0 引言

自1906年電推進(jìn)概念的提出［1］至上世紀(jì)90年代成功應(yīng)用于地球同步軌道(GEO)衛(wèi)星的南北位置保持以來(lái)［2］，電推進(jìn)技術(shù)已成為提高長(zhǎng)壽命GEO衛(wèi)星有效載荷承載能力最有效的手段之一。目前世界各大衛(wèi)星制造商均為其GEO衛(wèi)星平臺(tái)配置了不同形式的電推進(jìn)系統(tǒng)，如波音公司的BSS－601HP、BSS－702采用了氙離子電推進(jìn)系統(tǒng)(XIPS)，勞拉公司的LS－1300平臺(tái)、TAS公司的SB4000平臺(tái)、Astrium公司的E3000平臺(tái)均配置了穩(wěn)態(tài)等離子電推進(jìn)系統(tǒng)(SPT)等。

基于LIPS－200電推力器的電推進(jìn)系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)針對(duì)GEO衛(wèi)星的南北位置保持研制，其中推力器的額定推力為40 mN，比沖為3 000 s，設(shè)計(jì)壽命能夠達(dá)到12 000 h以上［3］，開(kāi)關(guān)次數(shù)不小于6 000次，束流發(fā)散全角約為30°(90%束流產(chǎn)物的發(fā)散角為26.8°、95%束流產(chǎn)物的發(fā)散角為 30.7°)［4］;電源處理單元的輸入功率為1 300 W，轉(zhuǎn)換效率90%［5］。通過(guò)介紹該電推進(jìn)系統(tǒng)在GEO衛(wèi)星平臺(tái)(簡(jiǎn)稱“平臺(tái)”)上的布局研究，在該平臺(tái)中電推進(jìn)系統(tǒng)為可選配置，即能夠根據(jù)有效載荷承載的需要進(jìn)行選配，但無(wú)論配置與否平臺(tái)的設(shè)備布局和結(jié)構(gòu)圖紙均無(wú)需變化，因此具有很強(qiáng)的任務(wù)適應(yīng)性和良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 系統(tǒng)組成

為適應(yīng)GEO衛(wèi)星南北位置保持的任務(wù)需求，科研人員對(duì)基于LIPS－200電推力器的電推進(jìn)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列研究［3，6］，其中文獻(xiàn)［6］給出了六種系統(tǒng)組成方案的比較分析，文獻(xiàn)［3］則給出了更為詳細(xì)的工質(zhì)、能量和信息拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在應(yīng)用于平臺(tái)時(shí)，電推進(jìn)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在文獻(xiàn)［3］基礎(chǔ)上進(jìn)行了細(xì)化調(diào)整，其中推進(jìn)劑貯存模塊(PSM)由2個(gè)狀態(tài)完全相同的氙氣瓶(Xe1、Xe2)組成，方便氣瓶安裝實(shí)施和衛(wèi)星質(zhì)心控制;原拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的兩個(gè)功率切換開(kāi)關(guān)(SW1、SW2)分別集成到了對(duì)應(yīng)的電源處理單元(PPU1、PPU2)中，如圖1所示。

圖1 電推進(jìn)系統(tǒng)原理組成

系統(tǒng)工作時(shí)，壓力調(diào)節(jié)模塊(PRM)把氙氣瓶中的壓力調(diào)節(jié)到流量控制模塊(FCM)入口處的額定工作壓力，流量控制模塊向?qū)?yīng)的電推力器(ET)提供3路(陰極、陽(yáng)極、中和器)特定流率的氙氣，電推力器完成電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換;推力矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(TOM)為輔助裝置，用于調(diào)節(jié)電推力器的推力方向，確保南北位保時(shí)的推力通過(guò)衛(wèi)星質(zhì)心，從而降低對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)的干擾，推力矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可根據(jù)需要為每臺(tái)電推力器單獨(dú)配置或每組電推力器共用一個(gè);接口與控制模塊(ICM)按照邏輯時(shí)序控制PPU、PRM、FCM、TOM的工作過(guò)程，并提供與整星的遙測(cè)、遙控接口，ICM可作為獨(dú)立的單機(jī)設(shè)備或根據(jù)需要集成到其它儀器設(shè)備中。

2 布局方案

2.1 平臺(tái)概況

平臺(tái)采用中心承力筒結(jié)構(gòu)，由服務(wù)艙、推進(jìn)艙、載荷艙三個(gè)艙段組成，本體尺寸為2 360 mm(X)×2 100 mm(Y)×3 100 mm(Z)，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 平臺(tái)結(jié)構(gòu)組成示意圖

2.2 布局原則

電推進(jìn)系統(tǒng)的引入與平臺(tái)各分系統(tǒng)都直接相關(guān)，包括結(jié)構(gòu)形式的改變、功率需求的變化、控制策略的調(diào)整等，并影響著平臺(tái)的電場(chǎng)、磁場(chǎng)和接地。作為平臺(tái)南北位置保持的可選配置，在進(jìn)行LIPS－200電推進(jìn)系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下基本原則:

(1)南北位保的效率盡可能高，以減小工質(zhì)的攜帶量;

(2)南北位保時(shí)的干擾力和干擾力矩盡可能小，以保證位保期間衛(wèi)星的姿態(tài)和軌道滿足指標(biāo)要求;

(3)南北位保和東西位保的耦合盡可能小，以減少額外的推進(jìn)劑消耗;

(4)電推力器的羽流、熱流對(duì)星外設(shè)備的影響在可接受的范圍內(nèi);

(5)氙氣瓶的安裝位置應(yīng)具有良好的剛度和強(qiáng)度，且隨著氙氣消耗引起的衛(wèi)星質(zhì)心變化不能過(guò)大，以免給矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來(lái)難度并增加推進(jìn)劑消耗;

(6)盡量減少電推進(jìn)與化學(xué)推進(jìn)管路之間的耦合，便于各自的總裝、測(cè)試和維護(hù);

(7)滿足電推進(jìn)系統(tǒng)各部件的控溫與散熱需求;

(8)無(wú)論平臺(tái)配置電推進(jìn)系統(tǒng)與否，平臺(tái)結(jié)構(gòu)和其它分系統(tǒng)的設(shè)備布局盡量保持不變，且平臺(tái)橫向質(zhì)心變化量盡可能小，以降低配重需求;

(9)與運(yùn)載整流罩包絡(luò)相容。

以上基本原則中，5 項(xiàng)(第 1、2、3、4、9 項(xiàng))與電推力器的布局密切相關(guān)，而且電推力器的布局關(guān)系著太陽(yáng)翼的選型(功率需求相關(guān))、氙氣瓶的容量(工質(zhì)需求相關(guān))、控制分系統(tǒng)的配置(應(yīng)用策略相關(guān))、平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(結(jié)構(gòu)構(gòu)型、剛度強(qiáng)度相關(guān))，因此在進(jìn)行電推進(jìn)系統(tǒng)布局時(shí)應(yīng)首先確定電推力器的布局。

2.3 電推力器

根據(jù)平臺(tái)的基本構(gòu)型，能夠完成南北位置保持任務(wù)的幾種電推力器布局及正常狀態(tài)下的工作模式如表1所示。

表1 電推力器的幾種布局方案

以上4中方案均采用了每天工作兩次(升交點(diǎn)北側(cè)推力器工作、降交點(diǎn)南側(cè)推力器工作)的模式，兩次位置保持引起的軌道偏心率攝動(dòng)大小相等、方向相反，從而達(dá)到相互抵消的目的。

方案1為每次僅1臺(tái)電推力器和1臺(tái)電源處理單元工作的模式，對(duì)平臺(tái)的功率需求和散熱需求低，比較適用于中小平臺(tái)，且電推力器有備份，電源處理單元也可通過(guò)開(kāi)關(guān)切換實(shí)現(xiàn)故障重組，具有較高的系統(tǒng)可靠性和組合使用靈活性;缺點(diǎn)是每次電推力器的點(diǎn)火時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)推力器的壽命要求高。

方案2、方案3、方案4在正常模式下均為同側(cè)兩臺(tái)電推力器同時(shí)工作，因此每次點(diǎn)火的時(shí)間較短，降低了對(duì)推力器的壽命要求;但缺點(diǎn)是對(duì)平臺(tái)的功率和散熱需求均較高，電源處理單元切換頻繁，且任何1臺(tái)電推力器或電源處理單元故障均無(wú)法采用正常模式。除此之外，這3種方案還各自存在一些缺點(diǎn):

(1)方案2的電推力器安裝于平臺(tái)南北板靠近背地板處，占用橫向空間較大，在電推力器已安裝的情況下，服務(wù)艙開(kāi)合艙困難，給AIT工作帶來(lái)不便;

(2)方案3的電推力器安裝于背地板外表面靠近南北板處，避免了方案2的缺點(diǎn)，損失了部分南北位保的效率，且由于LIPS－200的體積較大，為實(shí)現(xiàn)與運(yùn)載的4000F整流罩相容，需加高衛(wèi)星對(duì)接框架，導(dǎo)致衛(wèi)星結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加、質(zhì)心升高、基頻下降;

(3)方案4的電推力器安裝于平臺(tái)的側(cè)棱上，需設(shè)計(jì)供矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)安裝的次級(jí)結(jié)構(gòu)，增加了結(jié)構(gòu)質(zhì)量，且故障模式下南北位保與東西位保之間的耦合較大。

總體而言方案1的布局較優(yōu)，但是否能夠滿足平臺(tái)使用需求，需從電推力器的總工作時(shí)間、總開(kāi)關(guān)次數(shù)方面進(jìn)行核算。

基于該平臺(tái)的衛(wèi)星定點(diǎn)后初始質(zhì)量為m0=2 100 kg;電推力器的比沖為I=3 000 s，推力為F=40 mN;考慮推力器安裝角效率、干擾力矩等因素，主、備份電推力器南北位保時(shí)的綜合效率分別為η =0.70、η'=0.60;地球同步軌道傾角每年的漂移率約為 0.75°～0.95°，對(duì)應(yīng)的速度增量在 40 ～51 m/s之間，考慮一定的余量取為50 m/s，則15年壽命周期內(nèi)總的速度增量為Δv=750 m/s。

若15年南北位置保持完全由主份電推力器實(shí)現(xiàn)，則:

(1)推進(jìn)劑總消耗量:Δm=m0(1－e－!v/(I"g"#))=2 100 × (1－e－750/(3000×9.8×0.70))≈75.2 kg;

(2)推力器總工作時(shí)間:T=Δm·I·g/F=75.2 ×3 000 ×9.8/0.04=5.527 2 ×107s;

(3)單臺(tái)推力器累計(jì)工作時(shí)間:t=T/2≈7 677 h;

(4)單臺(tái)推力器累計(jì)開(kāi)關(guān)次數(shù):n=15×365×1=5 475次。

若15年南北位置保持完全由備份電推力器工作實(shí)現(xiàn)，則:

(1)推進(jìn)劑總消耗量:Δm'=m0(1－e－!v(I"g"#'))=2 100 × (1－e－750/(3000×9.8×0.60))≈87.4 kg;

(2)推力器總工作時(shí)間:T'=Δm'·I·g/F=87.4 ×3 000 ×9.8/0.04=6.423 9 ×107s;

(3)單臺(tái)推力器累計(jì)工作時(shí)間:t'=T'/2≈8 922.1 h;

單臺(tái)推力器累計(jì)開(kāi)關(guān)次數(shù):n'=15×365×1=5 475次。

若衛(wèi)星壽命初期處于軌道傾角攝動(dòng)最大年，則每天的點(diǎn)火時(shí)間最長(zhǎng)。此時(shí)一年的速度增量為51 m/s，每天需要的速度增量為△vd≈0.14 m/s，則:

(1)若完全采用主份推力器，每天每次點(diǎn)火時(shí)間為:

tdmax=m0·Δvd/(F·η)/2=2 100 ×0.14/(0.04 ×0.7)/2=5 250 s≈1.5 h

(2)若完全采用備份推力器，每天每次點(diǎn)火時(shí)間為:

t'dmax=m0·Δvd/(F·η')/2=2 100 ×0.14/(0.04 ×0.6)/2=6 125 s≈1.7 h

計(jì)算表明，衛(wèi)星在軌15年壽命期間，無(wú)論南北位置保持單獨(dú)采用主份電推力器，還是單獨(dú)采用備份電推力器，單臺(tái)電推力器的總工作時(shí)間均小于12 000 h，開(kāi)關(guān)次數(shù)均小于6 000次，滿足電推力器的設(shè)計(jì)要求，每天每次工作時(shí)間也在可接受的范圍內(nèi)。

綜合分析，電推力器布局最終采用方案1。同時(shí)，為適應(yīng)矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和電推力器安裝后服務(wù)艙開(kāi)合艙的需要，對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適應(yīng)性修改，在服務(wù)艙南、北兩側(cè)各劃出1塊獨(dú)立的艙板作為電推力器安裝板，并設(shè)有電、氣接口區(qū)域，用于電推力器及矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與平臺(tái)本體的連接，如圖3所示。

圖3 LIPS－200推力器在平臺(tái)上的安裝

2.4 氙氣瓶

根據(jù)上節(jié)計(jì)算，氙氣攜帶量按最壞情況考慮(即全部由備份推力器工作)，兼顧在軌第一次氣路管道處理氙氣消耗、電推力器點(diǎn)火前預(yù)熱模式氙氣消耗、15年氙氣泄漏量、氣瓶和管路殘留等方面的因素，氙氣的總攜帶量按110 kg設(shè)計(jì)，則每個(gè)氙氣瓶的額定充填量應(yīng)不小于55 kg。氣瓶的結(jié)構(gòu)形式可根據(jù)需要采用柱狀或球狀結(jié)構(gòu)。根據(jù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)構(gòu)型和布局規(guī)劃，幾種可行的氙氣瓶布局如表2所列。

表2 幾種可行的氙氣瓶布局方案

方案1、2中推進(jìn)艙東、西隔板均為單隔板方案，氣瓶位于中板上方，便于氣瓶安裝、管路焊接和容量擴(kuò)容。方案1中，氣瓶直接與承力筒相連，傳力路線最短，且氣瓶位于整星質(zhì)心附近，引起的衛(wèi)星壽命初期(氙氣瓶充滿)、末期(氙氣消耗殆盡)縱向質(zhì)心變化小，但需設(shè)計(jì)次級(jí)結(jié)構(gòu)用于氙氣瓶安裝，承力筒相應(yīng)的部位也需加強(qiáng);方案2是在方案1的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化而成，取消了氣瓶底部托架，將氙氣瓶直接安裝在中板上，并位于推進(jìn)艙東、西隔板的正上方，由于氣瓶質(zhì)心與整星質(zhì)心距離較近，壽命初、末期因氙氣消耗引起的衛(wèi)星質(zhì)心變化僅15 mm左右，引起的姿控干擾力矩小于0.4 N·m。

方案3、4中推進(jìn)艙東、西隔板為雙隔板方案，氣瓶位于中板和背地板之間，不占用中板上方的空間，有利于在載荷艙東、西兩側(cè)安裝嵌入式或半嵌入式載荷設(shè)備，但結(jié)構(gòu)將增加4 kg左右，同時(shí)壓縮了服務(wù)艙儀器設(shè)備與隔板外側(cè)儀器設(shè)備之間的空間，給AIT操作帶來(lái)不便。方案3采用柱狀氣瓶，底部直接安裝在背地板上表面，頂部通過(guò)氣瓶支架直接與中心承力筒或隔板相連，但受空間限制，氣瓶支架的安裝和管路取樣、焊接不便;方案4采用球狀氣瓶，并通過(guò)花盆狀底座和包帶安裝于背地板上表面，避免了方案3存在的氣瓶安裝、管路取樣、焊接不便的問(wèn)題，但由于安裝位置距離質(zhì)心較遠(yuǎn)，引起的衛(wèi)星壽命初、末期的質(zhì)心變化量達(dá)60 mm左右，引發(fā)的姿控干擾力矩達(dá)1 N·m以上。

綜合以上分析，最終選擇了方案2作為氙氣瓶的布局方案，并設(shè)計(jì)了鋁合金和碳纖維兩種氣瓶支架(如圖4所示)，兩種支架均通過(guò)了組件級(jí)的鑒定試驗(yàn)。

圖4 兩種氙氣瓶固定方式

2.5 壓力調(diào)節(jié)模塊與流量控制模塊

統(tǒng)籌考慮推進(jìn)艙設(shè)備布局及電推進(jìn)模塊安裝、管路焊接、熱控實(shí)施等方面的因素，將壓力調(diào)節(jié)模塊布置在了中板上表面，2組4個(gè)流量控制模塊分別安裝于推進(jìn)艙南、北隔板的兩側(cè)(每組2個(gè)流量控制模塊采用鏡像結(jié)構(gòu))，如圖5所示。

圖5 壓力調(diào)節(jié)模塊與流量控制模塊布局

2.6 電源處理單元

電推進(jìn)系統(tǒng)工作時(shí)，單臺(tái)電源處理單元的熱耗為130 W(效率90%)。熱分析表明，無(wú)論將電源處理單元安裝于服務(wù)艙的哪塊艙板上，壽命末期至點(diǎn)工作90 min后，電源處理單元的溫度均超過(guò)其許用溫度上限;同時(shí)，由于電推進(jìn)系統(tǒng)為平臺(tái)的可選配置，若僅為了滿足散熱需求而增加服務(wù)艙高度(受整流罩包絡(luò)限制，橫向和向下擴(kuò)展散熱面效果有限)，則在不配置電推進(jìn)時(shí)(大部分應(yīng)用情況如此)平臺(tái)具有較大的結(jié)構(gòu)呆重。綜合以上原因，最終將電源處理單元布置在了散熱面積更大、散熱條件更好的載荷艙，南、北兩側(cè)各1臺(tái)，對(duì)稱安裝。

2.7 其它

為優(yōu)化平臺(tái)電子系統(tǒng)體系構(gòu)架、降低系統(tǒng)干重，LIPS－200電推進(jìn)系統(tǒng)的接口與控制模塊集成到了平臺(tái)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)單元中，并安裝于服務(wù)艙儀器板。

LIPS－200電推進(jìn)系統(tǒng)在平臺(tái)中的最終布局情況如圖6所示，不配置電推進(jìn)時(shí)直接將相關(guān)的設(shè)備、管路、電纜去掉即可，平臺(tái)其它分系統(tǒng)的儀器設(shè)備布局和平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖紙均無(wú)需更改，由此引起的平臺(tái)橫向質(zhì)心變化也可忽略不計(jì)，從而大大提高了平臺(tái)的任務(wù)適應(yīng)能力和經(jīng)濟(jì)性。

圖6 平臺(tái)推進(jìn)艙總體布局

3 驗(yàn)證情況

LIPS－200電推進(jìn)系統(tǒng)的布局滿足了2.2節(jié)的9項(xiàng)原則，并在平臺(tái)初樣電性星、結(jié)構(gòu)星上進(jìn)行了充分驗(yàn)證。結(jié)果表明，電推進(jìn)系統(tǒng)的布局合理，滿足設(shè)備安裝、管路焊接、熱控實(shí)施、系統(tǒng)檢漏、地面測(cè)試等方面的要求，并隨平臺(tái)通過(guò)了鑒定級(jí)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)如7所示。

圖7 某GEO平臺(tái)力學(xué)試驗(yàn)狀態(tài)

4 結(jié)論

根據(jù)LIPS－200電推進(jìn)系統(tǒng)的組成、任務(wù)使命和約束條件，對(duì)其在平臺(tái)中的布局進(jìn)行了分析論證，確定了最終方案，并在平臺(tái)初樣電性星、結(jié)構(gòu)星上進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，該布局方案合理可行，滿足設(shè)備安裝、管路焊接、熱控實(shí)施、系統(tǒng)檢漏、地面測(cè)試等方面的要求，并隨平臺(tái)通過(guò)了鑒定級(jí)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)。理論計(jì)算表明，在起飛質(zhì)量、服務(wù)壽命不變的情況下，配置電推進(jìn)系統(tǒng)后平臺(tái)的有效載荷承載質(zhì)量能夠提高42.8%，因此具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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