李宗良，高俊，劉國西，周成，湯章陽，鄒達(dá)人

（北京控制工程研究所，北京 100190）

0 引 言

電推進(jìn)具有高比沖、長壽命和高度自主巡航等特點(diǎn)，小行星探測器采用電推進(jìn)執(zhí)行巡航階段軌道機(jī)動任務(wù)，將大幅減少推進(jìn)劑重量并提高載重比。

1998年10月，美國“深空1號”（DS-1）航天器發(fā)射成功；2003年5月，日本“隼鳥號”（Hayabusa）探測器發(fā)射成功；2007年9月，美國“黎明號”（Dawn）探測器發(fā)射成功；2014年底日本“隼鳥2號”（Hayabusa-2）探測器發(fā)射成功。以上小行星探測器均配套了電推進(jìn)系統(tǒng)，并利用其進(jìn)行主推進(jìn)，系統(tǒng)表現(xiàn)優(yōu)異。

本文調(diào)研了國外小行星探測器的電推進(jìn)系統(tǒng)方案，針對我國小行星探測對電推進(jìn)系統(tǒng)的任務(wù)需求，在現(xiàn)有電推力器的技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了5種電推進(jìn)系統(tǒng)方案，并進(jìn)行多維度對比，對最優(yōu)的方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)梳理。

1 國外小行星探測器電推進(jìn)系統(tǒng)介紹

1.1 美國“深空1號”離子電推進(jìn)系統(tǒng)[1-3]

1998年10月，美國“深空1號”航天器發(fā)射，其目標(biāo)是對1992KD小行星進(jìn)行接近探測，并對107PBorreiiy和19PWilson-Harrington彗星進(jìn)行探測。離子電推進(jìn)系統(tǒng)的主要使命是完成在航天器巡航階段的主推進(jìn)，同時承擔(dān)部分時期內(nèi)的俯仰和偏航控制任務(wù)。離子電推進(jìn)系統(tǒng)使航天器總速度增量達(dá)4.5 km/s，離子推力器累計(jì)工作時間超過16 246 h，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

DS-1離子電推進(jìn)系統(tǒng)由1臺30 cm離子推力器、1臺電源處理單元（Power Processing Unit, PPU）、1套氙氣供給子系統(tǒng)（Xenon Feeding Subsystem, XFS）和1臺數(shù)字控制與接口單元（Digital Control & Interface Units,DCIU）組成。離子推力器在XFS輸送的氙氣和PPU提供的電壓、電流條件支持下工作，XFS和PPU在DCIU控制下工作，同時DCIU接收和執(zhí)行衛(wèi)星計(jì)算機(jī)的指令，并將離子電推進(jìn)系統(tǒng)的遙測數(shù)據(jù)傳送給衛(wèi)星數(shù)據(jù)系統(tǒng)。為了與不同太陽距離條件下太陽帆板輸出功率的大小相匹配，離子推力器的工作功率范圍設(shè)計(jì)在525～2 300 W，為kaufuman型，口徑為30 cm，設(shè)計(jì)推力范圍為19～92 mN，對應(yīng)的比沖范圍為1 950～3 100 s，滿功率2.3 kW工作點(diǎn)的設(shè)計(jì)壽命為8 000 h。柵極組件為鉬材料雙柵結(jié)構(gòu)，加速電壓為1 280 V。

1.2 日本“隼鳥號”離子電推進(jìn)系統(tǒng)[4-5]

2003年5月，日本“隼鳥號”探測器發(fā)射，其任務(wù)是探測近地小行星25143Itokawa并獲取樣本返回。探測器重量510 kg。離子電推進(jìn)系統(tǒng)承擔(dān)的任務(wù)主要是巡航階段主推進(jìn)，此外，在某些階段還承擔(dān)軌道偏心修正、姿態(tài)控制和位置機(jī)動保持等任務(wù)。

圖1 DS-1離子電推進(jìn)系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Ion electric propulsion system of SD-1

2014年底，日本“隼鳥2號”探測器發(fā)射，對近地小行星1999 JU3 進(jìn)行巖石取樣返回探測，要求離子電推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生的總速度增量約2.2 km/s。

“隼鳥號”離子電推進(jìn)系統(tǒng)由（如圖2所示）4臺μ10微波放電離子推力器、4臺微波功率放大器、3臺電源處理單元（Ion Power Processing Unit, IPPU）、一套推進(jìn)劑供給子系統(tǒng)、一臺推力矢量指向機(jī)構(gòu)和一臺離子推力器控制單元組成。系統(tǒng)干重59 kg，氙氣攜帶量66 kg，4臺離子推力器累計(jì)工作時間約4萬 h，用的最多的推力器累計(jì)時間達(dá)到1.5萬 h。4臺離子推力器以陣列形式安裝在同一個推力指向機(jī)構(gòu)上，3臺IPPU通過繼電器切換向4臺推力器供電，每次最多有3臺推力器工作。

圖2 推力器在航天器上的安裝Fig.2 Installation of thruster on the spacecraft

1.3 美國“黎明號”離子電推進(jìn)系統(tǒng)[6]

2007年9月，美國“黎明號”探測器發(fā)射，其科學(xué)目標(biāo)為了解太陽系開始形成時的條件和過程，測量灶神星和谷神星的質(zhì)量、形狀等。作為“黎明號”主推進(jìn)的離子推進(jìn)系統(tǒng)，提供發(fā)射后的速度增量，以滿足軌道轉(zhuǎn)移、捕獲等各個階段的任務(wù)要求。“黎明號”飛行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，離子推進(jìn)系統(tǒng)功能模塊如圖4所示。

圖3 “黎明號”飛行系統(tǒng)Fig.3 Dawn spacecraft

“黎明號”的初始干重為1 215 kg，離子推進(jìn)提供了將近11 km/s的速度增量ΔV。氙貯箱裝載了450 kg的氙推進(jìn)劑，“黎明號”離子推進(jìn)系統(tǒng)工作時間超過5.5萬 h（6年），這是其他航天器動力飛行最長時間的3倍。離子推進(jìn)系統(tǒng)能提供10 km/s以上速度增量。在任務(wù)周期內(nèi)，氙離子推進(jìn)系統(tǒng)的累計(jì)工作時間將近6年。此外，高可靠性要求“黎明號”的離子推進(jìn)系統(tǒng)具備單點(diǎn)故障冗余的安全設(shè)計(jì)。

1.4 小 結(jié)

通過分析國外小行星探測器電推進(jìn)系統(tǒng)構(gòu)成可得出如下結(jié)論：

1）小行星探測器使用離子電推進(jìn)系統(tǒng)不但用作姿態(tài)控制等，還可用作主推進(jìn)。

2）電推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，冗余設(shè)計(jì)非常重要，如“黎明號”推進(jìn)系統(tǒng)在PPU、DCIU、離子推力器等系統(tǒng)關(guān)鍵部件的配置上具備冗余備份功能[6]。

3）電推進(jìn)系統(tǒng)在巡航飛行時，一般都采用連續(xù)推進(jìn)方式，一次工作幾百甚至上千小時。

2 任務(wù)需求

電推進(jìn)系統(tǒng)的主要任務(wù)是為探測器從地球向主帶彗星轉(zhuǎn)移段提供必要的推力及為小行星交會、主帶彗星交會提供必要的制動力。根據(jù)小行星探測任務(wù)的規(guī)劃和軌道設(shè)計(jì)優(yōu)化，電推進(jìn)系統(tǒng)的任務(wù)需求包含以下幾點(diǎn)：

1）速度增量需求：9 km/s（小行星探測器主帶彗星探測任務(wù)初始干重為1 200 kg）。

2）多點(diǎn)工作模式：為了與不同太陽距離條件下太陽帆板輸出功率的大小相匹配，電推進(jìn)系統(tǒng)功率須能在0.5～5 kW范圍內(nèi)進(jìn)行多點(diǎn)調(diào)節(jié)。

3）連續(xù)與脈沖工作模式：根據(jù)探測任務(wù)分析，電推進(jìn)系統(tǒng)除具備定時開關(guān)機(jī)的脈沖工作模式外，還需要具備長期連續(xù)開機(jī)工作的能力。

4）矢量調(diào)節(jié)：推力器需要配置矢量調(diào)節(jié)裝置，以滿足任務(wù)過程中矢量調(diào)整的需求。

3 電推進(jìn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

結(jié)合國內(nèi)電推進(jìn)發(fā)展現(xiàn)狀，主要有離子推進(jìn)、霍爾推進(jìn)和電弧推進(jìn)可選。國內(nèi)已有技術(shù)基礎(chǔ)的主要包括5 kW離子、5 kW霍爾、1.6 kW離子、1.5 kW霍爾及2 kW電弧等5款電推進(jìn)產(chǎn)品可以考慮?？紤]到電弧推力器比沖僅600 s，與霍爾和離子相比，比沖太低，因此主要以離子和霍爾作為比較。主要指標(biāo)參數(shù)和現(xiàn)狀見表1。

圖4 “黎明號”離子推進(jìn)系統(tǒng)功能模塊圖Fig.4 Funciton module of Dawn Ion propulsion system

表1 推力器主要指標(biāo)參數(shù)Table 1 Main parameters of the thruster

以小行星探測器主帶彗星探測任務(wù)初始干重為1 200 kg，速度增量ΔV需求9 km/s為輸入?yún)?shù)，電推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案主要有5種：

方案一：配置2臺5 kW離子推力器，比沖2 580～3 900 s，推力20～180 mN。

方案二：配置3臺5 kW離子推力器，比沖2 580～3 900 s，推力20～180 mN。

方案三：配置2臺5 kW霍爾推力器，比沖2 300～2 400 s，推力134～237 mN。

方案四：配置4臺1.6 kW離子推力器，比沖3 000～3 500 s，推力40～60 mN。

方案五：配置4臺1.5 kW離子推力器，比沖1 800 s，推力80 mN。

上述5種方案比較結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

通過表2對比分析，離子電推進(jìn)系統(tǒng)由于比沖高，所需要消耗推進(jìn)劑最少，相比同等功率霍爾要少消耗100 kg以上推進(jìn)劑；另外，5 kW的LIPS300離子電推進(jìn)相比1.6 kW的LIPS200離子電推進(jìn)，在推進(jìn)劑消耗量、累計(jì)工作壽命、系統(tǒng)干重等方面都更具優(yōu)勢。目前，LIPS300離子推力器設(shè)計(jì)壽命達(dá)到2.1萬 h，壽命試驗(yàn)正在進(jìn)行，目前已完成1 800 h以上，預(yù)計(jì)在2021年前能完成壽命驗(yàn)證。因此系統(tǒng)配置兩臺LIPS300就能實(shí)現(xiàn)推力器的完全冷備份設(shè)計(jì)，可以保證系統(tǒng)的長壽命使用可靠性。

綜上所述，電推進(jìn)方案選擇基于兩臺LIPS-300離子推力器的5 kW電推進(jìn)系統(tǒng)。

4 離子電推進(jìn)系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)梳理

4.1 離子電推進(jìn)系統(tǒng)組成

小行星探測器離子電推進(jìn)系統(tǒng)配置2臺離子推力器、2臺電源處理單元（PPU）、2臺矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（TPAM）和1套貯供單元，其中貯供單元由1個推進(jìn)劑存儲模塊（PSM）、1個壓力調(diào)節(jié)模塊（PRM）和2個流量控制模塊（FCM）組成，見圖5。

表2 不同方案綜合比較Table 2 Comprehensive comparison of different schemes

圖5 電推進(jìn)系統(tǒng)組成Fig.5 The composition of Ion electric propulsion system

離子推力器是電推進(jìn)分系統(tǒng)的推力輸出機(jī)構(gòu)，在其它單機(jī)和子系統(tǒng)的配合下，將進(jìn)入推力器的推進(jìn)工質(zhì)（氙氣）電離，并利用靜電場將Xe+加速噴出，以此產(chǎn)生推力。此外，離子推力器還實(shí)現(xiàn)流量控制模塊（FCM）氣路與離子推力器氣路間的電絕緣。

矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)TPAM是離子推力器的機(jī)械支持和調(diào)節(jié)裝置。在主動段飛行期間，TPAM為推力器提供足夠的剛性支撐和力學(xué)保護(hù)。入軌后，還可實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的解鎖功能，并具有傳動機(jī)構(gòu)限位保護(hù)功能。在軌工作期間，TPAM可繞衛(wèi)星X軸和Z軸在一定范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)二維方向推力矢量的調(diào)節(jié)。

PPU是離子推力器的供電設(shè)備。PPU將100 V母線供電轉(zhuǎn)化為離子推力器所需的屏柵電源、加速電源等穩(wěn)壓電源，中和器、陰極加熱電源、觸持電源、陽極電源等恒流電源，中和器、陰極點(diǎn)火電源等脈沖電源，具備供電輸入及各路供電輸出控制功能。在檢測到中和器滅弧后，PPU具備自動關(guān)斷加速電源和屏柵電源的內(nèi)部互鎖功能。PPU還具備輸出保護(hù)及恢復(fù)功能。

貯供子系統(tǒng)是離子推力器的供氣設(shè)備，由1個推進(jìn)劑存貯模塊（PSM）、1套壓力調(diào)節(jié)模塊（PRM）、4套FCM組成。氙氣瓶用于貯存超臨界狀態(tài)的氙氣；PRM利用壓力控制電磁閥將上游高壓氙氣減壓，并為下游FCM提供相對穩(wěn)定的壓力輸入條件；流量控制模塊根據(jù)推力器需求，為推力器提供穩(wěn)定的氙氣供應(yīng)。

系統(tǒng)性能參數(shù)如下：

推進(jìn)劑填充量：≥ 300 kg；

最大功耗：≥ 5 300 W；

比沖：2 500～4 000 s；

單臺推力器推力：20～200 mN；

推力指向精度：≤ 0.02°；

工作壽命：15年。

4.2 關(guān)鍵技術(shù)梳理

電推進(jìn)系統(tǒng)雖然比沖高，但是推力小，僅百毫牛級，因此需要電推進(jìn)系統(tǒng)長時間連續(xù)工作才能滿足任務(wù)的總沖要求，此次任務(wù)要求電推進(jìn)系統(tǒng)壽命達(dá)到近20 000 h。

小行星探測任務(wù)采用太陽電池片發(fā)電，航天器的供電能力取決于探測器與太陽之間的距離，航天器距離太陽的距離隨時間變化，航天器的供電能力變化較大，因此電推進(jìn)系統(tǒng)還需要適應(yīng)航天器供電功率的變化，確保在不同的輸入功率下，電推進(jìn)系統(tǒng)均能可靠穩(wěn)定工作。

4.2.1 變功率高比沖離子推力器技術(shù)

1）長壽命空心陰極關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及驗(yàn)證技術(shù)

推進(jìn)劑中微量雜質(zhì)與陰極管材料高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使陰極結(jié)構(gòu)和機(jī)械強(qiáng)度變差，引起結(jié)構(gòu)或絕緣失效。國外在軌飛行離子推力器試驗(yàn)結(jié)果顯示推力器工作過程中陰極和放電室耦合作用下陰極觸持極頂將受到放電室內(nèi)部等離子體的嚴(yán)重濺射刻蝕，該效應(yīng)長期積累導(dǎo)致觸持極材料大片掉落，嚴(yán)重時引起失效，這極大影響推力器的運(yùn)行壽命。研究結(jié)果顯示，引起觸持極頂濺射刻蝕的最關(guān)鍵因素是在放電室內(nèi)部觸持極頂附近存在等離子體振蕩和高能等離子體，因此提高空心陰極運(yùn)行壽命，需在明晰高能等離子體的來源及其對觸持極頂轟擊濺射刻蝕機(jī)理的基礎(chǔ)上，突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用新技術(shù)開展相關(guān)研究。

2）高比沖長壽命柵極系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及驗(yàn)證技術(shù)

基于離子推力器工作機(jī)理，實(shí)現(xiàn)高比沖的最大技術(shù)問題是必須引入高電壓，高電壓會帶來微小間隙絕緣防護(hù)難度和真空起弧放電問題。另外，高壓使得加速柵受到兩柵之間產(chǎn)生的高能交換電荷離子轟擊濺射刻蝕的程度更嚴(yán)重。因此，要使推力器同時實(shí)現(xiàn)高比沖、長壽命，就必須要解決高電壓下的真空弧放電與柵極材料濺射刻蝕問題。

4.2.2 高精度多模式比例貯供技術(shù)

對于小行星深空探測任務(wù)，離子電推進(jìn)系統(tǒng)是變功率工作。在不同輸入功率條件下，離子推力器對推進(jìn)劑流率的需求隨功率變化而變化，GEO衛(wèi)星電推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)劑供給基本為固定的幾個流率工作點(diǎn)，無法滿足小行星探測任務(wù)變流率的工況需求，必須采用能夠?qū)崿F(xiàn)流率連續(xù)調(diào)節(jié)的比例貯供技術(shù)。比例貯供技術(shù)重點(diǎn)對比例閥的流率-電流增益特性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用電磁-流體聯(lián)合仿真的方式對比例閥的比例特性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后通過流率試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，同時為了實(shí)現(xiàn)流量的高精度控制，必須采用流量傳感器對輸出流率進(jìn)行精確測量。

4.2.3 高可靠電推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)

1）電推進(jìn)故障模式分析與對策研究

當(dāng)1臺電推力器發(fā)生故障時，需要調(diào)整點(diǎn)火策略。具體在策略方面，將遵循可靠和優(yōu)化統(tǒng)一考慮的原則，識別和確定電推進(jìn)系統(tǒng)工作的故障模式，建立嚴(yán)格的故障產(chǎn)生和傳遞模型，仿真分析研究各種故障模式對變軌、在軌姿軌控的影響，評估不同工況下的系統(tǒng)可靠度，通過開發(fā)電推進(jìn)變軌仿真軟件研究故障對策。

2）電推進(jìn)系統(tǒng)高可靠設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

通過故障模式識別和分析、試驗(yàn)驗(yàn)證等手段的循環(huán)和迭代，進(jìn)行系統(tǒng)的長壽命和可靠性設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)方案上進(jìn)行必要的冗余備份設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)小子樣壽命和可靠性評估試驗(yàn)方案，在確保滿足工程應(yīng)用的前提下，降低人力、物力和時間成本。

5 結(jié) 論

針對小行星探測任務(wù)的需求，本文介紹了國外小行星探測器的電推進(jìn)系統(tǒng)方案，并提出了5種離子推力器和霍爾推力器配置電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行綜合比較，選擇以兩臺LIPS-300離子推力器的5 kW電推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用于小行星探測，同時對離子電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)并梳理了關(guān)鍵技術(shù)。