溫 正,石 明,耿 海,張文爽,李宗良
(1.中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部,北京 100094;2.蘭州空間技術(shù)物理研究所,蘭州 730000;3.北京控制工程研究所,北京 100190)
亞太6D衛(wèi)星(APSTAR)采用東四增強(qiáng)型平臺建造,配置Ku頻段多波束(Ka頻段饋電鏈路)載荷,將以中國為核心,面向亞太地區(qū),形成東印度洋到西太平洋覆蓋,為亞太區(qū)域提供高通量寬帶通信服務(wù)(HTS)。該衛(wèi)星由供配電、測控、綜合電子、控制、化學(xué)推進(jìn)、電推進(jìn)、結(jié)構(gòu)、熱控、天線、轉(zhuǎn)發(fā)器10個分系統(tǒng)組成,圖1為該衛(wèi)星在軌展開示意圖。衛(wèi)星已于2020年7月9日在西昌衛(wèi)星發(fā)射基地成功發(fā)射,7月17日成功定點(diǎn)GEO軌道。電推進(jìn)系統(tǒng)是該衛(wèi)星平臺的標(biāo)準(zhǔn)配置,用于15年南北位置保持任務(wù)。目前該衛(wèi)星正常服役超過1年,狀態(tài)良好。
圖1 配置離子電推力器的HTS衛(wèi)星在軌示意圖Fig.1 Schematic diagram of in-orbit work for HTS satellites with ion thrusters
與化學(xué)推進(jìn)相比,電推進(jìn)技術(shù)具有高比沖優(yōu)勢,因而在國外各類航天器上獲得了廣泛應(yīng)用,對航天器承載能力和在軌壽命的提升起到了非常關(guān)鍵的作用[1-2]。然而,電推進(jìn)技術(shù)的工程應(yīng)用存在很多技術(shù)難點(diǎn),比如電源處理單元的多模塊組合的高電壓輸出、高電壓絕緣防護(hù)技術(shù)及多路穩(wěn)流源集中設(shè)計技術(shù),離子推力器柵極系統(tǒng)耐濺射、熱穩(wěn)定性和耐溫度沖擊方面的長壽命高可靠技術(shù),以及多級分壓隔離氣路電絕緣器設(shè)計、貯供子系統(tǒng)的高純高壓氙氣存儲及控制技術(shù),長壽命Bang-Bang電子減壓技術(shù),迷宮型微流量控制技術(shù),以及電推進(jìn)系統(tǒng)在軌自主控制技術(shù)、故障探測、隔離與重組(FDIR)技術(shù)等。
針對地球靜止軌道衛(wèi)星的南北位置保持及電推進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用的需求,蘭州空間技術(shù)物理研究所和北京控制工程研究所聯(lián)合研制了以LIPS-200型離子推力器[3]為核心單機(jī)的離子電推進(jìn)系統(tǒng)。2012年11月5日,搭載了LIPS-200型離子推力器的SJ-9A衛(wèi)星發(fā)射,完成了首次離子電推進(jìn)在軌試驗(yàn)驗(yàn)證[4]。分析結(jié)果表明[5],2012年10月至2014年2月,離子推力器累計完成226次開關(guān)機(jī)試驗(yàn),并對飛行試驗(yàn)中的推力、比沖和功率進(jìn)行了計算與統(tǒng)計,分布范圍分別為37.91~39.28 mN,2 841~3 235 s和1 132~1 155 W,全部符合指標(biāo)要求。2017年4月12日,搭載了LIPS-200型離子推力器的SJ-13衛(wèi)星發(fā)射,完成了電推進(jìn)系統(tǒng)南北位保策略驗(yàn)證[6]。2018年3月,地面完成了超過14 000 h的1∶1長壽命試驗(yàn)驗(yàn)證,為目前國內(nèi)電推力器壽命最長記錄。
2016年8月,亞太6D衛(wèi)星啟動研制,同時啟動了首個電推進(jìn)商業(yè)化應(yīng)用。該衛(wèi)星由航天科技集團(tuán)五院抓總研制,是我國配置電推進(jìn)系統(tǒng)的新一代東四增強(qiáng)平臺衛(wèi)星首發(fā)星,采用電推進(jìn)系統(tǒng)可以大幅減少推進(jìn)劑在軌消耗,實(shí)現(xiàn)950 kg以上載荷能力。
本文簡要介紹該衛(wèi)星電推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計狀態(tài),單機(jī)性能測試、集成性能測試、功能兼容聯(lián)試、真空點(diǎn)火測試、真空電磁兼容測試等設(shè)計驗(yàn)證情況,總結(jié)首個在軌應(yīng)用飛行的電推進(jìn)系統(tǒng)與衛(wèi)星的工作兼容性、空間環(huán)境適應(yīng)性等結(jié)果,為國產(chǎn)電推進(jìn)系統(tǒng)的不斷商業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
根據(jù)電推進(jìn)系統(tǒng)在軌任務(wù)需求,電推進(jìn)南北位保過程中點(diǎn)火區(qū)域設(shè)定在軌道的升交點(diǎn)和降交點(diǎn)附近。衛(wèi)星進(jìn)入升交點(diǎn)點(diǎn)火區(qū)后,北側(cè)推力器開始點(diǎn)火,產(chǎn)生的推力矢量中的南北向分量使得衛(wèi)星產(chǎn)生向南的加速度,點(diǎn)火過程持續(xù)一段時間后,衛(wèi)星產(chǎn)生向南的速度分量ΔV,該速度分量與衛(wèi)星軌道傾角方向的速度分量合成的最終速度使得軌道傾角下壓,衛(wèi)星在南北方向的漂移得到補(bǔ)償。當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入降交點(diǎn)點(diǎn)火區(qū)后,南側(cè)推力器點(diǎn)火,推動衛(wèi)星向北做位保,整個過程和升交點(diǎn)類似,方向相反。在整個點(diǎn)火過程中必須保持點(diǎn)火推力器的推力矢量過整星質(zhì)心,避免給衛(wèi)星帶來額外的姿態(tài)擾動。另外,推力器工作產(chǎn)生的推力在垂直軌道面和軌道面內(nèi)徑線方向都有分量。其中軌道面內(nèi)法向分量會造成衛(wèi)星軌道偏心率漂移,升降交點(diǎn)對稱工作正好抵消偏心率漂移影響。衛(wèi)星15年壽命期間,每年南北位保的速度增量Δv在41~51 m/s之間。從任務(wù)剖析可見,設(shè)計的重點(diǎn)在于保證電推進(jìn)系統(tǒng)具備長壽命高可靠工作能力、南北位保的周期性自主點(diǎn)火控制能力,必要時具備軌道轉(zhuǎn)移救援及離軌能力。
實(shí)際工程設(shè)計中,考慮到航天器布局、冗余備份情況等,電推進(jìn)系統(tǒng)選用了4臺離子推力器,分別布置在衛(wèi)星南北板上,形成南北各2∶1的備份冗余關(guān)系;選用2臺電源處理單元,通過1臺推力器切換單元形成完全備份;采用2臺高壓氣瓶對稱分布在衛(wèi)星上;采用的氙氣供給系統(tǒng)由壓力調(diào)節(jié)單元和流量控制單元組成,4臺離子推力器共用1套壓力調(diào)節(jié)單元,4臺流量控制單元與離子推力器一對一配置;衛(wèi)星南北板各設(shè)置1臺推力指向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),每臺機(jī)構(gòu)上安裝2臺離子推力器。電推進(jìn)系統(tǒng)的原理框圖 如圖2所示。
圖2 HTS衛(wèi)星上電推進(jìn)系統(tǒng)布局及工作原理框圖Fig.2 The layout and working principle block diagram of EP system for HTS satellites
離子電推力器是國際電推進(jìn)應(yīng)用領(lǐng)域的主流產(chǎn)品之一,經(jīng)過30余年發(fā)展,1997年正式實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用,當(dāng)前廣泛應(yīng)用于GEO軌道位置保持、GTOGEO軌道轉(zhuǎn)移、LEO軌道維持、深空探測主推進(jìn)、無拖曳控制等。LIPS-200型推力器如圖3所示。該推力器采用金屬鉬外凸雙柵極組件及分壓隔離氣路電絕緣器設(shè)計,束流直徑20 cm;放電室采用柱形三極會切磁場設(shè)計;采用鉭觸持硼化鑭發(fā)射體空心陰極;電源處理單元采用高低壓模塊化設(shè)計思路,包括DC/AC控制模塊、DC/AC輸出模塊和屏柵加速模塊,各模塊結(jié)構(gòu)獨(dú)立,并列分布實(shí)現(xiàn)9路供電輸出功能,如圖4所示;屏柵關(guān)鍵模塊的單備份改為雙備份,增加了單機(jī)的冗余能力,提高了產(chǎn)品的冗余功能。根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)需求,通過配置推力器切換單元TSU實(shí)現(xiàn)PPU對4臺推力器的供電切換。
圖3 LIPS-200型離子推力器Fig.3 Schematic of LIPS-200 ion thruster
圖4 電源處理單元Fig.4 Packaging schematic of PPU
貯供子系統(tǒng)包括氙氣瓶、壓力調(diào)節(jié)單元(PCM)(圖5)、流量控制單元(FMC)(圖6)等。壓力調(diào)節(jié)單元采用Bang-Bang電磁閥一級電子減壓方案,依靠低壓壓力傳感器的輸出進(jìn)行負(fù)反饋控制。流量控制單元采用基于“迷宮”型微流量控制器,利用逐級膨脹的方法增加流阻實(shí)現(xiàn)節(jié)流。推力器安裝在矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(TPAM)上,通過矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)算法使推力矢量方向通過或接近衛(wèi)星質(zhì)心方向。矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由安裝支撐結(jié)構(gòu)、指向調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)、鎖緊釋放結(jié)構(gòu)及相關(guān)的電纜、管路組成,可以實(shí)現(xiàn)離子推力器指向的高精度調(diào)節(jié)。
圖5 壓力調(diào)節(jié)單元Fig.5 PCM of Xenon feed system unit
圖6 流量控制單元Fig.6 FCM of Xenon feed system unit
電推進(jìn)系統(tǒng)的性能評估是在單機(jī)性能滿足指標(biāo)要求的前提下,通過系統(tǒng)級真空聯(lián)試點(diǎn)火進(jìn)行測試驗(yàn)證的,如圖7所示,各關(guān)鍵單機(jī)配合離子推力器實(shí)現(xiàn)在真空下的點(diǎn)火和綜合性能指標(biāo)測試。完成了電推進(jìn)系統(tǒng)性能聯(lián)試驗(yàn)證以后,電推進(jìn)單機(jī)交付整星,進(jìn)行貯供單元及管路焊接、產(chǎn)品總裝等。進(jìn)而,電推進(jìn)系統(tǒng)各單機(jī)開始整星階段集成測試、精測及漏率檢測,如表1所列。其中,通過將推力器模擬負(fù)載與整星相連完成了系統(tǒng)級模擬電性能測試和供電接口檢測,系統(tǒng)的工作模式和功能性能滿足要求;電推進(jìn)系統(tǒng)的貯供單元在星上通過地面供氣完成了壓力閉環(huán)和流量溫度閉環(huán)測試,供氣功能滿足要求;通過推力器的特征阻抗測試檢測了推力器各個測試階段的健康狀態(tài)。
圖7 電推進(jìn)系統(tǒng)地面真空聯(lián)試與點(diǎn)火Fig.7 Ground vacuum test and ignition of EP system
表1 衛(wèi)星集成及性能測試Tab.1 Coupling and performance testing
圖8 衛(wèi)星熱試驗(yàn)及電推進(jìn)系統(tǒng)真空點(diǎn)火測試Fig.8 Thermal test of satellites with EP system in vacuum chamber
可見,測試驗(yàn)證很好地解決了電推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用的很多難點(diǎn)。
衛(wèi)星變軌期間,電推進(jìn)系統(tǒng)依次完成了貯供各分支管路子系統(tǒng)的排氣預(yù)處理、電推力器的預(yù)處理等。隨后,電推進(jìn)系統(tǒng)推力矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了在軌火工品起爆展開及目標(biāo)角轉(zhuǎn)動指向調(diào)整,調(diào)節(jié)精度優(yōu)于0.02°。
通過地面遙控指令控制的方式,電推進(jìn)系統(tǒng)完成陰極預(yù)處理、中和器預(yù)處理和放電室預(yù)處理,處理過程中貯供子系統(tǒng)閥門和加熱器工作正常,管路在軌排氣正常,4臺離子推力器中和器、主陰極和柵極功能正常,壓力閉環(huán)精度指標(biāo)±3%,流量控制精度指標(biāo)±3℃,對應(yīng)流量精度不超過0.5%,推力器工作推力40 mN±4 mN,比沖要求3 000 s±300 s,各項指標(biāo)參數(shù)穩(wěn)定,符合后續(xù)開展在軌點(diǎn)火測試的要求。
2020年7月28日,電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行電推進(jìn)柵極預(yù)處理、性能及質(zhì)心標(biāo)定測試。確認(rèn)南北主份推力器S1和N1的推力方向已基本經(jīng)過質(zhì)心,符合整星干擾力矩控制要求。電推進(jìn)系統(tǒng)具備進(jìn)行南北位置保持點(diǎn)火的條件。隨后,根據(jù)衛(wèi)星在軌位置保持策略,進(jìn)行自主位保策略驗(yàn)證和多次自主點(diǎn)火監(jiān)控。整個電推進(jìn)工作具體流程如圖9所示,電推進(jìn)點(diǎn)火完成后重新對衛(wèi)星進(jìn)行測軌,確認(rèn)電推進(jìn)位保效果。
圖9 電推進(jìn)系統(tǒng)在軌工作流程Fig.9 Automatic mode workflow of EP system
電推進(jìn)系統(tǒng)推力矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了在軌火工品起爆展開及目標(biāo)角轉(zhuǎn)動指向調(diào)整,解鎖展開轉(zhuǎn)動過程以及壓力調(diào)節(jié)單元的壓力調(diào)整曲線如圖10所示。其中圖10(a)矢量機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動過程為從壓緊位置自主轉(zhuǎn)動至初始零位,然后依據(jù)衛(wèi)星標(biāo)定的要求轉(zhuǎn)動至指定的角度位置,保證了推力器矢量方向經(jīng)過衛(wèi)星質(zhì)心位置。而壓力調(diào)節(jié)曲線是將上游的10 MPa的高壓氙氣瓶的壓力通過電子減壓器的方式降低至一個設(shè)計的壓力值。圖10(b)為特定的時間周期內(nèi)衛(wèi)星遙測下傳壓力值,壓力調(diào)節(jié)目標(biāo)值為0.277 MPa,壓力在目標(biāo)值附近有規(guī)律地波動,波動范圍控制在3%。
圖10 矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)解鎖展開及壓力調(diào)節(jié)控制曲線Fig.10 Pointing of TPAM and pressure regulation control of PCM
圖11(a)為PPU在一個點(diǎn)火工作周期內(nèi)的9路供電電流和電壓的輸出遙測值變化曲線,每一路輸出的穩(wěn)定精度均在5%范圍內(nèi)。圖11(b)為南推力器流量控制單元通過控制陽極、陰極、中和器三路迷宮型流量器的溫度精度達(dá)到微流量的高精度輸出。
電推進(jìn)在軌環(huán)境適應(yīng)性方面,主要關(guān)注各單機(jī)在熱控系統(tǒng)保障條件下的正??刂茰囟确秶渲?,推力器點(diǎn)火最高溫度為194.5℃,PPU工作溫度范圍為-0.13~15.19℃。氙氣瓶溫度范圍為28.45~31.09℃,壓力調(diào)節(jié)模塊單元溫度范圍為20.20~24.77℃,流量控制模塊單元溫度范圍為10.5~35.78℃。氙氣瓶與壓力模塊單元之間及到流量控制模塊單元管路溫度為19.58~30.53℃。矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)電機(jī)的旋變溫度為-0.86~28.31℃,底板溫度為3.711~13.34℃,推力器安裝板溫度為-9.507~29.88℃。由此可見,電推進(jìn)系統(tǒng)各部件溫度正常。典型的離子推力器工作溫度變化如圖12所示。
圖11 電源處理單元功率輸出及南推力器流量控制器的溫度閉環(huán)控制Fig.11 Power output of PPU and south thruster regulation control of FCM
圖12 離子推力器溫度變化范圍Fig.12 Working temperature range of thrusters
表2為電推進(jìn)系統(tǒng)在軌工作性能指標(biāo),可以看出,系統(tǒng)性能滿足衛(wèi)星應(yīng)用要求。
表2 電推進(jìn)系統(tǒng)在軌性能指標(biāo)Tab.2 On ortit performance of EP system
本文主要介紹了衛(wèi)星的電推進(jìn)設(shè)計,電推進(jìn)系統(tǒng)集成性能測試,電推進(jìn)系統(tǒng)地面真空聯(lián)試點(diǎn)火測試,電推進(jìn)整星的真空測試以及電推進(jìn)系統(tǒng)在軌飛行測試等內(nèi)容。從地面測試項目和驗(yàn)證效果上看,對電推進(jìn)系統(tǒng)的地面評估試驗(yàn)完全覆蓋了電推進(jìn)系統(tǒng)在軌應(yīng)用所需要驗(yàn)證的各項指標(biāo),解決了電推進(jìn)系統(tǒng)與衛(wèi)星的工作兼容性以及空間環(huán)境適應(yīng)性等問題。
衛(wèi)星在軌工作性能表明,HTS衛(wèi)星采用的電推進(jìn)系統(tǒng)功能性能正常,貯供子系統(tǒng)的壓力閉環(huán)、溫度閉環(huán),供氣穩(wěn)定,PPU供電正常、穩(wěn)定,離子推力器工作正常;離子電推進(jìn)系統(tǒng)溫度正常;系統(tǒng)性能以及單機(jī)產(chǎn)品性能一致性較好。高軌環(huán)境適應(yīng)性、與通信載荷及整星兼容性和電推進(jìn)位保策略得到充分驗(yàn)證。