田棟 溫正 魏鑫 蘇宏博

(1 北京理工大學,北京 100081)(2 中國空間技術研究院通信與導航衛(wèi)星總體部,北京 100094)

我國自從2012年首次開展電推進空間飛行驗證任務后,便開始加緊推動電推進技術的工程應用。2020年6月,銀河航天公司研制的低軌寬帶通信衛(wèi)星首次采用霍爾電推進系統(tǒng)實現(xiàn)在軌應用,衛(wèi)星采用電推進技術執(zhí)行入軌調整、大范圍軌道轉移、長期軌道保持及離軌等任務,電推進系統(tǒng)額定功率215W,額定推力10mN,系統(tǒng)采用模塊化設計,具有集成度高、質量小、成本低等特點。2020年7月,離子電推進系統(tǒng)實現(xiàn)首個地球同步軌道(GEO)高通量衛(wèi)星的商業(yè)化應用,電推進系統(tǒng)用于執(zhí)行衛(wèi)星15年的南北位置保持任務,同時兼顧軌道機動的救援能力、軌道位置調整及衛(wèi)星末期離軌任務。該電推進系統(tǒng)額定功率1000W,額定推力40mN,額定比沖3000s,采用多冗余可調推力矢量設計方案,具有比沖高、運行壽命長、自主位置保持、自主故障檢測及處理等特點。目前,越來越多的高低軌衛(wèi)星采用電推進作為其主要的動力系統(tǒng),標志著電推進已經(jīng)進入到一個大規(guī)模工程應用階段。

電推進具有高比沖、高總沖優(yōu)勢,而且可以滿足位置保持、軌道轉移、大氣阻力補償?shù)葞缀跛锌臻g動力需求。因此,配置電推進系統(tǒng)已經(jīng)成為衡量通信衛(wèi)星先進性的重要指標之一。衛(wèi)星任務剖面的不同,以及衛(wèi)星平臺功率的差異,對電推進系統(tǒng)的推力、比沖等的需求是不同的。主流的霍爾電推進與離子電推進相比,具有推功比高、供電電壓低、絕緣耐壓設計及電路模塊設計相對簡單、整體系統(tǒng)結構相對簡單、系統(tǒng)質量較小、衛(wèi)星布局相對靈活等特點,適用于全電推進衛(wèi)星軌道機動及維持,以及輕量級低軌衛(wèi)星星座軌道保持等任務。主流離子電推進具有推重比高、比沖高、壽命長、微推力精確調姿、效率高等特點,比較適用于具有長壽命要求的大承載比GEO衛(wèi)星的姿態(tài)控制、軌道維持和軌道轉移、位置保持等任務;對于提升衛(wèi)星的承載能力及通信載荷精確指向控制等方面具有很好的優(yōu)勢,同樣也適用于全電推進衛(wèi)星及低軌衛(wèi)星平臺。目前,霍爾及離子電推進的技術發(fā)展型譜很廣,能覆蓋從百瓦至幾十千瓦功率需求的通信衛(wèi)星在軌應用。

本文重點結合高低軌通信衛(wèi)星任務特點,從衛(wèi)星載荷對平臺配置的需求、空間任務定位、離子和霍爾電推進技術產(chǎn)品特點、高低軌空間環(huán)境差異等角度分析了電推進技術發(fā)展和應用重點應該考慮的設計要素。在此基礎上,結合國內發(fā)展,提出有我國電推進規(guī)?；瘧玫陌l(fā)展建議。

1 通信衛(wèi)星的電推進應用特點

按照軌道高度的不同,衛(wèi)星可以分為:低地球軌道(LEO)衛(wèi)星,軌道高度300～2000km;中地球軌道(MEO)衛(wèi)星,軌道高度2000～36000km;GEO衛(wèi)星,軌道高度為36000km。導航衛(wèi)星大都運行在MEO,運轉周期在2～24h,導航衛(wèi)星定點之后對位置保持和姿態(tài)精度的要求不高,對軌道維護的需求相對較小。雖然導航衛(wèi)星上也有采用電推進執(zhí)行軌道轉移等任務的案例,但暫不在本文討論范疇。本文重點分析運行在GEO和LEO的通信衛(wèi)星任務需求。表1統(tǒng)計了近幾年電推進技術在相應通信衛(wèi)星平臺上的典型應用情況。

表1 電推進技術在通信衛(wèi)星平臺上的典型應用情況Table 1 Typical applications of electric propulsion technology on communications satellite platforms

1.1 GEO通信衛(wèi)星電推進應用特點

通信衛(wèi)星按頻段大致可分為寬帶通信衛(wèi)星和窄帶通信衛(wèi)星。寬帶衛(wèi)星具備全球覆蓋區(qū)域內的大容量、高速率通信能力,可提供C頻段、X頻段、Ku頻段及Ka頻段的高質量語音、圖像、視頻、數(shù)據(jù)等通信傳輸服務,實現(xiàn)高速雙向通信和信息廣播服務。窄帶通信衛(wèi)星可支持話音和數(shù)據(jù)移動通信,實現(xiàn)移動通信終端手持化。該類衛(wèi)星一般配置大型可展開多波束天線,通過星地一體化實現(xiàn)全球覆蓋,多個終端用戶通過極高頻(UHF)向衛(wèi)星發(fā)送信號,地面站則采用Ka頻段與衛(wèi)星通信。目前,商業(yè)市場主打Ku頻段或Ka頻段的高通量衛(wèi)星,這是未來擴大衛(wèi)星帶寬資源的重要手段,其帶寬超過吉比特每秒吞吐量量級,每個終端通量超過百兆比特每秒量級。GEO通信衛(wèi)星通信的全球性、多頻段、多用途、多系統(tǒng)、星間組網(wǎng)是未來衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展的主要方向,可全面用于不同海陸空各類固定和移動終端的大容量雙向通信和信息廣播服務?？梢?載荷多任務特點對衛(wèi)星承載能力及平臺姿態(tài)穩(wěn)定性提出了更高要求。電推進技術在提升衛(wèi)星平臺載干比及精確指向調節(jié)方面具有很大的優(yōu)勢。

在GEO通信衛(wèi)星領域,依據(jù)衛(wèi)星平臺系統(tǒng)配置的不同,主要分為采用混合推進的平臺配置和采用全電推的平臺配置2類。其中:混合推進平臺衛(wèi)星發(fā)射質量一般在5～6t,載荷質量較大且功能全面。采用混合推進的衛(wèi)星全生命周期內的位置保持任務一般是由電推進來完成的。相對以往采用純化學推進方式的衛(wèi)星平臺,這種混合推進模式可以有效提升衛(wèi)星的載荷質量,且對衛(wèi)星微振動影響很小,能滿足激光終端等各類復雜載荷工作和長期在軌穩(wěn)定運行的要求;而全電推進衛(wèi)星平臺發(fā)射質量一般在2～5t,最大的優(yōu)點是大功率、高承載比、輕量化,即衛(wèi)星平臺質量降低,載荷質量可以大幅提升。相對于化學推進系統(tǒng),采用全電推進系統(tǒng)可將衛(wèi)星干質量占比提升至75%,有效載荷質量還能進一步提升,而且衛(wèi)星平臺可以小型化,實現(xiàn)一箭多星。如Eutelsat-172B采用全電推進,整星質量僅為3551kg;若采用化學推進,質量至少為6000kg。因此,全電推進使得衛(wèi)星發(fā)射質量減少40%以上,發(fā)射成本降低約30%,衛(wèi)星總的研制費用降低近10%。據(jù)不完全統(tǒng)計,在2017年之后,2～5t在軌應用的主流全電推進衛(wèi)星就超過了30顆,占比日益提升,而混合推進模式通信衛(wèi)星占比則有逐漸減少的趨勢。目前,比較成熟的全電推進衛(wèi)星平臺包括:中國的東方紅三號E;美國Boeing公司的BSS-702SP;歐洲ADS公司的Eurostar-3000 EOR;俄羅斯ISSR公司的Express-1000,2000;法國TAS公司的Spacebus-NEO;德國OHB公司的SGEO[1-5]。另外,日本三菱公司的工程試驗衛(wèi)星-9(ETS-9)也是全電推進衛(wèi)星。全電推進衛(wèi)星的應用近幾年還有一個顯著特點,那就是初始變軌的軌道高度隨著運載能力的增強而不斷得到提高,全電推進衛(wèi)星的快速入軌時間日趨縮短。GEO通信衛(wèi)星方面,本文將重點針對全電推進衛(wèi)星的系統(tǒng)設計及應用進行闡述和分析。

1.2 LEO通信衛(wèi)星電推進應用特點

LEO通信衛(wèi)星星座是多顆衛(wèi)星組成的具有廣播功能、以互聯(lián)網(wǎng)應用為服務對象的互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星群。星座具有通信覆蓋廣、容量大、不受地域影響、傳輸延時短、路徑損耗小、頻率復用更有效等特點,作為地面通信的補充手段實現(xiàn)用戶接入互聯(lián)網(wǎng),可有效解決偏遠山區(qū)、海上、空中等用戶的互聯(lián)網(wǎng)服務問題。

LEO通信衛(wèi)星星座帶來了一系列的顛覆性技術變革及商業(yè)變革,不僅帶動了物聯(lián)網(wǎng)接入等地面產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展,還促進了軍事海事通信、航空機載、無人機等隱形市場的技術突破。同時,引入的模塊化輕量化集成、商用現(xiàn)貨(COTS)元件應用、智能裝配應用等智能制造技術,進一步降低了LEO通信衛(wèi)星的研制成本和商業(yè)門檻。這些技術變革也影響了電推進技術發(fā)展路線的轉變,需要更快適應星座規(guī)?；男枨?真正實現(xiàn)電推進系統(tǒng)商業(yè)化。

以Starlink衛(wèi)星星座為例,近期的衛(wèi)星配置為:每顆衛(wèi)星配備Ku頻段和Ka頻段有效載荷,且包含多副高通量相控陣天線,采用激光星間鏈路和數(shù)字處理技術,使信號能夠在軌道上的衛(wèi)星之間高速傳輸,且每顆Starlink衛(wèi)星上的所有Ku頻段下行鏈路點波束都可以實現(xiàn)在地球覆蓋區(qū)的獨立調整,即便多顆損毀也不影響全局通信,這為衛(wèi)星的軍事應用提供了極大的便利。此外,LEO通信衛(wèi)星星座在軍事導航增強、多目標跟蹤功能、頻率復用能力及多用戶支持、生存能力等方面優(yōu)勢也很顯著。在全面部署后預計可提供高達約±57°緯度的信號覆蓋區(qū)域,加上極地軌道上的衛(wèi)星,可輕松實現(xiàn)低成本全球覆蓋。由此可見,LEO通信衛(wèi)星星座可以實現(xiàn)經(jīng)濟、有效、快速的部署。Starlink衛(wèi)星最主要的動力系統(tǒng)是采用300～500W功率的霍爾電推進執(zhí)行軌道提升及離軌等操作。LEO通信衛(wèi)星星座投產(chǎn)數(shù)量巨大,需要在短時間內部署很多顆衛(wèi)星,這就對電推進系統(tǒng)批產(chǎn)化提出了很高的要求。對于電推進而言,需要簡化試驗、降低成本,提高產(chǎn)品的模塊化、集成化設計水平,還需要有很高的可靠度和成熟度。目前,除了Starlink衛(wèi)星星座技術迭代快、相對成熟外,其他星座仍在解決批產(chǎn)化及低成本制造問題。截至2023年年初,Starlink衛(wèi)星在軌總量已超過3000顆。LEO空間環(huán)境具有大氣阻尼大且波動范圍廣、原子氧濃度高等特點,電推進系統(tǒng)設計需要綜合考慮全任務周期內的自主大氣阻尼補償、超精細定向和高精度控制等要求。

2 電推進系統(tǒng)設計思路

根據(jù)上述通信衛(wèi)星任務特點,電推進系統(tǒng)設計應重點考慮以下幾個環(huán)節(jié)。

2.1 任務剖面匹配性設計

2.1.1 GEO通信衛(wèi)星飛行任務剖面分析

從圖1的全電推進GEO通信衛(wèi)星飛行任務剖面來看,可以從3個角度展開分析。

圖1 GEO通信衛(wèi)星飛行任務剖面Fig.1 GEO communications satellite flight mission profile

(1)星箭分離點設計很關鍵,需要在運載包絡允許的整星質量和體積約束的前提下去設計電推進入軌周期,早期任務設計受限于運載能力,更多地考慮全周期從LEO至GEO的軌道轉移策略。這種策略往往變軌時間周期較長(8～10個月),這就帶來一定的設計防護負擔,比如太陽翼為了降低范艾倫輻射帶損傷所額外的加固設計,以及功率衰減預算等多因素變量的設計。隨著上面級技術的日趨成熟及運載能力的提升,近幾年的軌道轉移策略更多通過上面級送至地球靜止轉移軌道(GTO)或者更高的軌道高度,再通過電推進實現(xiàn)從GTO至GEO的變軌任務,大大縮短了衛(wèi)星入軌周期并降低了系統(tǒng)設計的復雜度。例如:2020年俄羅斯一箭雙星發(fā)射的Express-80和Express-103,通過上面級將衛(wèi)星送至近地點16600km、遠地點54900km的超GTO,隨后通過電推進將衛(wèi)星送至目標軌道[6]。

(2)不管采用哪類電推進系統(tǒng),其功耗基本正比于推力器推力和比沖的乘積。衛(wèi)星能提供給電推進的功率是有限的,這就要求在進行衛(wèi)星電推進系統(tǒng)設計時,必須在推力和比沖之間進行權衡。全電推進衛(wèi)星在執(zhí)行大范圍軌道轉移期間載荷不工作,而衛(wèi)星需要在軌道高度較低的區(qū)域盡可能短的時間內穿越范艾倫輻射帶,減少質子等高能粒子沖擊,同時開展低軌碰撞規(guī)避的測軌保障設計,前期的抬升半長軸就需要通過大推力高功率工作模式進行長期工作來實現(xiàn)。通常來說,2t以上衛(wèi)星的上述任務需要采用5千瓦量級的多模式電推進系統(tǒng),目前國際上的全電推進衛(wèi)星平臺可采用的主流推力器包括離子推力器XIPS-25和LIPS-300,以及霍爾推力器XR-5、PPS-5000[7]或SPT-140[8]。軌道轉移期間不僅需要電推進系統(tǒng)在非地影期具備持續(xù)工作的能力,而且因為很多不可見弧段軌道的存在,還需要電推進系統(tǒng)具有自主測定軌、自主飛行的能力。

(3)在抬升半長軸、調整軌道傾角期間,衛(wèi)星需要經(jīng)歷不同的光照環(huán)境及軌道空間環(huán)境,電推進系統(tǒng)長期自主飛控和姿態(tài)調整還需要依據(jù)整星功率變化,以實現(xiàn)連續(xù)變推力補償,通過流率、電流組合調節(jié)實現(xiàn)寬范圍、高精度推力連續(xù)調節(jié);衛(wèi)星定點前,電推進系統(tǒng)還需要執(zhí)行偏心率調整、漂星、軌道位置調整等任務,衛(wèi)星在定點后長期的位置保持及動量卸載等任務也需要電推進來完成,而且整星功率大部分分配給星上載荷,需要電推進系統(tǒng)工作在低功率、高比沖模式,以降低功率需求并最大程度地節(jié)約推進劑。

2.1.2 LEO通信衛(wèi)星飛行任務剖面分析

LEO通信衛(wèi)星飛行任務剖面如圖2所示。從任務剖面看,在星箭分離后,衛(wèi)星需要通過電推進系統(tǒng)進行軌道抬升(含半長軸、偏心率偏差修正)和傾角修正。隨后,進入停泊軌道,衛(wèi)星開始進行在軌測試和自主健康診斷。在完成測試后,再次通過電推進執(zhí)行軌道機動任務,直至進入工作軌道,期間衛(wèi)星經(jīng)歷相位調整、軌道抬升、傾角修正、升交點赤經(jīng)修正和位置捕獲等。衛(wèi)星在工作軌道上還需要通過電推進執(zhí)行占位保持,即保證每顆衛(wèi)星在一定精度范圍內保持沿參考軌道運行,從而保證整個星座構型不變;或者根據(jù)任務需求通過半長軸偏置實現(xiàn)對相位角偏差的控制,進而實現(xiàn)同軌道面衛(wèi)星相位維持;或者通過傾角偏置實現(xiàn)對升交點赤經(jīng)偏差的控制,從而實現(xiàn)異軌道面衛(wèi)星相位維持。最后,到任務末期,對軌道的近地點高度和遠地點高度進行調整,采用電推進降低衛(wèi)星的軌道高度,實現(xiàn)衛(wèi)星離軌再入大氣層燒毀。

LEO空間環(huán)境具有大氣阻尼大且波動范圍廣、原子氧濃度高等特點,軌道高度200km與300km相比,大氣密度大將近2個數(shù)量級,大氣阻尼差異明顯,而且同一軌道高度波動也較大,地磁風暴造成不同時刻阻尼特性差異,這就需要動力系統(tǒng)的響應敏感,而且具備一定的可變推力調整能力及閉環(huán)控制能力。采用電推進系統(tǒng)配置,可以滿足衛(wèi)星任務全過程的大氣阻尼補償、超精細定向和高精度控制等要求,顯著增加有效載荷質量,延長衛(wèi)星壽命。

由于衛(wèi)星任務剖面復雜多樣,只有充分了解全周期使用場景,識別所有的可能工況和環(huán)境條件變化,才能有效判斷出產(chǎn)品在衛(wèi)星上應用的特點和風險。通常的衛(wèi)星任務剖面分析要求全面梳理產(chǎn)品從交付后到壽命末期各環(huán)節(jié)經(jīng)歷的所有使用工況、工作模式、環(huán)境條件等,具體包括:①使用工況應覆蓋產(chǎn)品使用時可能出現(xiàn)的所有工作狀態(tài),并考慮正常和非正常使用工況,覆蓋最惡劣工況。②工作模式應包括靜態(tài)和動態(tài)、穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài),以及不同功率、不同頻率等情況。③環(huán)境條件應覆蓋產(chǎn)品使用的所有環(huán)境因素,包括地面貯存、測試、發(fā)射、在軌等全部環(huán)節(jié)。例如:應區(qū)分不同軌道高度空間環(huán)境的差異,LEO空間環(huán)境為稀薄大氣,具有空氣阻尼大、原子氧濃度高等特點;GEO環(huán)境具有高能等離子體及季節(jié)性、復雜表面充放電、單粒子效應等特點,對產(chǎn)品原材料、元器件、生產(chǎn)工藝等的影響具有復雜性和多樣性。

對衛(wèi)星飛行任務剖面完整的裕度剖析,有針對性的安全邊界設計,是決定任務成敗的關鍵。2022年2月,Starlink衛(wèi)星在210km軌道高度受地磁暴等因素影響,受低高度大氣阻力作用,氪工質霍爾電推進系統(tǒng)無法脫離安全模式執(zhí)行軌道抬升任務,從而導致部分衛(wèi)星再入大氣層燒毀。推測該故障原因,一方面,爆發(fā)高能電子暴時,GEO和MEO大于2MeV的高能電子通量一般會比平靜狀態(tài)下高2～3個數(shù)量級,這就會加劇高能粒子沉降和焦耳加熱等過程,使低層大氣受熱膨脹,引起高層大氣密度增加,通常在210km高度的大氣密度晝夜變化幅度可達到20%,疊加小地磁暴(地磁爆強度指數(shù)為5),阻力上升約10%;另一方面,Starlink衛(wèi)星面質比約為0.0733,比一般LEO通信衛(wèi)星高出約10倍(衛(wèi)星日均軌道衰減量與大氣密度、面質比均呈正比關系),因此軌道衰減量偏大,導致對大氣阻力敏感度進一步增加。上述2個因素導致推進與控制策略對復雜工況下的裕度設計存在不足,加上故障預案存在缺陷,最終導致衛(wèi)星的隕落。

2.2 電推進與整星匹配性設計

電推進與整星的匹配性設計主要考慮電推進供電電源及推力器工作過程的電磁兼容性,電推力器工作產(chǎn)生的羽流等離子體對通信等載荷鏈路的影響特性,以及電推進瞬態(tài)工作的一些動態(tài)特性(例如閃爍(放電擾動)、啟動浪涌),還有對供配電及控制系統(tǒng)的影響等。霍爾推力器以SPT-100為例,其陽極與勵磁采用串聯(lián)設計,如果內磁極磁場強度存在偏小問題,有可能會引起放電電流和勵磁電流工作模態(tài)耦合問題,從而加大陽極振蕩,形成放電擾動,導致一些系統(tǒng)性的故障關機問題。另外,霍爾推力器長期工作在放電室通道內壁的陶瓷結構還會累積受高能等離子侵蝕影響,磁約束的設計差異會加劇刻蝕過程產(chǎn)生的沉積物,沉積物脫落會在放電通道內與等離子體碰撞,也會產(chǎn)生放電擾動,從而導致推力器陽極電流出現(xiàn)瞬時的大電流沖擊,易觸發(fā)電源保護,甚至影響到整星供電安全及姿態(tài)控制精度。據(jù)了解,Fakel在設計霍爾電推進系統(tǒng)時,對放電擾動進行了精確測量,給出了瞬態(tài)峰值電流及響應脈寬,供電電源輸出輸入端進行了軟硬件的保護電路設計。對于離子推力器而言,柵極間的放電閃爍是離子推力器柵極間強電場的局部瞬時畸變引起的,屬于離子推力器的固有工作狀態(tài),會受溫度梯度帶來的間距變化、材料出氣產(chǎn)生的局部低氣壓區(qū),以及放電室材料濺射、柵極表面微突起、多余物等因素影響,影響因素多會加劇出現(xiàn)相對頻繁的非預期性閃爍問題,閃爍瞬間同樣產(chǎn)生大電流沖擊,從而可能會影響整星供電安全。電推進羽流對衛(wèi)星的影響主要包括:羽流等離子對衛(wèi)星表面的力矩干擾、熱輻射、濺射腐蝕、表面電位影響,以及對星敏感器的光干擾和對通信頻段的影響等,因此需要在衛(wèi)星研制初期開展電推進電磁輻射發(fā)射與衛(wèi)星兼容性分析,并輔助必要的試驗進行電推進羽流的綜合評估。

2.3 布局設計

一方面,衛(wèi)星的布局優(yōu)化要求電推力器工作時的綜合效率盡可能高,以減小推進劑的攜帶量;另一方面,當實施軌道控制任務時,電推進工作時的干擾力和干擾力矩要盡可能小,才能保證電推力器工作期間衛(wèi)星的姿態(tài)控制精度滿足衛(wèi)星指標要求。通常,GEO通信衛(wèi)星電推進系統(tǒng)的主任務是執(zhí)行位置保持,為了提高綜合效率,電推進系統(tǒng)一般選擇在軌道的升交點和降交點附近工作,點火過程產(chǎn)生向南或者向北的速度分量與衛(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,同時衛(wèi)星在軌道面內產(chǎn)生的法向分量會因為升降交點對稱工作而得到相互抵消,以消除衛(wèi)星軌道偏心率的漂移。這種對稱點火的方式還需要通過矢量調節(jié)機構保證點火推力器推力矢量經(jīng)過衛(wèi)星質心,從而避免電推力器工作帶來的姿態(tài)擾動。電推進系統(tǒng)布局設計還需要保證衛(wèi)星表面的光學敏感器和太陽翼等不受電推力器的羽流污染,且羽流對太陽翼的附加干擾力矩盡量小,推力器布局時應避免其工作時的熱量對周圍部件造成不利影響。

單一位置保持任務的典型布局設計如圖3所示,推力器對稱布置在衛(wèi)星南北板,推力矢量方向指向衛(wèi)星質心。典型應用包括中國的東方紅四號增強衛(wèi)星平臺、美國Boeing公司的BSS-601HP衛(wèi)星平臺、Loral Space公司的SSL-1300衛(wèi)星平臺[9]、歐洲ADS公司的Eurostar-3000衛(wèi)星平臺、法國TAS公司[9]的Spacebus-4000衛(wèi)星平臺,以及ADS公司和TAS公司聯(lián)合開發(fā)的阿爾法平臺(Alphabus)等。

圖3 GEO通信衛(wèi)星電推進布局方案一Fig.3 Layout scheme one for GEO communications satellite electric propulsion

為了兼顧軌道轉移任務需求,還有一種布局方案是采用多自由度機械臂,在提高衛(wèi)星收攏狀態(tài)的高收納比、提高整流罩空間利用率的同時,進一步提升在軌大范圍推力指向的調整能力和推力效率,通過高精度、微推進技術實現(xiàn)衛(wèi)星載荷的高精度指向調整。例如,美國Loral Space公司設計的可展開式推力矢量調節(jié)機構,電推力器在完全展開狀態(tài)下推力器指向-Z方向(如圖4所示),可以用于變軌任務的同時兼顧位置保持任務。EuroStar NEO衛(wèi)星平臺配置的PPS-5000霍爾推力器也采用這種布局方式,多自由度展開式矢量調節(jié)機構的優(yōu)點是可以降低電推力器對整星集成的影響,降低羽流對太陽翼的干擾力矩、濺射沉積等影響,可以實現(xiàn)軌道傾角和偏心率控制及動量輪卸載,較大程度提高電推進效率;缺點是增加了系統(tǒng)復雜度及失效風險,熱控系統(tǒng)較為復雜,而且電推進管路變長,管路氙氣工質的流阻增加,對比沖等系統(tǒng)性能指標存在一定的影響。

圖4 GEO通信衛(wèi)星電推進布局方案2Fig.4 Layout scheme two for GEO communications satellite electric propulsion

第3種布局方式是將電推力器布置于背地板上,4臺推力器成對對稱安裝在背地板4邊,2臺推力器在北側,2臺推力器在南側,如圖5所示。這種方案較多應用在混合推進的衛(wèi)星平臺上,便于實現(xiàn)軌道傾角(南北位置保持)、漂移率和偏心率控制(東西位置保持)功能,同時也可以較好地兼顧輔助軌道轉移任務。典型應用有中國的東方紅五號衛(wèi)星平臺,美國Boeing公司的BSS-702HP衛(wèi)星平臺及BSS-702SP衛(wèi)星平臺。其優(yōu)點是在升降交點執(zhí)行南北位置保持時可以在傾角控制的同時控制偏心率和東西漂移,還可以實現(xiàn)角動量卸載功能;缺點是冗余備份能力不足,當其中1臺推力器失效時,推力器提供的速度增量需求需要增加約1.5倍。

圖5 GEO通信衛(wèi)星電推進布局方案3Fig.5 Layout scheme three for GEO communications satellite electric propulsion

一些特殊的布局方式(如圖6所示),因為特殊的載荷布局限制等原因,將推力器布置在南北/東西板的4個側棱上,例如洛馬(Lockheed Martin)公司A2100M衛(wèi)星平臺的先進極高頻(AEHF)系列衛(wèi)星,以及俄羅斯的Express衛(wèi)星。這類布局方式需要依據(jù)衛(wèi)星質心來布置推力器安裝的Z向高度,用于消除或減少徑向分量的影響,當用于變軌時,衛(wèi)星飛行方向為+X向。該布局方式的優(yōu)點是對整星整體布局有利,尤其對于復雜星外載荷及敏感器布局而言,羽流對背地板及對地板的載荷影響最小,載荷工作區(qū)域包絡大;缺點是盡管兼顧了方案3的功能,但綜合效率相對較低,受質心在軌不確定度影響較大,控制算法較為復雜。

圖6 GEO通信衛(wèi)星電推進布局方案4Fig.6 Layout scheme four for GEO communications satellite electric propulsion

2.4 長壽命高可靠設計

從整個飛行任務剖面來看,電推進應用的通信衛(wèi)星執(zhí)行的任務剖面往往覆蓋包括升軌離軌等在內的整個衛(wèi)星全生命周期。電推進系統(tǒng)高可靠長壽命是衛(wèi)星應用成敗的關鍵和基石。可靠性問題通常圍繞故障識別和恢復展開,工程上一般在正向設計復核的基礎上通過增加環(huán)境條件考核及工況拉偏等方式,尋找系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)和失效方式的過程。只有識別和解決了故障機理,才能提升產(chǎn)品可靠性;壽命問題通常是產(chǎn)品隨著環(huán)境交變或者關鍵部組件的工作損耗導致的一種磨損或者退化的機制,工程上一般需要盡可能量化這些機制與時間相關的規(guī)律,通過設計裕度的保證降低失效發(fā)生的概率?？煽啃栽O計是在產(chǎn)品功能特性分析的基礎上開展保證產(chǎn)品可靠性所采取的冗余設計、降額設計和熱設計等措施,以及失效對功能和性能實現(xiàn)的影響;壽命分析則是分析產(chǎn)品設計壽命,識別決定其壽命的特性,如磨損、腐蝕、疲勞、最大應力、參數(shù)漂移、雜質、離子輻射反應及老化等的影響。為此,需要結合衛(wèi)星應用風險分析電推進系統(tǒng)設計各個環(huán)節(jié)故障發(fā)生的可能機理及對策。

故障模式的識別與設計是高可靠設計的基礎。以陰極為例,陰極失效故障往往是推力器的單點故障,其失效會導致推力器失效,甚至會影響到整星安全,因此陰極的正常工作是離子和霍爾推力器穩(wěn)定工作的前提,需要依據(jù)任務特點開展必要的冗余設計和可靠性設計,例如通過雙陰極方式或者交叉重組的方式重構中和效果,確保任務完成[3]。目前,國內對空心陰極的可靠性評估并未充分考慮產(chǎn)品的故障機理、生產(chǎn)工藝和材料升級,且缺少部分國產(chǎn)化材料器件的可靠性數(shù)據(jù)、多子樣篩選失效率數(shù)據(jù)、產(chǎn)品穩(wěn)定性數(shù)據(jù)等,難以表征產(chǎn)品真實的可靠性水平,理論可靠性與實際情況存在差異。

壽命評價方面大都基于拉偏試驗和仿真手段去識別產(chǎn)品的設計薄弱環(huán)節(jié),通過驗證試驗去覆蓋各種外界影響源對產(chǎn)品的影響。分析仿真和驗證應綜合考慮機械特性、電特性、力學特性及熱特性等關鍵特性。機械特性重點分析多余物、密封、配合尺寸鏈、材料表面粗糙度、摩擦、流量壓降、涂層/鍍層的表面質量、材料相容性、高功率電纜干涉等方面的特性;電特性重點分析開關特性、絕緣特性、防靜電損傷、安全間距、高壓焊點、電磁兼容性、空間特殊環(huán)境影響等方面的特性;力學特性重點分析模態(tài)、靜力學、動態(tài)響應、承壓能力、溫度降額、熱平衡,以及大功率應力敏感元器件層面的安裝粘固等特性。故障識別的技術手段往往需要結合產(chǎn)品關鍵特性涉及的功能模塊,以特性的失效模式為頂事件,采用故障樹分析(FTA)方法,從機械特性、電特性、力學特性、熱特性等多方面識別故障失效機理,改進設計,同時完善關鍵過程控制環(huán)節(jié)。

2.5 低成本設計和制造

由于衛(wèi)星的批量化需求,在電推進產(chǎn)品設計方面需要更側重于成熟組件的可靠集成設計和低成本組件的配套,同時通過加強仿真減少試驗驗證方面的投入。以OneWeb衛(wèi)星星座電推進系統(tǒng)為例,霍爾推力器的設計選用了Fakel目前最成熟的SPT系列推力器,可以滿足衛(wèi)星多任務變功率需求,且對外接口通用性很強,其機電熱接口兼容美國、歐洲的各主流衛(wèi)星平臺,能滿足衛(wèi)星用戶的快速定制需求。在系統(tǒng)集成能力方面,可以快速搭建測試聯(lián)試環(huán)境,供氣條件可以匹配多類熱節(jié)流器或比例閥流量控制器,供電條件可以適配多種電源模塊,系統(tǒng)聯(lián)試測試及自動判讀效率高。在可靠性方面,Fakel對其推力器產(chǎn)品的可靠性評估基于所有在軌及地面子樣的失效率數(shù)據(jù),即選擇總工作時間及開關機次數(shù)作為2個獨立的標準正態(tài)分布變量,這2個獨立變量的平方和服從自由度為2的卡方分布(Chi-square Distribution),基于該方法獲得了60%置信度下產(chǎn)品可靠度超過0.99。電源處理單元方面,為了達到低成本需求,OneWeb公司采用經(jīng)過篩選的COTS器件進行替代研制,在組件級實現(xiàn)功能模塊化設計的集成,然后將各個功能模塊分解給各自專業(yè)特長的配套廠家,對各功能模塊進行設計和實現(xiàn),在系統(tǒng)設計集成的同時縮減聯(lián)試測試成本,該電源處理單元目前能保證LEO衛(wèi)星設計壽命10年,價格實現(xiàn)了大幅度壓縮,且具有較高的可靠性。

目前,OneWeb公司的電推力器設計功率300W,實現(xiàn)比沖1200s,推力18mN,效率34%,質量1.32kg。電源處理單元輸入功率300W,一次母線電壓27～38V,遙測遙控接口為CAN總線或1553B總線。電源處理單元可以實現(xiàn)貯供子系統(tǒng)的壓力傳感器供電、壓力采集及氙氣供給單元閥門驅動等。供氣子系統(tǒng)采用氙氣瓶、壓力及流量調節(jié)模塊的一體化設計,其選用的流量控制模塊(如圖7所示)[10]產(chǎn)品質量僅為0.3kg,體現(xiàn)了較高的系統(tǒng)集成度和輕量化設計?？梢?基礎器件研制是實現(xiàn)低成本的核心,在完成器件級適應性設計、仿真和驗證后,對組件及整機的研制可以依據(jù)功能指標需求進行模塊化集成。

圖7 高成熟度流量控制組件Fig.7 High maturity level flow control component

低成本設計不僅需要在產(chǎn)品設計和制造上進行成本控制,也要在衛(wèi)星的系統(tǒng)集成制造方面進行設計。以SpaceX公司為代表的數(shù)字化工廠目前已經(jīng)實現(xiàn)了生產(chǎn)、集成和測試一體化功能,在數(shù)字定義的裝配線投產(chǎn)運營過程中引入了大量先進的增材制造、自主環(huán)境及專業(yè)測試設備,尤其在多層艙靈活載荷、重構天線、電推進系統(tǒng)等方面實現(xiàn)了短周期研制和低成本控制,在自動測試方面引入了人工智能(AI)技術,提升了測試的迭代效率及測試的準確性和全面性。目前,這些衛(wèi)星用于提供高速互聯(lián)網(wǎng)服務,得益于其制造和部署過程采用了許多高度自動化和標準化的方法,使得目前在軌快速部署衛(wèi)星數(shù)量超過3000顆,且制造成本得到很大的優(yōu)化。

3 啟示與建議

電推進技術在GEO和LEO通信衛(wèi)星的工程化應用上,除了要解決電推進單機自身的研制及成熟度問題外,還需要關注系統(tǒng)性設計難點。從系統(tǒng)設計角度來說,在GEO和LEO通信衛(wèi)星上的應用是有所區(qū)分的,GEO通信衛(wèi)星更多的是考慮系統(tǒng)兼容性,從任務匹配最優(yōu)的系統(tǒng)布局著手,其次是重點提升電推進系統(tǒng)的長壽命和高可靠性能;而LEO通信衛(wèi)星更多的是考慮成熟技術的移植和升級迭代,以及產(chǎn)品化的制造能力和效力。結合國內衛(wèi)星工程化特點,對電推進技術的發(fā)展建議如下。

(1)提升電推進多任務剖面的適配能力。工程上通過增加變推力比沖的多模式設計可以實現(xiàn)滿足衛(wèi)星快速入軌的能力,以及長期姿態(tài)調整能力。這不僅需要從產(chǎn)品在強磁約束調整、耐濺射柵極設計、高精度流量適配方面進行產(chǎn)品升級,還需要系統(tǒng)適配不同的布局調整和指向要求;采用多種布局約束下規(guī)范統(tǒng)一接口設計,以及控制軟件的任務可重構能力設計,對于在通信衛(wèi)星上應用尤其關鍵。

(2)提升電推進與整星匹配性設計能力。從系統(tǒng)設計角度來看,需要保證電推進工作的電氣特性與衛(wèi)星控制系統(tǒng)與能源系統(tǒng)相匹配,自主的控制算法可以保證電推進最優(yōu)的功率、效率分配和工作的穩(wěn)定性,以滿足衛(wèi)星軌道調整和姿態(tài)定位的要求。電源系統(tǒng)不僅要具備長期穩(wěn)定供電能力,還需要適當?shù)碾娐繁Ｗo機制以應對電推進閃爍、啟動瞬態(tài)的浪涌沖擊,同時兼顧高功率電源、推力器電磁輻射等電磁兼容性要求。

(3)提升電推進長壽命的地面測試和驗證能力。在工程試驗角度,可以通過強化元器件、原材料等在空間環(huán)境適應性方面的驗證水平,提升產(chǎn)品關鍵部組件的工藝實施及過程管控水平,保障產(chǎn)品狀態(tài)的穩(wěn)定性和一致性。

(4)提升電推進系統(tǒng)可靠性分析能力。從工程實現(xiàn)角度,通過在軌應用過程的關鍵特性及參數(shù)關聯(lián)性分析,形成一套自洽的電推進系統(tǒng)應用層面數(shù)據(jù)鏈的關聯(lián)分析體系,實現(xiàn)生產(chǎn)過程要素及測試過程的可測可控項目,提升對后續(xù)產(chǎn)品關鍵數(shù)據(jù)趨勢性、邏輯性、一致性的綜合分析能力,確保電推進技術規(guī)?；瘧冒踩?、可靠,這也是可持續(xù)實現(xiàn)系統(tǒng)可靠性分析的有效技術途徑。

(5)提升電推進產(chǎn)品制造的質量控制水平。制造產(chǎn)能是電推進技術在衛(wèi)星規(guī)?；占昂蛻玫那疤?成本控制是可持續(xù)發(fā)展的基礎,標準化體系是保障飛行基線的基石。只有完善產(chǎn)品保障體系,才能真正實現(xiàn)降本增效,提升質量管理效率,適應多樣化低成本衛(wèi)星任務發(fā)展需求。

電推進技術涉及多個交叉學科,系統(tǒng)集成度高,工業(yè)設計過程復雜,隨著電推進產(chǎn)品在設計、工藝、元器件和材料、生產(chǎn)過程控制、試驗驗證、產(chǎn)品保證、可靠性設計和驗證等方面的日趨成熟,依據(jù)衛(wèi)星任務剖面的定制化設計和技術迭代體系將更加健全。數(shù)字化設計、模塊化定制及自動化測試驗證、標準化質量管理體系等,是未來電推進技術在衛(wèi)星成熟應用的基礎。