基于LIPS-200电推进系统在GEO卫星平台上的布局研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国空间技术研究院 作者:刘坤

  根据基于LIPS-200电推进系统组成和主要技术指标,结合平台构型和约束条件,通过分析研究确定了一种用于南北位置保持、可根据有效载荷承载需求进行选配的布局方案。该方案满足设备安装、管路焊接、热控实施、系统检漏、地面测试等方面的要求,并在平台初样电性星和结构星上进行了验证。理论计算表明,在卫星起飞质量、服务寿命不变的情况下,配置电推进系统时平台的有效载荷承载质量可提高约42.8%,因此具有良好的经济效益。

引言

  自1906年电推进概念的提出至上世纪90年代成功应用于地球同步轨道(GEO)卫星的南北位置保持以来,电推进技术已成为提高长寿命GEO卫星有效载荷承载能力最有效的手段之一。目前世界各大卫星制造商均为其GEO卫星平台配置了不同形式的电推进系统,如波音公司的BSS-601HP、BSS-702采用了氙离子电推进系统(XIPS),劳拉公司的LS-1300平台、TAS公司的SB4000平台、Astri鄄um公司的E3000平台均配置了稳态等离子电推进系统(SPT)等。

  基于LIPS-200电推力器的电推进系统专门针对GEO卫星的南北位置保持研制,其中推力器的额定推力为40mN,比冲为3000s,设计寿命能够达到12000h以上,开关次数不小于6000次,束流发散全角约为30毅(90%束流产物的发散角为26.8毅、95%束流产物的发散角为30.7°);电源处理单元的输入功率为1300W,转换效率90%。通过介绍该电推进系统在GEO卫星平台(简称“平台冶)上的布局研究,在该平台中电推进系统为可选配置,即能够根据有效载荷承载的需要进行选配,但无论配置与否平台的设备布局和结构图纸均无需变化,因此具有很强的任务适应性和良好的经济效益。

1、系统组成

  为适应GEO卫星南北位置保持的任务需求,科研人员对基于LIPS-200电推力器的电推进系统拓扑结构进行了一系列研究,其中文献给出了六种系统组成方案的比较分析,文献则给出了更为详细的工质、能量和信息拓扑结构。在应用于平台时,电推进系统的拓扑结构在文献[3]基础上进行了细化调整,其中推进剂贮存模块(PSM)由2个状态完全相同的氙气瓶(Xe1、Xe2)组成,方便气瓶安装实施和卫星质心控制;原拓扑结构中的两个功率切换开关(SW1、SW2)分别集成到了对应的电源处理单元(PPU1、PPU2)中,如图1所示。

电推进系统原理组成

图1 电推进系统原理组成

  系统工作时,压力调节模块(PRM)把氙气瓶中的压力调节到流量控制模块(FCM)入口处的额定工作压力,流量控制模块向对应的电推力器(ET)提供3路(阴极、阳极、中和器)特定流率的氙气,电推力器完成电能到机械能的转换;推力矢量调节机构(TOM)为辅助装置,用于调节电推力器的推力方向,确保南北位保时的推力通过卫星质心,从而降低对卫星姿态的干扰,推力矢量调节机构可根据需要为每台电推力器单独配置或每组电推力器共用一个;接口与控制模块(ICM)按照逻辑时序控制PPU、PRM、FCM、TOM的工作过程,并提供与整星的遥测、遥控接口,ICM可作为独立的单机设备或根据需要集成到其它仪器设备中。

2、布局方案

  2.1、平台概况

  平台采用中心承力筒结构,由服务舱、推进舱、载荷舱三个舱段组成,本体尺寸为2360mm(X)×2100mm(Y)×3100mm(Z),具体结构如图2所示。

平台结构组成示意图

图2 平台结构组成示意图

1.东板;2.服务舱北板;3.载荷舱;4.西板;5.服务舱南板;6.推进舱

  2.2、布局原则

  电推进系统的引入与平台各分系统都直接相关,包括结构形式的改变、功率需求的变化、控制策略的调整等,并影响着平台的电场、磁场和接地。作为平台南北位置保持的可选配置,在进行LIPS-200电推进系统布局设计时应遵循以下基本原则:

  (1)南北位保的效率尽可能高,以减小工质的携带量;

  (2)南北位保时的干扰力和干扰力矩尽可能小,以保证位保期间卫星的姿态和轨道满足指标要求;

  (3)南北位保和东西位保的耦合尽可能小,以减少额外的推进剂消耗;

  (4)电推力器的羽流、热流对星外设备的影响在可接受的范围内;

  (5)氙气瓶的安装位置应具有良好的刚度和强度,且随着氙气消耗引起的卫星质心变化不能过大,以免给矢量调节机构的设计带来难度并增加推进剂消耗;

  (6)尽量减少电推进与化学推进管路之间的耦合,便于各自的总装、测试和维护;

  (7)满足电推进系统各部件的控温与散热需求;

  (8)无论平台配置电推进系统与否,平台结构和其它分系统的设备布局尽量保持不变,且平台横向质心变化量尽可能小,以降低配重需求;

  (9)与运载整流罩包络相容。

  以上基本原则中,5项(第1、2、3、4、9项)与电推力器的布局密切相关,而且电推力器的布局关系着太阳翼的选型(功率需求相关)、氙气瓶的容量(工质需求相关)、控制分系统的配置(应用策略相关)、平台的结构设计(结构构型、刚度强度相关),因此在进行电推进系统布局时应首先确定电推力器的布局。

4、结论

  根据LIPS-200电推进系统的组成、任务使命和约束条件,对其在平台中的布局进行了分析论证,确定了最终方案,并在平台初样电性星、结构星上进行了验证。结果表明,该布局方案合理可行,满足设备安装、管路焊接、热控实施、系统检漏、地面测试等方面的要求,并随平台通过了鉴定级力学环境试验。理论计算表明,在起飞质量、服务寿命不变的情况下,配置电推进系统后平台的有效载荷承载质量能够提高42.8%,因此具有良好的经济效益。

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