基于T5离子推力器无拖曳飞行技术

2014-11-17 黄永杰兰州空间技术物理研究所

　　GOCE是世界上首次应用无拖曳飞行技术的科学测量卫星，用于测量地球重力场和稳态海洋环流。大气阻尼补偿系统是实现无拖曳飞行的重要技术支撑，其核心单元是T5 离子推力器。基于T5 离子推力器无拖曳飞行，论述了从入轨测试到执行任务的技术特点、运行及性能。并对T5 离子推力器在大气阻尼补偿系统中的应用做了总结，提出了离子推力器发展应用的建议。

　　引言

　　航天器的无拖曳飞行需要高精度地控制推力输出，对推力控制系统提出了很高的要求。航天器的阻尼补偿是利用推力控制系统消除全部的非重力扰动力，从而使卫星实现无拖曳飞行，即沿纯粹重力轨道做自由落体运动。一般情况下卫星在轨运行受到众多扰动因素影响，对于低轨道卫星受到的主要扰动为大气阻尼，其他因素包括地球磁场效应、太阳辐照产生的光压或力矩以及季节变化和昼夜交替等。

　　电推进系统(IPA)是卫星实现无拖曳飞行的主要手段，为无拖曳飞行卫星提供了低扰动的环境。通过合理设计实现了除重力之外，对其他作用力的高度解耦。离子推力器具有高比冲、长寿命等特点，并能够节约推进剂。离子推力器推力的精确可调节特点，是最适宜于在卫星阻尼补偿中应用。阻尼补偿要求IPA具有快速响应、宽范围高分辨率推力调节和低推力噪声的特点，因此真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为传统的化学发动机无法满足要求。

　　GOCE卫星是欧空局(ESA)于2009年3月发射的地球重力场科学测量卫星。能够测量地球重力场和稳态海洋环流，并提供高精度和高分辨率的地球重力场和大地水准面模型。由于GOCE卫星的飞行轨道为近似圆形的太阳同步轨道，高度约为250 km，这导致卫星受到的大气阻尼在一个绕轨飞行内有很大的变化范围。

1、T5离子电推进无拖曳的应用

　　英国的T5离子推力器应用于GOCE卫星的非保守力补偿，该推力器的主要性能特征包括：(1)高比冲3 000 s;(2)推力调节范围大0.6～20.6 mN;(3)稳态工作条件下推力矢量稳定度高±0.02°;(4)推力噪声小。

　　GOCE卫星总共搭载了两套IPA作为主备份，分别为主系统A和备份系统B。在整个任务运行过程中，除了在试车阶段启动B系统，其余工作时间只启动A系统。总系统包括2台T5离子推力器(ITA)、2套控制系统(IPCU)、2套氙气比例供给系统(PXFA)和1个氙气罐(XST)。以下分别从系统组成、入轨测试以及工作运行等方面对该推力器进行总结。

　　1.1、系统组成

　　英国对离子电推进的研究开始于1967年，主要是Kaufman型离子推力器，研发离子推力器主要以通信卫星的南北位保和飞行IPA为应用目标。英国QinetiQ公司针对重力测量卫星大气阻尼补偿的应用需求，从上世纪90 年代末开始，在QinetiQT5mkV推力器基础上发展了推力可连续精细调节的离子推力器。其推力调节范围可以稳定实现0.6～20.6 mN之间，最佳工作点处的比冲3 500 s。研制初期，推力器的栅极系统为钼材质的三栅极结构，后来针对GOCE卫星应用，研制了C/C材料加速栅的双栅结构，如图1所示。T5离子推力器设计为发散场，磁场源为6个螺线管电磁铁。栅极口径为10 cm，离子光学系统由屏栅和加速栅组成。考虑到任务对推力器性能和寿命的要求，对栅极进行了优化设计：加速栅采用抗溅射的石墨材料;屏栅为冲压和热处理的钼材料;空心阴极为3 mm钡钨阴极，推力器性能参数如表1所列。

T5 离子推力器三栅和双栅设计