基于T5离子推力器无拖曳飞行技术

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州空间技术物理研究所 作者:黄永杰

  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

图1 T5 离子推力器三栅和双栅设计

表1 T5 离子推力器性能参数

T5 离子推力器性能参数

3、结束语

  大气阻尼补偿系统在GOCE 卫星上的成功应用,使离子电推进作为航天器无拖曳控制推进系统的优势得到充分体现。以重力梯度测量卫星为代表的无拖曳控制航天器的发展和应用将成为新的空间技术发展趋势之一。在借鉴国外成功经验的基础上,结合科学探测规划目标,及早开展无拖曳控制离子电推进的研制。

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