电推进轨道转移效益与风险

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

  电推进作为一种先进的推进技术,具有比冲高的突出优势,是提升卫星性能的重要技术,在国外高轨军事卫星平台和商业卫星平台上均得到了广泛应用。当前我国已突破电推进单机技术,并得到在轨飞行验证。随着电推进单机技术和应用技术成熟,电推进任务正逐步深化。国外在使用电推进完成静止轨道南北位保的基础上,已逐步深化至使用电推进实施轨道转移。但是电推进实施轨道转移效益与风险并存。首先定量分析电推进实施轨道转移的效益,然后给出电推进轨道转移的风险,最后给出电推进轨道转移在我国航天应用的建议。

  引言

  电推进作为一种先进的推进技术,具有比冲高的突出优势。例如离子型电推进系统比冲可达3 000 s,霍尔型电推进系统可达1 600 s;而化学推进的比冲一般为3 00 s左右。高比冲可以带来三个相互联系的效益:

  (1)延长工作寿命,在运载和填装推进剂量不变的情况下,应用高比冲电推进节省的推进剂消耗量可以延长卫星服役寿命;

  (2)增加有效载荷,在运载条件和使命需要的速度增量不变的情况下,应用高比冲电推进可以减少推进剂需求量,这些节省的推进剂质量可以用于增加航天器的有效载荷;

  (3)减轻发射重量,在最终送入工作轨道航天器质量和使命需要的速度增量不变的情况下,应用高比冲电推进节省的推进剂消耗量使得航天器发射重量能够减轻,从而降低发射成本。

  鉴于上述优点,电推进在国际先进卫星上得到广泛的应用,BSS-702、LS-1300、A2100、E3000、SB4000和AlphaBus等国际主流高轨卫星平台均配置电推进系统,其中美国BSS-702HP平台已实现了100%使用电推进。在美国“宽带、窄带、抗干扰和中继”四大军事卫星通信体系中,最新部署的“宽带”和“抗干扰”卫星均使用电推进。国内在2008年中国空间技术研究院通信卫星平台发展途径规划中,明确提出了下一代通信卫星平台必须使用电推进技术。

  电推进系统技术复杂,并且又承担至关重要的推进任务。国外在电推进应用方面均采取了较为谨慎的路线。总体而言,在承担的任务方面由单一到多样,在应用的复杂性方面由简单到复杂。无论是任务还是应用,升级换代的核心是确保应用可靠。针对上述问题,从效益和风险分析的角度对电推进轨道转移这一深化应用进行分析,进而给出电推进轨道转移在我国航天器应用上的建议。

  1、国内外研究与应用现状

  1.1、电推进发展历程

  分析国外高轨卫星平台电推进应用历程可以看出,电推进的应用可分为在轨试验、南北位保、位保+部分轨道转移、位保+全部轨道转移等四个阶段。这四个阶段电推进在轨任务逐渐增强,应用逐渐复杂。电推进在轨任务的增强也是伴随着电推力器产品性能的提升。

  第一阶段:在轨试验阶段。验证电推进的在轨性能、在轨任务等仍全部或部分由化学推进完成。早在20世纪60年代,美国和俄罗斯就开展了电推进在轨试验。比如美国波音公司(时为休斯公司)在1968年就开始在HS-306平台的ATS-4和ATS-5卫星上进行电推进应用试验,取得了成功;

  第二阶段:完成卫星平台的南北位保任务。从90年代末开始,电推进逐渐被商业卫星用于南北位保。南北位保任务单一、应用较为简单,而应用效益相对可观,推进剂(含化学推进系统和电推进系统)所占比例可以降低约10%。国外的BSS-601、E3000、LS1300、SB4000、Alphabus 等现役卫星平台均使用电推进完成南北位保任务。当前,南北位保仍然是高轨商业卫星使用最多的方式。对于南北位保任务,典型的电推力器包括XIPS-13离子推力器和SPT-100霍尔推力器,电推进工作功率为1 000 W量级;

  第三阶段:在轨位保+部分轨道转移任务。在南北位保任务的基础上,电推进还完成部分轨道转移的任务,轨道转移主要为轨道转移最后阶段的轨道提升。利用电推进完成轨道转移,进一步增加了电推进的任务量,从而也进一步节省推进剂,提高卫星性能。与此对应的设计和应用复杂程度也相应提高。BSS-702HP平台、A2100M平台(AEHF卫星基于该平台)均已使用电推进进行轨道转移。此阶段电推进工作达到或接近10 000 W量级,一般使用2台5 000 W量级的推力器同时工作实现;

  第四阶段:位保+全部轨道转移,即全电推进卫星。卫星取消了复杂的双组元化学推进系统,采用高比冲的电推进系统完成卫星的全部轨道转移、在轨位置保持、姿态控制及离轨等任务。美国波音公司2013年3月推出的BSS-702SP平台就是此类用法。德国OHB公司、美国轨道科学公司、欧洲泰雷兹·阿莱尼亚航天公司近期也相继推出各自的全电推卫星平台。

  1.2、电推进轨道转移应用现状

  从电推进发展历程可以看出,在以南北位保为代表的电推进初期在轨应用技术稳定后,电推进实施轨道转移是其深化应用的主要途径。然而正如后续分析,电推进轨道转移对大系统、整星、分系统等各个层面均提出使用需求,这使得设计和应用风险较高。为此,各卫星研制商在电推进轨道转移应用的步调并不一致。当前国际上地球同步轨道卫星电推进实施轨道转移情况统计如下表1所列。

表1 地球同步轨道卫星电推进实施轨道转移情况统计

地球同步轨道卫星电推进实施轨道转移情况统计

  美国波音公司和洛克西德马丁在电推进轨道转移应用方面较为迅速。美国波音公司在其BSS-601平台使用电推进南北位保的基础上,在紧随其后的BSS-702HP平台上就把电推进任务扩展到完成部分轨道转移任务(变轨最后阶段的轨道圆化)。应用近15年后,又推出了全电推平台BSS-702SP。洛克西德马丁公司在使用电弧型电推进获得成功后,在其基于A2100M平台的AEHF卫星(先机极高频卫星)上使用4台霍尔型电推力器完成轨道转移和在轨位保。2010年8月,第一颗先机极高频卫星AEHF-1在卫星远地点发动机失效的情况下,使用电推进成功实现卫星救援,并获得成功,成为当年航天领域的大事之一。随后的AEHF-2、AEHF-3等均把电推进轨道转移作为标准应用。

  然而,欧洲在电推进轨道转移应用方面采取了相对较为保守的路线。欧洲空中客车集团(原阿斯特留姆公司母公司)和法国泰雷兹·阿莱尼亚公司在21世纪初各自成功实现了电推进南北位保后,在联合研制的欧洲当前最先进在役静止轨道卫星AlphaBus 平台上,仍然采取了“低风险路线”的策略,仍使用电推进完成南北位保任务。

  4、电推进轨道转移风险分析

  从大系统、整星和分系统三个层面分析电推进轨道转移的风险,在设计中该风险可转化为电推进轨道转移设计约束。

  4.1、大系统风险

  由于电推进推力较小,使用电推进变轨时的一个特点是变轨时间长。由此带来三个方面的约束:

  (1)空间辐射影响风险。地球辐射带的高能粒子会影响太阳电池阵使得卫星能源供给能力降低。地球辐射带分为内辐射带和外辐射带。地球内辐射带高度为600~10 000 km,中心位置高度为3 000~5 000 km,在南北纬40°以内。内辐射带主要由质子和电子组成,另有少量的重离子。地球外辐射带高度为10 000~60 000 km,中心位置高度为20 000~25 000 km,在南北纬70°以内。外辐射带主要由电子组成,另有一些能量较低的质子。内辐射带能量更高,质子的能量从几十千电子伏到几百兆电子伏,相应的影响更大。内辐射带是GTO至GEO经历的区域,也是设计重要分析的方面。使用远地点发动机变轨时,卫星由GTO至GEO的变轨时间一般小于一周;而对于电推进变轨,变轨时间长达几个月,甚至半年,由此带来空间辐照的影响是系统设计中必须解决的一个问题。根据电推变轨过程进行仿真分析,结果表明在GTO至GEO转移轨道运行半年的总辐射剂量最高达到相当于GEO轨道运行半年总辐射剂量的约5倍;

  (2)安全性降低风险。电推进变轨一般采用超同步轨道,此时卫星轨道演变过程为远地点高度逐渐降低,近地点高度逐渐抬高。这导致卫星将频繁穿越静止轨道。此时,卫星与轨道上已有的卫星,尤其是未知的卫星、碎片等碰撞的几率增加。由此增加了卫星变轨过程中的风险;

  (3)轨道转移成本增大风险。长时间变轨产生的成本代价,包括地面测控站费用、晚入轨而产生的利息、保险费用增加等。

  4.2、整星风险

  电推进发动机虽具有高比冲的优点,但其推力很小,单台发动机推力在百毫牛量级,GTO向GEO的变轨飞行时间长达半年甚至更多(根据实际推力加速度不同而不同),使得常规的基于远地点发动机的变轨策略不再适用。小推力变轨当前还是航天动力学领域的一个研究热点,其目前研究状态可简单概括为“理论完整,求解不易,工程实施难”。体现在卫星设计和研制方面,主要体现在三个方面:第一方面,星上控制系统需要具备同时保证太阳翼对日指向(保证星上能源)、点火姿态(保证轨道控制效果)等的能力;第二方面,变轨过程必须自主,电推进需要长期(几十天至上百天)点火,如此长的飞行期间内若仍采取常规地面控制为主的飞行控制手段,需要耗费大量的人力物力资源;第三方面,星上设备适应超同步轨道要求,比如地敏视场必须适应超同步轨道要求。

  卫星热控风险。电推进长时间点火,以电推进10 000 W功率点火计算,电推进工作时星内供电设备散热超过500 W,整星需要具备相应的热控能力。此外,卫星长期处于GTO+轨道,整星需要具备相应的热控手段保证星上载荷等设备的安全。在整星设计方面,还涉及大功率电推进应用产生的高电压、大电流等带来的元器件和原材料方面的难题。

  4.3、电推进系统风险

  电推进实施轨道转移后,电推进系统研制将存在两方面的风险。

  第一方面:电推进系统需要具备多模式工作的能力。电推进应同时适应轨道转移和在轨位保的能力。两种任务对电推进需求不同,轨道转移对推力要求相对较高,而在轨位保对比冲要求相对较高。一般任务,对于轨道转移任务,电推进工作功率一般应达到万瓦级。

  第二方面:电推进系统寿命验证要求。国外电推进在轨故障表明,电推进系统在轨故障主要体现在系统寿命能力方面。电推进实施在轨位保和轨道转移后,系统工作时间大幅延长,达到上万小时的量级,相应地寿命验证难度较大。需要综合降低技术风险、优化试验成本和周期、降低试验条件保障等多方面因素设计出寿命验证方案。

  5、小结

  电推进轨道转移,可以较大幅度的增加载荷承载能力或者降低发射重量,但是电推进轨道对大系统、卫星设计、单机设计方面均提出了新的需求。针对电推进实施轨道转移效益和风险并存的实际状况,建议我国首先在高轨卫星上实现南北位置保持,积累电推进工程应用基础;在此基础上,深化电推进设计和应用研究,扩展至电推进和化学推进联合变轨,并逐步实现包括在轨位置保持、GTO 至GEO轨道全部轨道转移等在内的全电推型应用。

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