电推进器在GEO静止卫星上的安装策略

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

  电推进器相对于化学推进器具有高比冲、小推力、长寿命、能重复启动和高的控制精度等优点而成为各国研究的热点。随着世界范围内电推进技术的蓬勃发展,电推进器已成为同步轨道(GEO)静止卫星的南北位置保持的标准配置。电推进器在卫星上的不同安装策略对电推进器与整星之间的兼容性有着重要影响,要保证电推进器与GEO 静止卫星集成后两者之间的可靠兼容。因此,研究电推进器在GEO静止卫星上的安装策略很有必要。本文研究了分别在三轴稳定卫星的太阳电池阵列上和卫星星体上安装电推进器时电推进器的安装布局,为GEO 静止卫星电推进器的安装布局提供解决策略,从而为卫星结构设计提供参考。

  国外GEO 静止卫星已经普遍采用电推进器作为南北位置保持的标准配置,目前中国正在做以电推进器作为GEO 静止卫星南北位置保持标配系统的总体方案。由于离子推进器和霍尔推进器优异的性能,使得两者分别在美国和俄罗斯得到重要应用。电推进器和一般常规的化学推进系统不同,普通化学推进系统是靠化学推进剂自身的燃烧反应获得能量以高速喷出产生推力,而电推进器的推进剂(惰性气体氙气Xe)自身并未产生能量,需要在卫星电源供电系统的支持下电离并加速喷出,形成推力。

  自旋稳定卫星的太阳电池安装在自身星体上,只有大约三分之一的太阳电池产生电功率,在这种结构配置下,每千克太阳电池阵仅能产生9 W 的电功率,卫星整体供电能力明显不足,因此发展了对太阳定向的帆板的自旋稳定卫星和三轴稳定卫星。其中,三轴稳定卫星已占据国内外卫星发展的主流,其对太阳定向的太阳帆板能连续不断地产生电功率,每千克太阳电池阵可以产生55~65 W 的电功率,整体供电能力明显提升。三轴稳定卫星的出现为电推进器在卫星上的安装集成提供了强大功率,从而使得电推进器得到了蓬勃发展。如20 cm 的LIPS-200 离子推进器输出推力40 mN, 需要1000 W 的功率供电,提供所需功率的三轴稳定卫星的太阳电池阵对太阳定向的部分大约占到了20 kg。

  电推进器在卫星上的不同安装策略对电推进器与整星之间的兼容性有着重要影响,要保证电推进器与GEO 静止卫星集成后两者之间的可靠兼容,同时,航天器表面充放电亦会由于电推进器合理的安装而得到抑制。因此,研究电推进器在GEO 静止卫星上的安装策略很有必要。本文研究了分别在三轴稳定卫星的太阳电池阵列上和卫星星体上安装电推进器时电推进器的安装布局,为GEO 静止卫星电推进器的安装布局提供解决策略,从而为卫星结构设计提供参考。

1、三轴稳定卫星太阳电池阵列上安装电推进器

  在三轴稳定卫星的太阳电池阵列上安装电推进器示意图见图1,这样的布局安装会使得电推进羽流污染沉积问题最小化。电推进器在卫星的南北两边的太阳电池阵列上均可安装。这样的安装布局可以使电推进器每天在一个节点工作,也可使其在每天的两个节点工作。可考虑将推进剂贮供系统和二次电源布局安装在太阳电池阵列的顶端, 在这种安装布局下,推进剂的管路、控制和供电电缆均不再需要通过太阳电池阵列和卫星星体之间的转动部分即可为电推进器工作提供所需推进剂和电力供给。

  该安装布局的优势在于在每颗卫星的单个太阳电池阵列上安装一台电推进器即可满足系统备份要求,大大减小了电推进系统的重量限制,在每个电池阵列上安装两台电推进器,而每两台电推进器需要一套单独的二次电源,这使得电推进系统重量大大增加。同时,在太阳电池阵列上安装布局电推进器, 不存在由于推进剂消耗引起的卫星质量不平衡的问题。电推进器的安装布局可以采用万向支架机构来实现抵消静态角误差和由于热效应引起的瞬态推力变化。

  SERT-1 航天器上安装了8 cm 的铯接触式离子推进器和10 cm 汞电子轰击式离子推进器各一台,其中铯推进器的设计工作性能为功率0.6 kW、推力5.6 mN、比冲8050 s,汞推进器的设计工作性能为功率1.4 kW、推力28 mN、比冲4900 s。两台电推进器对称安装在航天器的侧面可展开臂上(见图2)。

在三轴稳定卫星太阳电池阵列上安装布局电推进器示意图

图1 在三轴稳定卫星太阳电池阵列上安装布局电推进器示意图

图2 SERT-1 航天器太阳电池阵列上安装布局电推进器示意图

2、三轴稳定卫星星体上安装电推进器

  2.1、星体上电推进器布局

  GEO 静止三轴稳定卫星星体上安装电推进器布局如图3 所示,一般有两种位置,一种是电推进器安装在卫星背地面,另外一种是电推进器安装在南北面,这两种安装布局示意图如图4 所示,分别为BSS-601HP 平台[1]和Artemis 卫星。

在三轴稳定卫星星体上安装布局电推进器示意图

图3 在三轴稳定卫星星体上安装布局电推进器示意图

图4 卫星电推进器背地面和南北面安装布局示意图

  2.2、星体上电推进器安装角

  在三轴稳定卫星星体上安装电推进器避免了同太阳电池阵列的直接机械接口,但这要求卫星太阳电池阵列具有高的展弦比(即高纵横比),并且要保证电推进器向外倾斜,使得电推进羽流污染最小。当卫星太阳电池阵列转动到电推进器安装平面时,电推进羽流污染最严重。研究表明,为了减小电推进羽流污染,降低各种类型的电推进器的束流发散角,可以改善束流离子对航天器的污染程度,尤其能降低其对GEO 静止卫星太阳电池帆板的溅射污染。还可以选择电推进器的安装倾角,以降低电推进束流对航天器的污染程度,各种类型的电推进器在卫星星体上的安装布局均应保证电推进羽流视场不会直接碰撞到航天器部件,从而有效减小电推进羽流污染。对于南北位置保持用离子推进器的安装倾斜角至少等于或大于30°,先进的肼电弧推进器安装倾角为17°,霍尔推进器安装倾角为45°,脉冲等离子体推进器安装倾角为40°。对于离子推进器,可在离子推进器的出口安装一个束屏蔽罩。深空一号航天器上安装的离子推进器安装在了-Z 面上,其轴线与航天器的-Z 轴重合,这样的布局安装与深空一号的使命有关,深空一号是用来对1992KD 小行星和107PBorreiiy 及19PWilson-Harrington 彗星进行深空探测的一颗航天器。离子推进器安装在了一个屏蔽罩环内( 见图5),屏蔽罩主要用来加装热控组件和阻挡交换电荷离子。

离子推进器在深空一号上的布局图

图5 离子推进器在深空一号上的布局图

  由于电推进器安装的倾斜角,从而使得电推进器工作时产生的推力在垂直轨道面和轨道面内卫星运动法线方向存在分量。其中轨道面内法向分量会造成卫星轨道偏心率漂移,升降交点对称工作也正好抵消(真近点角相差180°)偏心率漂移影响。GEO 静止卫星应用电推进系统作为南北位置保持时选用的标准配置为4 台电推进器、2 台电源处理单元(PPU)、1 套推进剂贮供子系统、1 台控制单元等,系统是全冗余备份系统,可靠性较高。

  2.3、星体上电推进器安装位置

  电推进器是应当安装在包含卫星—地球矢径的平面(即俯仰—偏航轴面平面,它产生径向推力分量)内,还是应当安装在与它垂直的平面(即俯仰—滚动轴平面,它产生周向推力分量)内。这两种安装方式之间的主要不同在于由于推力矢量的角误差、推力的变化和推进器的失效对轨道造成的干扰。一般情况下,南北推力器组(对)安装在卫星的俯仰—偏航平面内。由于电推进器推力矢量角误差和推力大小的变化造成的轨道干扰可以忽略不计。同时,由于电推进器的失效(一台电推进器失效,在卫星南面或背面的两台电推进器中只有一台可以工作)造成的轨道干扰也可以忽略。而当电推进器安装在俯仰—滚动轴平面内,由于上述原因造成的轨道干扰很大甚至是不可接受的,必须消耗化学推进器对轨道干扰进行消除。因此,电推进器应当安装在俯仰—偏航轴平面内,这样安装布局提供了较大的冗余备份,还减少了化学推进剂的消耗量。

3、结论

  电推进器已经成为GEO 静止卫星南北位置保持的标准配置,三轴稳定卫星由于整个太阳电池阵列在整个时间内均有效,因此在提供电推进器和有效载荷功率方面更加容易,而且能以较少的成本提供所需的功率。各种类型的电推进器在卫星星体上的安装布局均应保证电推进羽流视场不会直接碰撞到航天器部件,从而有效减小电推进羽流污染。自旋稳定卫星太阳电池阵列上安装电推进器,会经常改变电推进器和卫星星体坐标之间的关系,但如此安装布局的电推进系统安装布局简单、系统重量较轻,但实际上排除了电推进器在GEO 静止卫星除南北位置保持功能以外的其它推进用途。最后,电推进器应当安装在俯仰—偏航轴平面内,这样安装布局提供了较大的冗余备份,还减少了化学推进剂的消耗量。

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