超大型航天器应用电推进系统方案设计

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

  超大型航天器运行在(393±10)公里的近地轨道上,由于受到大气阻尼的减速作用,需要对超大型航天器实施轨道维持。LHT-100 霍尔电推进系统是一种可用于超大型航天器轨道维持的高比冲小推力的电推进装置,采用电推进系统,超大型航天器年推进剂需求量可以降低到400kg 以下,并需要对载有航天员的超大型航天器的安全性和可靠性进行评估。本文提出了超大型航天器轨道维持霍尔电推进系统方案设计,对霍尔推力器和贮气单元气瓶组件在轨可置换性进行了分析,最后对其可靠性和安全性进行了设计与分析,为我国超大型航天器采用LHT-100 霍尔电推进系统进行轨道维持开展系统产品研制奠定了坚实的基础。

  目前,世界各国均研制出了成熟的霍尔推力器产品。俄罗斯Fakel EDB 设计的SPT-50、SPT-70和SPT-100,欧洲SNECMA 研制的PPS-1350、PPS1350-G,美国Busek 公司研制的BHT-200。AFRL和Busek 成功完成了IHPRPT Phase II 的演示。1976 年,稳态等离子体推力器首次应用于地球同步轨道卫星的东西位置保持和重新定位。此后,各种性能优异的稳态等离子体推力器先后用于Potok、Louch、EXPRESS、EXPRESS-A 等一系列卫星的位置保持、姿态控制、倾角修正及重新定位等任务。

  稳态等离子体推力器是目前技术非常成熟且应用比较广泛的电推力器。它可以用来提供卫星位置保持、姿态控制等在轨任务所需动力,可以用来取代低比冲的化学推进方式。稳态等离子体推力器功率范围为50 W~50 kW,相应的推力可以达到5~1500 mN,比冲可以达到500~1800 s,效率可以达到50%以上,并且可以长期稳定工作。

  相对于离子推力器,稳态等离子体推力器可以摆脱空间电荷的限制,能够产生更高的推力密度。不同功率级别的稳态等离子体推力器安装在各种用途航天器上,体现出了其在航天应用广泛的特点。大比冲的霍尔推力器可以成为深空探测和星际航行的高效动力装置。因此,使用霍尔推力器不仅在能源供给时可以减少系统的体积和重量,而且还可以减少所需携带的推进剂的质量,可以提高卫星的实际有效载荷,降低发射费用。兰州空间技术物理研究所研制的LHT-100 霍尔推力器口径100 mm,具有较高的推力效率(~50%)、比冲可达1600 s ,LHT-100 霍尔推力器可以广泛应用于地球同步轨道卫星的南北位置保持、东西位置保持及轨道转移,并在低轨道大型航天器轨道维持应用及深空探测主推进应用领域前景广阔。

  超大型航天器运行在393±10 公里的近地轨道上,由于受到大气阻尼的减速作用,为实现超大型航天器工作轨道高度的保持,超大型航天器上必须要有轨道维持的推进系统。如果采用化学推进系统完成大气阻尼补偿推进任务,每年需要的推进剂重量接近2 t,由此,给超大型航天器带来的很高的补给压力,同时补给会造成很高的运行成本。因此,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为采用高比冲的电推进系统是更好的技术解决方案,分析表明,若采用电推进系统,超大型航天器年推进剂需求量可以降低到400 kg 以下。

  本文首先进行了超大型航天器电推进系统的方案设计,明确了超大型航天器LHT-100 霍尔电推进系统组成方案,并结合超大型航天器实际应用对霍尔电推进系统进行了关键技术分析,最后对电推进系统的可靠性和安全性进行了设计与分析,为我国超大型航天器霍尔电推进系统产品研制工作奠定了坚实的基础。

1、系统方案设计

  1.1、系统组成

  单台LHT-100 霍尔推力器的推力为80 mN,完成轨道维持任务需要两台推力器同时工作才能满足超大型航天器轨道维持要求。另外考虑工作推力器的轴对称要求和可靠性备份要求后,至少需要四台推力器组成系统。图1 是超大型航天器霍尔电推进系统组成方案,LHT-100 霍尔电推进系统由2 台控制单元、1 台贮气单元、1 台推进剂供给单元(内含1 台调压模块和4 台流量调节模块)、4 台电源处理单元(内含滤波模块)、4 台霍尔推力器和4 台推力器在轨适配器组成。LHT-100 霍尔推力器和推力器在轨适配器布局在舱外,其余各设备均布局在舱内。系统接口示意图见图2。

超大型航天器LHT-100 霍尔电推进系统组成方案

图1 超大型航天器LHT-100 霍尔电推进系统组成方案

超大型航天器霍尔电推进系统接口示意图

图2 超大型航天器霍尔电推进系统接口示意图

  电推进系统配置1 台贮气单元(内含2 台气瓶),负责存贮推进剂工质,考虑电推进系统的推进剂补加需求,电推进系统贮气单元放置在超大型航天器的密封舱内,通过穿舱气路供给舱外的推力器工作。电推进系统配置2 个控制单元,其中控制单元1 布置在非密封舱中,负责电推进系统与超大型航天器平台的供电和信息接口,并负责非密封舱内外设备的控制、用电分配以及系统参数采集;控制单元2 布置在密封舱内,负责贮气单元的控制、用电分配及参数采集任务,控制单元2 通过穿舱电缆与控制单元1 进行供电和数据通信,与超大型航天器平台无电接口。电推进系统的系统参数由控制单元1 汇总后,传输至超大型航天器平台,最终实现参数的下行。电推进系统配置4 个电源处理单元(PPU),布置在非密封舱内,负责为电推力器供电,电源处理单元与超大型航天器平台无电接口,其上游供电由控制单元1 分配。推进剂供给单元布置在非密封舱内,负责推进剂的压力和流量调节,接收控制单元1 的控制指令,将推进剂以规定的流量供给对应的霍尔推力器。电推进系统配置4 台推力器和4 台推力器在轨适配器,正常工作时为两台推力器点火工作。推力器1# 和推力器3# 为主份推力器, 推力器2# 和推力器4# 为备份推力器。电源处理单元与推力器一一对应。主份推力器故障时,可以启动备份推力器及对应的电源处理单元工作。超大型航天器霍尔电推进系统霍尔推力器和贮气单元气瓶组件具备在轨可置换接口,以保证霍尔电推进系统具有在轨工作10 年以上的能力。

  1.2、系统布局方案

  超大型航天器密封舱内提供贮气单元气瓶组件的安装位置,采用支架固定连接方式,暂定采用两个卡箍进行固定。贮气单元设计需保证电推进系统总漏率不大于1×10-5 Pa·m3/s。(工作压力下He 气检漏)。超大型航天器平台为电推进系统在非密封舱内,提供1 个推进剂供给单元的安装位置,推进剂供给单元在靠近密封舱内贮气单元的位置布置。超大型航天器平台为电推进系统在非密封舱内,提供4 个电源处理单元的安装位置。根据电推力器的舱外布局,两台电源处理单元在非密封舱内靠近I 象限位置布置,另两台在非密封舱内靠近III 象限位置布置。超大型航天器平台为电推进系统在非密封舱内,提供1 个控制单元1 的安装位置。控制单元1 靠近推进剂供给单元布置。超大型航天器平台为电推进系统在非密封舱靠近贮气单元位置附近,提供1个控制单元2 的安装位置。超大型航天器平台为电推进系统在舱壁上提供4 个霍尔推力器的安装位置。推力器通过在轨适配器与超大型航天器平台安装,推力器在轨适配器确保霍尔推力器在非密封舱外最大外包络满足超大型航天器系统与运载火箭系统确定的约束。最终实现推力器的推力矢量方向过舱体轴线,与舱体轴线夹角45°,霍尔推力器通过在轨适配器实现在轨更换。

4、结论

  作为先进的空间推进技术,霍尔电推进系统在空间推进方面的应用得到了加速发展。随着我国超大型航天器轨道维持使命的需求,我国的霍尔电推进工程产品研制正在提上日程。

  本文基于兰州空间技术物理研究所研制的LHT-100 霍尔电推进系统,提出了超大型航天器轨道维持应用霍尔电推进系统方案设计,并对霍尔推力器和贮气单元气瓶组件在轨置换进行了方案设计,最后对电推进系统的可靠性和安全性进行了设计与分析, 为我国超大型航天器LHT-100 霍尔电推进系统产品研制奠定了坚实的基础。

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