基于T5離子推力器無拖曳飛行技術

2014-11-17 黃永杰 蘭州空間技術物理研究所

　　GOCE是世界上首次應用無拖曳飛行技術的科學測量衛(wèi)星，用于測量地球重力場和穩(wěn)態(tài)海洋環(huán)流。大氣阻尼補償系統(tǒng)是實現(xiàn)無拖曳飛行的重要技術支撐，其核心單元是T5 離子推力器。基于T5 離子推力器無拖曳飛行，論述了從入軌測試到執(zhí)行任務的技術特點、運行及性能。并對T5 離子推力器在大氣阻尼補償系統(tǒng)中的應用做了總結，提出了離子推力器發(fā)展應用的建議。

　　引言

　　航天器的無拖曳飛行需要高精度地控制推力輸出，對推力控制系統(tǒng)提出了很高的要求。航天器的阻尼補償是利用推力控制系統(tǒng)消除全部的非重力擾動力，從而使衛(wèi)星實現(xiàn)無拖曳飛行，即沿純粹重力軌道做自由落體運動。一般情況下衛(wèi)星在軌運行受到眾多擾動因素影響，對于低軌道衛(wèi)星受到的主要擾動為大氣阻尼，其他因素包括地球磁場效應、太陽輻照產(chǎn)生的光壓或力矩以及季節(jié)變化和晝夜交替等。

　　電推進系統(tǒng)(IPA)是衛(wèi)星實現(xiàn)無拖曳飛行的主要手段，為無拖曳飛行衛(wèi)星提供了低擾動的環(huán)境。通過合理設計實現(xiàn)了除重力之外，對其他作用力的高度解耦。離子推力器具有高比沖、長壽命等特點，并能夠節(jié)約推進劑。離子推力器推力的精確可調(diào)節(jié)特點，是最適宜于在衛(wèi)星阻尼補償中應用。阻尼補償要求IPA具有快速響應、寬范圍高分辨率推力調(diào)節(jié)和低推力噪聲的特點，因此真空技術網(wǎng)(http://m.genius-power.com/)認為傳統(tǒng)的化學發(fā)動機無法滿足要求。

　　GOCE衛(wèi)星是歐空局(ESA)于2009年3月發(fā)射的地球重力場科學測量衛(wèi)星。能夠測量地球重力場和穩(wěn)態(tài)海洋環(huán)流，并提供高精度和高分辨率的地球重力場和大地水準面模型。由于GOCE衛(wèi)星的飛行軌道為近似圓形的太陽同步軌道，高度約為250 km，這導致衛(wèi)星受到的大氣阻尼在一個繞軌飛行內(nèi)有很大的變化范圍。

1、T5離子電推進無拖曳的應用

　　英國的T5離子推力器應用于GOCE衛(wèi)星的非保守力補償，該推力器的主要性能特征包括：(1)高比沖3 000 s;(2)推力調(diào)節(jié)范圍大0.6～20.6 mN;(3)穩(wěn)態(tài)工作條件下推力矢量穩(wěn)定度高±0.02°;(4)推力噪聲小。

　　GOCE衛(wèi)星總共搭載了兩套IPA作為主備份，分別為主系統(tǒng)A和備份系統(tǒng)B。在整個任務運行過程中，除了在試車階段啟動B系統(tǒng)，其余工作時間只啟動A系統(tǒng)�？傁到y(tǒng)包括2臺T5離子推力器(ITA)、2套控制系統(tǒng)(IPCU)、2套氙氣比例供給系統(tǒng)(PXFA)和1個氙氣罐(XST)。以下分別從系統(tǒng)組成、入軌測試以及工作運行等方面對該推力器進行總結。

　　1.1、系統(tǒng)組成

　　英國對離子電推進的研究開始于1967年，主要是Kaufman型離子推力器，研發(fā)離子推力器主要以通信衛(wèi)星的南北位保和飛行IPA為應用目標。英國QinetiQ公司針對重力測量衛(wèi)星大氣阻尼補償?shù)膽眯枨�，從上世紀90 年代末開始，在QinetiQT5mkV推力器基礎上發(fā)展了推力可連續(xù)精細調(diào)節(jié)的離子推力器。其推力調(diào)節(jié)范圍可以穩(wěn)定實現(xiàn)0.6～20.6 mN之間，最佳工作點處的比沖3 500 s。研制初期，推力器的柵極系統(tǒng)為鉬材質(zhì)的三柵極結構，后來針對GOCE衛(wèi)星應用，研制了C/C材料加速柵的雙柵結構，如圖1所示。T5離子推力器設計為發(fā)散場，磁場源為6個螺線管電磁鐵。柵極口徑為10 cm，離子光學系統(tǒng)由屏柵和加速柵組成�？紤]到任務對推力器性能和壽命的要求，對柵極進行了優(yōu)化設計：加速柵采用抗濺射的石墨材料;屏柵為沖壓和熱處理的鉬材料;空心陰極為3 mm鋇鎢陰極，推力器性能參數(shù)如表1所列。

T5 離子推力器三柵和雙柵設計

圖1 T5 離子推力器三柵和雙柵設計

表1 T5 離子推力器性能參數(shù)

T5 離子推力器性能參數(shù)

3、結束語

　　大氣阻尼補償系統(tǒng)在GOCE 衛(wèi)星上的成功應用，使離子電推進作為航天器無拖曳控制推進系統(tǒng)的優(yōu)勢得到充分體現(xiàn)。以重力梯度測量衛(wèi)星為代表的無拖曳控制航天器的發(fā)展和應用將成為新的空間技術發(fā)展趨勢之一。在借鑒國外成功經(jīng)驗的基礎上，結合科學探測規(guī)劃目標，及早開展無拖曳控制離子電推進的研制。