電推進器在GEO靜止衛(wèi)星上的安裝策略
電推進器相對于化學推進器具有高比沖、小推力、長壽命、能重復啟動和高的控制精度等優(yōu)點而成為各國研究的熱點。隨著世界范圍內(nèi)電推進技術(shù)的蓬勃發(fā)展，電推進器已成為同步軌道(GEO)靜止衛(wèi)星的南北位置保持的標準配置。電推進器在衛(wèi)星上的不同安裝策略對電推進器與整星之間的兼容性有著重要影響，要保證電推進器與GEO 靜止衛(wèi)星集成后兩者之間的可靠兼容。因此，研究電推進器在GEO靜止衛(wèi)星上的安裝策略很有必要。本文研究了分別在三軸穩(wěn)定衛(wèi)星的太陽電池陣列上和衛(wèi)星星體上安裝電推進器時電推進器的安裝布局，為GEO 靜止衛(wèi)星電推進器的安裝布局提供解決策略，從而為衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。
國外GEO 靜止衛(wèi)星已經(jīng)普遍采用電推進器作為南北位置保持的標準配置，目前中國正在做以電推進器作為GEO 靜止衛(wèi)星南北位置保持標配系統(tǒng)的總體方案。由于離子推進器和霍爾推進器優(yōu)異的性能，使得兩者分別在美國和俄羅斯得到重要應用。電推進器和一般常規(guī)的化學推進系統(tǒng)不同，普通化學推進系統(tǒng)是靠化學推進劑自身的燃燒反應獲得能量以高速噴出產(chǎn)生推力，而電推進器的推進劑(惰性氣體氙氣Xe)自身并未產(chǎn)生能量，需要在衛(wèi)星電源供電系統(tǒng)的支持下電離并加速噴出，形成推力。
自旋穩(wěn)定衛(wèi)星的太陽電池安裝在自身星體上，只有大約三分之一的太陽電池產(chǎn)生電功率，在這種結(jié)構(gòu)配置下，每千克太陽電池陣僅能產(chǎn)生9 W 的電功率，衛(wèi)星整體供電能力明顯不足，因此發(fā)展了對太陽定向的帆板的自旋穩(wěn)定衛(wèi)星和三軸穩(wěn)定衛(wèi)星。其中，三軸穩(wěn)定衛(wèi)星已占據(jù)國內(nèi)外衛(wèi)星發(fā)展的主流，其對太陽定向的太陽帆板能連續(xù)不斷地產(chǎn)生電功率，每千克太陽電池陣可以產(chǎn)生55～65 W 的電功率，整體供電能力明顯提升。三軸穩(wěn)定衛(wèi)星的出現(xiàn)為電推進器在衛(wèi)星上的安裝集成提供了強大功率，從而使得電推進器得到了蓬勃發(fā)展。如20 cm 的LIPS-200 離子推進器輸出推力40 mN， 需要1000 W 的功率供電，提供所需功率的三軸穩(wěn)定衛(wèi)星的太陽電池陣對太陽定向的部分大約占到了20 kg。
電推進器在衛(wèi)星上的不同安裝策略對電推進器與整星之間的兼容性有著重要影響，要保證電推進器與GEO 靜止衛(wèi)星集成后兩者之間的可靠兼容，同時，航天器表面充放電亦會由于電推進器合理的安裝而得到抑制。因此，研究電推進器在GEO 靜止衛(wèi)星上的安裝策略很有必要。本文研究了分別在三軸穩(wěn)定衛(wèi)星的太陽電池陣列上和衛(wèi)星星體上安裝電推進器時電推進器的安裝布局，為GEO 靜止衛(wèi)星電推進器的安裝布局提供解決策略，從而為衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。
1、三軸穩(wěn)定衛(wèi)星太陽電池陣列上安裝電推進器
在三軸穩(wěn)定衛(wèi)星的太陽電池陣列上安裝電推進器示意圖見圖1，這樣的布局安裝會使得電推進羽流污染沉積問題最小化。電推進器在衛(wèi)星的南北兩邊的太陽電池陣列上均可安裝。這樣的安裝布局可以使電推進器每天在一個節(jié)點工作，也可使其在每天的兩個節(jié)點工作。可考慮將推進劑貯供系統(tǒng)和二次電源布局安裝在太陽電池陣列的頂端， 在這種安裝布局下，推進劑的管路、控制和供電電纜均不再需要通過太陽電池陣列和衛(wèi)星星體之間的轉(zhuǎn)動部分即可為電推進器工作提供所需推進劑和電力供給。
該安裝布局的優(yōu)勢在于在每顆衛(wèi)星的單個太陽電池陣列上安裝一臺電推進器即可滿足系統(tǒng)備份要求，大大減小了電推進系統(tǒng)的重量限制，在每個電池陣列上安裝兩臺電推進器，而每兩臺電推進器需要一套單獨的二次電源，這使得電推進系統(tǒng)重量大大增加。同時，在太陽電池陣列上安裝布局電推進器, 不存在由于推進劑消耗引起的衛(wèi)星質(zhì)量不平衡的問題。電推進器的安裝布局可以采用萬向支架機構(gòu)來實現(xiàn)抵消靜態(tài)角誤差和由于熱效應引起的瞬態(tài)推力變化。
SERT-1 航天器上安裝了8 cm 的銫接觸式離子推進器和10 cm 汞電子轟擊式離子推進器各一臺，其中銫推進器的設(shè)計工作性能為功率0.6 kW、推力5.6 mN、比沖8050 s，汞推進器的設(shè)計工作性能為功率1.4 kW、推力28 mN、比沖4900 s。兩臺電推進器對稱安裝在航天器的側(cè)面可展開臂上(見圖2)。
圖1 在三軸穩(wěn)定衛(wèi)星太陽電池陣列上安裝布局電推進器示意圖
圖2 SERT-1 航天器太陽電池陣列上安裝布局電推進器示意圖
2、三軸穩(wěn)定衛(wèi)星星體上安裝電推進器
2.1、星體上電推進器布局
GEO 靜止三軸穩(wěn)定衛(wèi)星星體上安裝電推進器布局如圖3 所示，一般有兩種位置，一種是電推進器安裝在衛(wèi)星背地面，另外一種是電推進器安裝在南北面，這兩種安裝布局示意圖如圖4 所示，分別為BSS-601HP 平臺[1]和Artemis 衛(wèi)星。
圖3 在三軸穩(wěn)定衛(wèi)星星體上安裝布局電推進器示意圖
圖4 衛(wèi)星電推進器背地面和南北面安裝布局示意圖
2.2、星體上電推進器安裝角
在三軸穩(wěn)定衛(wèi)星星體上安裝電推進器避免了同太陽電池陣列的直接機械接口，但這要求衛(wèi)星太陽電池陣列具有高的展弦比(即高縱橫比)，并且要保證電推進器向外傾斜，使得電推進羽流污染最小。當衛(wèi)星太陽電池陣列轉(zhuǎn)動到電推進器安裝平面時，電推進羽流污染最嚴重。研究表明，為了減小電推進羽流污染，降低各種類型的電推進器的束流發(fā)散角，可以改善束流離子對航天器的污染程度，尤其能降低其對GEO 靜止衛(wèi)星太陽電池帆板的濺射污染。還可以選擇電推進器的安裝傾角，以降低電推進束流對航天器的污染程度，各種類型的電推進器在衛(wèi)星星體上的安裝布局均應保證電推進羽流視場不會直接碰撞到航天器部件，從而有效減小電推進羽流污染。對于南北位置保持用離子推進器的安裝傾斜角至少等于或大于30°，先進的肼電弧推進器安裝傾角為17°，霍爾推進器安裝傾角為45°，脈沖等離子體推進器安裝傾角為40°。對于離子推進器，可在離子推進器的出口安裝一個束屏蔽罩。深空一號航天器上安裝的離子推進器安裝在了-Z 面上，其軸線與航天器的-Z 軸重合，這樣的布局安裝與深空一號的使命有關(guān)，深空一號是用來對1992KD 小行星和107PBorreiiy 及19PWilson-Harrington 彗星進行深空探測的一顆航天器。離子推進器安裝在了一個屏蔽罩環(huán)內(nèi)( 見圖5)，屏蔽罩主要用來加裝熱控組件和阻擋交換電荷離子。
圖5 離子推進器在深空一號上的布局圖
由于電推進器安裝的傾斜角，從而使得電推進器工作時產(chǎn)生的推力在垂直軌道面和軌道面內(nèi)衛(wèi)星運動法線方向存在分量。其中軌道面內(nèi)法向分量會造成衛(wèi)星軌道偏心率漂移，升降交點對稱工作也正好抵消(真近點角相差180°)偏心率漂移影響。GEO 靜止衛(wèi)星應用電推進系統(tǒng)作為南北位置保持時選用的標準配置為4 臺電推進器、2 臺電源處理單元(PPU)、1 套推進劑貯供子系統(tǒng)、1 臺控制單元等，系統(tǒng)是全冗余備份系統(tǒng)，可靠性較高。
2.3、星體上電推進器安裝位置
電推進器是應當安裝在包含衛(wèi)星—地球矢徑的平面(即俯仰—偏航軸面平面，它產(chǎn)生徑向推力分量)內(nèi)，還是應當安裝在與它垂直的平面(即俯仰—滾動軸平面，它產(chǎn)生周向推力分量)內(nèi)。這兩種安裝方式之間的主要不同在于由于推力矢量的角誤差、推力的變化和推進器的失效對軌道造成的干擾。一般情況下，南北推力器組(對)安裝在衛(wèi)星的俯仰—偏航平面內(nèi)。由于電推進器推力矢量角誤差和推力大小的變化造成的軌道干擾可以忽略不計。同時，由于電推進器的失效(一臺電推進器失效，在衛(wèi)星南面或背面的兩臺電推進器中只有一臺可以工作)造成的軌道干擾也可以忽略。而當電推進器安裝在俯仰—滾動軸平面內(nèi)，由于上述原因造成的軌道干擾很大甚至是不可接受的，必須消耗化學推進器對軌道干擾進行消除。因此，電推進器應當安裝在俯仰—偏航軸平面內(nèi)，這樣安裝布局提供了較大的冗余備份，還減少了化學推進劑的消耗量。
3、結(jié)論
電推進器已經(jīng)成為GEO 靜止衛(wèi)星南北位置保持的標準配置，三軸穩(wěn)定衛(wèi)星由于整個太陽電池陣列在整個時間內(nèi)均有效，因此在提供電推進器和有效載荷功率方面更加容易，而且能以較少的成本提供所需的功率。各種類型的電推進器在衛(wèi)星星體上的安裝布局均應保證電推進羽流視場不會直接碰撞到航天器部件，從而有效減小電推進羽流污染。自旋穩(wěn)定衛(wèi)星太陽電池陣列上安裝電推進器，會經(jīng)常改變電推進器和衛(wèi)星星體坐標之間的關(guān)系，但如此安裝布局的電推進系統(tǒng)安裝布局簡單、系統(tǒng)重量較輕，但實際上排除了電推進器在GEO 靜止衛(wèi)星除南北位置保持功能以外的其它推進用途。最后，電推進器應當安裝在俯仰—偏航軸平面內(nèi)，這樣安裝布局提供了較大的冗余備份，還減少了化學推進劑的消耗量。
