電推進(jìn)技術(shù)在全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)的應(yīng)用研究

孫小菁，張?zhí)炱剑跣∮溃酢×粒瑒⒚髡?/p>

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州　730000）

電推進(jìn)技術(shù)在全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)的應(yīng)用研究

孫小菁，張?zhí)炱剑跣∮溃趿粒瑒⒚髡?/p>

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730000）

全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)能夠大幅度降低衛(wèi)星平臺(tái)的推進(jìn)劑需求量，并帶來(lái)包括減輕衛(wèi)星發(fā)射重量、提高衛(wèi)星有效載荷能力、延長(zhǎng)衛(wèi)星服役壽命等方面的經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)調(diào)研全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)的進(jìn)展情況，梳理了全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)電推進(jìn)的任務(wù)需求，設(shè)計(jì)了全電推進(jìn)系統(tǒng)方案及應(yīng)用模式，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，衛(wèi)星發(fā)射重量在2 000～3 000 kg之間，在半年之內(nèi)完成衛(wèi)星軌道轉(zhuǎn)移，需要單臺(tái)推力器推力達(dá)到200～300 mN，選擇適當(dāng)?shù)能壍啦呗裕娡七M(jìn)系統(tǒng)是可以滿足任務(wù)需求的。

電推進(jìn)技術(shù)；全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)；應(yīng)用

0　引言

電推進(jìn)相對(duì)于化學(xué)推進(jìn)具有高比沖的突出優(yōu)勢(shì)，可大幅降低衛(wèi)星推進(jìn)劑攜帶量，從而提高衛(wèi)星有效載荷比、延長(zhǎng)在軌壽命和降低發(fā)射重量［1-2］。美國(guó)波音公司研制了采用氙離子電推進(jìn)代替化學(xué)推進(jìn)將衛(wèi)星從轉(zhuǎn)移軌道推進(jìn)到靜止軌道位置，并完成位置保持等推進(jìn)任務(wù)的全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)BSS-702SP，全電推進(jìn)通信衛(wèi)星消耗的推進(jìn)劑僅為化學(xué)推進(jìn)消耗推進(jìn)劑的十分之一，原本發(fā)射質(zhì)量為4 000 kg的衛(wèi)星，發(fā)射質(zhì)量將降低到2 000 kg以下，這將能夠?qū)崿F(xiàn)“一箭雙星”發(fā)射，在不影響衛(wèi)星通信能力和性能的前提下，發(fā)射費(fèi)用減少5 000～6 000萬(wàn)美元。憑借顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，該平臺(tái)成為目前世界上具有最高性價(jià)比和競(jìng)爭(zhēng)力的通信衛(wèi)星平臺(tái)。世界各國(guó)紛紛將目光轉(zhuǎn)向全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)，擬定全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)研制計(jì)劃，以占據(jù)未來(lái)商用通信衛(wèi)星市場(chǎng)。

文章介紹了全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)的進(jìn)展情況，分析了全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)的任務(wù)需求，介紹了全電推進(jìn)系統(tǒng)方案及應(yīng)用模式，最后分析了全電推進(jìn)平臺(tái)對(duì)電推進(jìn)的主要性能需求。

1　全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)進(jìn)展情況

從國(guó)外高軌衛(wèi)星平臺(tái)電推進(jìn)應(yīng)用的發(fā)展歷程來(lái)看，電推進(jìn)系統(tǒng)在衛(wèi)星上的應(yīng)用經(jīng)歷了循序漸進(jìn)、由易到難、逐步深入的過(guò)程，可以分為位置保持、位保+部分軌道轉(zhuǎn)移、位保+軌道轉(zhuǎn)移等三個(gè)階段。第三個(gè)階段完全應(yīng)用電推進(jìn)代替化學(xué)推進(jìn)完成在軌推進(jìn)任務(wù)，具有這種功能的平臺(tái)稱之為全電推進(jìn)平臺(tái)。目前，國(guó)際上已開發(fā)的全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)有BSS-702SP平臺(tái)、ESA及德國(guó)OHB公司的Electra平臺(tái)。

波音公司在2010年之前就設(shè)計(jì)開發(fā)的中小型全電推進(jìn)通信衛(wèi)星平臺(tái)BSS-702SP衛(wèi)星平臺(tái)［3-4］，是世界上首個(gè)全電推進(jìn)平臺(tái)。BSS-702SP平臺(tái)本體尺寸為1.8 m×1.9 m×3.5 m，發(fā)射重量不超過(guò)2 000 kg，氙氣加注量可達(dá)400 kg，可承載500 kg有效載荷（51路轉(zhuǎn)發(fā)器），3～8 kW有效載荷功率，衛(wèi)星壽命15年。BSS-702SP平臺(tái)采用四臺(tái)XIPS-25離子推力器，單臺(tái)推力器推力最大可達(dá)到165 mN，比沖3 500 s，功率4.5 kW，變軌時(shí)需要兩臺(tái)離子推力器同時(shí)工作。BSS-702SP平臺(tái)通過(guò)采用電推進(jìn)技術(shù)大大減輕了衛(wèi)星的發(fā)射質(zhì)量，因此可采用一箭雙星發(fā)射，從而大幅節(jié)省發(fā)射成本，該平臺(tái)在不影響衛(wèi)星通信能力和性能的前提下，發(fā)射費(fèi)用減少了5 000～6 000萬(wàn)美元。目前，該衛(wèi)星平臺(tái)已訂購(gòu)了7顆衛(wèi)星。2012年3月，波音公司宣布獲得亞洲廣播衛(wèi)星公司（ABS）和墨西哥衛(wèi)星公司（Satmex）的4顆衛(wèi)星研制合同。4顆衛(wèi)星采取一箭雙星發(fā)射，ABS-3A衛(wèi)星和Satmex 7衛(wèi)星計(jì)劃于2015年初采用獵鷹9火箭一箭雙星方式發(fā)射，目前已完成關(guān)鍵設(shè)計(jì)評(píng)審（CDR）；ABS-2A衛(wèi)星和Satmex 9衛(wèi)星計(jì)劃于2015年第四季度采用獵鷹9火箭一箭雙星方式發(fā)射；另外，美國(guó)政府采購(gòu)了3顆衛(wèi)星。

2013年10月，ESA及德國(guó)OHB公司與全球第二大衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商SES公司（盧森堡歐洲衛(wèi)星公司）簽訂協(xié)議，聯(lián)合開發(fā)歐洲第一個(gè)全電推衛(wèi)星平臺(tái)—Electra平臺(tái)［5-7］，首顆衛(wèi)星將是一顆SES公司的衛(wèi)星，計(jì)劃在2018年發(fā)射。

Electra平臺(tái)基于德國(guó)OHB公司正在研制中的SGEO（準(zhǔn)同步地球軌道衛(wèi)星）平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，SES公司負(fù)責(zé)Electra整個(gè)項(xiàng)目，瑞典OHB公司負(fù)責(zé)提供電推進(jìn)系統(tǒng)。該平臺(tái)可以滿足起飛重量為2 000～3 000 kg的衛(wèi)星應(yīng)用需求，根據(jù)變軌策略的不同，軌道轉(zhuǎn)移加速度在2.2～3.5 km之間，選擇適當(dāng)?shù)淖冘壊呗钥梢允棺冘壷芷谠诎肽曛畠?nèi)。如圖1所示，其初步考慮配置六臺(tái)電推力器，其中兩臺(tái)用于變軌，另四臺(tái)主要用于在軌位保等任務(wù)。目前計(jì)劃選擇的電推進(jìn)系統(tǒng)包括T6離子電推進(jìn)和PPS-5000霍爾電推進(jìn)，其中前者基于ESA水星探測(cè)器的研制和應(yīng)用，產(chǎn)品成熟度更高。

圖1　Electra平臺(tái)衛(wèi)星構(gòu)型和推力器工作指向圖

另外，美國(guó)洛馬公司、Astrium公司、美國(guó)勞拉公司等相繼提出全電推進(jìn)通信衛(wèi)星平臺(tái)的研制計(jì)劃。

2　全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)任務(wù)需求

全電推平臺(tái)電推進(jìn)的任務(wù)包括：軌道轉(zhuǎn)移階段完成衛(wèi)星平臺(tái)由轉(zhuǎn)移軌道GTO或小傾角的超同步轉(zhuǎn)移軌道至地球靜止軌道GEO變軌及壽命期內(nèi)的南北位置保持、東西位置保持和動(dòng)量卸載任務(wù)。

由于電推進(jìn)產(chǎn)生的推力很小，如果衛(wèi)星的發(fā)射重量太大，變軌時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)，會(huì)對(duì)變軌期間的運(yùn)行管理和衛(wèi)星的抗輻射能力提出嚴(yán)峻的考驗(yàn)。根據(jù)國(guó)外全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)的論證，衛(wèi)星發(fā)射重量一般為2 000～3 000 kg，電推進(jìn)系統(tǒng)在6～10個(gè)月內(nèi)完成衛(wèi)星軌道轉(zhuǎn)移（考慮軌道轉(zhuǎn)移速度增量為2 200～3 000 m/s，軌道轉(zhuǎn)移策略非常復(fù)雜，可以從SGTO軌道轉(zhuǎn)移到GEO軌道，可以從GTO軌道轉(zhuǎn)移到GEO軌道，也可以從SSTO軌道轉(zhuǎn)移到GEO軌道，轉(zhuǎn)移策略與速度增量、轉(zhuǎn)移周期、消耗的推進(jìn)劑都直接相關(guān)［6］），并完成15年全壽命周期內(nèi)的南北位置保持、東西位置保持及卸軌等任務(wù)。其中各個(gè)任務(wù)階段的速度增量需求如表1所列。

表1　各個(gè)任務(wù)階段的速度增量需求

3　電推進(jìn)系統(tǒng)方案及應(yīng)用模式

3.1電推進(jìn)系統(tǒng)組成方案

電推進(jìn)系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)通常受到整星布局、任務(wù)執(zhí)行策略、系統(tǒng)各單機(jī)技術(shù)水平等諸多因素的影響，借鑒國(guó)外成熟GEO通信衛(wèi)星電推進(jìn)系統(tǒng)配置及全電推進(jìn)系統(tǒng)配置的經(jīng)驗(yàn)，配置四臺(tái)推力器是較成熟的方案。在軌道轉(zhuǎn)移階段兩臺(tái)推力器同時(shí)工作，另外兩臺(tái)推力器備份，該方案是較優(yōu)的方案，考慮了衛(wèi)星質(zhì)量、預(yù)期壽命及推力器的壽命、可靠性等因素；另外也可以考慮軌道轉(zhuǎn)移階段三臺(tái)或四臺(tái)推力器同時(shí)工作，可以減小單臺(tái)推力器需要提供的推力，但在可靠性方面存在不足。完整的電推進(jìn)系統(tǒng)組成包括：四臺(tái)推力器及其矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、四臺(tái)電源處理單元（含推力器切換單元）、兩個(gè)氣瓶、單套調(diào)壓?jiǎn)卧⑺膫€(gè)流量控制單元及單套控制單元，電推進(jìn)系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2　電推進(jìn)系統(tǒng)組成

3.2電推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用模式

電推進(jìn)系統(tǒng)在軌道轉(zhuǎn)移階段及位置保持階段應(yīng)設(shè)有大小推力兩種模式。軌道轉(zhuǎn)移階段，兩臺(tái)推力器和兩臺(tái)PPU同時(shí)工作，也可考慮四臺(tái)（三臺(tái)）推力器和四臺(tái)（三臺(tái)）PPU同時(shí)工作。該階段在大推力工作模式下點(diǎn)火。

位置保持階段，每次只有單臺(tái)推力器點(diǎn)火，兩臺(tái)推力器和兩臺(tái)PPU組合工作，分別完成南北和東西位置保持，該階段在小推力工作模式下點(diǎn)火。

最后卸軌由單臺(tái)推力器工作完成，采用小推力點(diǎn)火模式。

4　對(duì)電推進(jìn)主要性能需求分析

4.1推力需求分析

根據(jù)第2節(jié)全電推進(jìn)平臺(tái)的任務(wù)需求，若考慮電推進(jìn)系統(tǒng)工作占空比為67%，推力器自身效率為65%，推力效率為0.97。針對(duì)不同的衛(wèi)星發(fā)射重量及轉(zhuǎn)移軌道周期，按照式（1）對(duì)軌道轉(zhuǎn)移階段需要電推進(jìn)提供的推力作近似計(jì)算：

式中：m0為變軌前衛(wèi)星重量；m1為變軌后衛(wèi)星重量。

表2、表3分別給出了在軌道轉(zhuǎn)移速度增量為2 200 m/s和3 000 m/s的情況下電推進(jìn)系統(tǒng)需要達(dá)到的總推力及單臺(tái)推力器需要達(dá)到的推力值。

若軌道轉(zhuǎn)移速度增量滿足下限2 200 m/s，則電推進(jìn)系統(tǒng)需要提供的總推力在254～634 mN。若考慮兩臺(tái)推力器同時(shí)工作，則單臺(tái)推力器需要提供的推力在127～317 mN范圍；若考慮四臺(tái)推力器同時(shí)工作，則單臺(tái)推力器需要提供的推力在64～159 mN。若軌道轉(zhuǎn)移速度增量滿足上限3 000 m/s，衛(wèi)星發(fā)射重量為2 000～3 000 kg，軌道轉(zhuǎn)移周期為6～10個(gè)月，則電推進(jìn)系統(tǒng)需要提供的總推力在346～864 mN。若考慮兩臺(tái)推力器同時(shí)工作，則單臺(tái)推力器需要提供的推力在173～432 mN；若考慮四臺(tái)推力器同時(shí)工作，則單臺(tái)推力器需要提供的推力在87～216 mN。

在位置保持階段，每次只需單臺(tái)推力器工作，推力達(dá)到80 mN，就完全能夠滿足應(yīng)用需求。

表2　軌道轉(zhuǎn)移推力器要滿足的推力需求（速度增量為2 200 m/s）

表3　軌道轉(zhuǎn)移推力器要滿足的推力需求（速度增量為3 000 m/s）

4.2功率需求分析

考慮到比沖越高功率需求越高及高比沖帶來(lái)的推力器和電源處理單元設(shè)計(jì)制造技術(shù)難度增加的實(shí)際問(wèn)題，并參考國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為選擇推力器比沖為3 500 s比較合適，按照式（2）計(jì)算得到推力器上消耗的功率。

式中：P為功率；F為推力；Is表示比沖；η為推力器效率。

假設(shè)電源處理單元的效率為92%，考慮控制單元、推力器切換單元及矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)消耗功率不大于130 W，不同條件下軌道轉(zhuǎn)移階段電推進(jìn)系統(tǒng)功率消耗情況如表4所列。位置保持階段電推進(jìn)系統(tǒng)消耗功率為2 425 W。從表4可看出，在軌道轉(zhuǎn)移階段電推進(jìn)系統(tǒng)消耗的功率達(dá)到7 415～24 908 W。如果軌道轉(zhuǎn)移速度增量為3 000 m/s，衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量為3 000 kg，轉(zhuǎn)移周期為6個(gè)月，則電推進(jìn)系統(tǒng)消耗的功率接近25 kW，功率消耗很大，相對(duì)于目前已有的衛(wèi)星平臺(tái)功率需求水平有了很大的提升。

表4　電推進(jìn)系統(tǒng)功率消耗情況

4.3推進(jìn)劑需求分析

考慮推力器有效推力（效率）在軌道轉(zhuǎn)移階段為90%，在位置保持階段為55%，卸軌階段為90%，根據(jù)不同的速度增量、不同的衛(wèi)星發(fā)射重量，根據(jù)式（3）火箭方程：

計(jì)算得到不同任務(wù)階段推進(jìn)劑消耗需求，如表5所列。

表5　推進(jìn)劑需求預(yù)算表

4.4工作壽命需求

根據(jù)衛(wèi)星質(zhì)量、需要滿足的速度增量、推力器推力及推力效率等對(duì)不同任務(wù)階段電推進(jìn)的工作時(shí)間按式（4）進(jìn)行簡(jiǎn)化預(yù)算：

式中：Δti是某任務(wù)階段需要的電推進(jìn)工作時(shí)間；mi0和mif是該任務(wù)階段的始末質(zhì)量；Δv是該階段所需速度增量；Fi是推力器推力；ηi是推力效率。

表6給出不同條件下，在不同的階段推力器的推進(jìn)時(shí)間。（按照位保及卸軌階段單臺(tái)推力器推力為80 mN計(jì)算）。

表6　推力器推進(jìn)時(shí)間

單臺(tái)推力器最長(zhǎng)工作壽命為8 180～12 751 h，按照1.5倍安全裕度考慮，單臺(tái)推力器工作壽命要求為12 270～19 127 h。

5　結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)的任務(wù)需求，提出了全電推進(jìn)系統(tǒng)方案及應(yīng)用模式，分析了全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)電推進(jìn)主要的性能需求，衛(wèi)星發(fā)射重量在2 000～3 000 kg之間，如果選擇適當(dāng)?shù)能壍啦呗裕梢詫?shí)現(xiàn)推力器推力達(dá)到200～300 mN時(shí)，保證在半年之內(nèi)完成全電推進(jìn)衛(wèi)星軌道轉(zhuǎn)移，全電推進(jìn)是行之有效的。

［1］張?zhí)炱剑瑥堁﹥?空間電推進(jìn)技術(shù)及應(yīng)用新進(jìn)展［J］.真空與低溫，2013，19（4）：187-193.

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THE RESEARCH OF ELECTRIC PROPULSION’S APPLICATION OF ELECTRIC PROPULSION SATELLITE PLATFORM

SUN Xiao-jing，ZHANG Tian-ping，WANG Xiao-yong，WANG Liang，LIU Ming-zheng
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Space Technology and Physics，Lanzhou730000，China）

All electric propulsion satellite platform can reduce the demand for propellant，it will Bring economic benefits on reducing the satellite launch weight，improving the ability of the satellite payload，prolonging the service life of satellite.This paper studied the progress of all electric propulsion satellite platform，combed the requirements of electric propulsion’s mission for all electric propulsion satellite platform，designed the scheme of electric propulsion system and application mode.By analyzing and calculating，if the satellite launch weight between 2 000～3 000 kg，and completed orbit transfer within half a year，the single thruster need output thrust between 200～300 mN.So selected the appropriate strategy，all electric propulsion system can meet the demand of the mission.

electric propulsion technology；all electric propulsion satellite platform；application

V439

A

1006-7086（2015）01-0006-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.01.002

2014-08-27

孫小菁（1982-），女，甘肅省蘭州市人，工程師，主要從事空間電推進(jìn)技術(shù)研究。E-mail：xjsuncosa@163.com。