空间电推进应用及技术发展趋势

充分调研分析了国外空间电推进技术及典型应用情况,详细介绍了电推进在GEO卫星位置保持和轨道转移、深空探测主推进、中低轨道航天器无拖曳控制与高精度姿态控制、空间太阳能电站轨道维持等领域的空间应用情况。对电推进在国内不同领域的应用需求进行了分析,包括GEO卫星位置保持和全电推进、近地小行星探测等深空探测主推进、低轨航天器无拖曳控制和轨道维持、(超)低轨小卫星编队飞行及(微)小卫星精确轨道控制和空间太阳能电站轨道维持等任务。电推进技术正朝着高功率、大推力、低功率、微小推力、宽功率范围推力连续可调、高比冲、长寿命和多模式方向发展。针对电推进在不同应用领域的需求及电推进技术发展方向,提出了我国未来20年拟开展的电推进技术研究项目。     

霍尔电推进技术的发展与应用

霍尔电推进具有推力密度大、推力功率比大、比冲高及系统可靠等优点,在20世纪60~70年代突破关键技术、完成空间试验后,在俄、美、欧等航天器上获得大量应用,执行位置保持、轨道转移、轨道调整和深空探测主推进等任务。目前,100 W级到5 k W级功率的霍尔推力器已经实现在轨应用,100 k W功率的霍尔推力器已在研制中。针对未来载人深空探测、GEO卫星、低轨和超低轨卫星及轨道机动飞行器等任务需求,霍尔电推进朝着更大功率包络,更强多模式调节能力,更高性能,更长寿命及推进剂多样化等方向发展。在分析霍尔电推进技术特点和适用任务后,对国内外霍尔电推进技术的发展现状、任务应用等进行了综述,最后对霍尔电推进的发展趋势进行了展望。     

国外多模式霍尔电推进发展概况及启示

多模式霍尔电推进具有多个工作模式,调节能力强,相对于20世纪80年代以来广泛应用的只有一个工作模式的霍尔电推进器,其优势明显,能很好地适应诸如GEO卫星轨道转移和在轨位置保持,以及深空探测器和空间运输平台的主推进等多种任务,因此得到了广泛研究和应用.国外多模式霍尔电推进发展现状和趋势对我国多模式霍尔电推进的发展具有重要的启示作用.针对我国航天器对电推进的迫切任务需求,定量分析应用多模式霍尔电推进的收益,提出我国多模式霍尔电推进发展的建议.     

GEO电推进卫星轨道漂移策略研究

为满足GEO卫星定点位置调整的需求,利用电推力器在GEO上的控制方法,以轨道倾角、漂移经度和漂移率为目标,提出了一套结合南北位置保持的GEO卫星电推进轨道漂移策略。通过分析电推进平台在进行位置保持时的电推力器控制方法,设计电推力器点火策略,得出了漂移阶段推力器点火时刻及时长的计算方法,并分析出漂移各个阶段时间的估算公式。利用龙格库塔法对该策略进行了数值仿真验证,结果表明:文章中提出的电推进平台轨道漂移策略能够在无须姿态大幅调整并不增加额外燃料消耗的基础上完成对目标经度的轨道转移,满足漂移任务要求,并保证轨道倾角在漂移过程中稳定在0.01°以内。     

电推进羽流与航天器相互作用的研究现状与建议

电推进与传统的化学推进相比可以节约大量推进剂质量,被广泛用作地球同步轨道卫星南北位置保持和深空探测等任务的主推进系统。电推进器工作时产生的羽流与传统的化学推进器羽流有显著区别,电推进羽流对航天器的影响是进行卫星电推进器系统设计时需要重点关注的问题。文章讨论了电推进羽流对航天器的主要影响,介绍了国外在地面模拟试验、空间飞行验证和软件仿真技术等方面的研究现状,同时对国内开展羽流与航天器相互作用研究提出了建议。     

全电推进GEO卫星平台发展研究

介绍了国外电推进系统在地球静止轨道(GEO)卫星上的应用阶段,以及包括波音卫星系统-702SP(BSS-702SP)在内的主要全电推进卫星平台;总结了全电推进卫星平台在商业市场竞争、平台技术创新、中型通信卫星市场需求方面的发展动因;提炼了全电推进卫星平台涉及的大推力、高比冲、双模式电推进系统,以及全轨道、小推力、自主变轨和位置保持等关键技术;提出了我国全电推进卫星平台开发的目标及发展途径。     

GEO卫星电推力器安装位置优化研究

针对配置电推力器的地球静止轨道(GEO)卫星,研究了以位置保持效率为指标的电推力器最佳安装位置。分析了南北、东西位置保持所需推力大小与工作时间的关系,得到推力器安装位置与位置保持可控性的定量关系。分析了电推力器安装位置与角动量卸载能力的关系,电推力器的推力方向越接近垂直,角动量卸载能力越大。以位置保持效率为最优目标,考虑卫星尺寸、位置保持可控性和角动量卸载能力等约束条件,给出了电推力器最优安装位置的确定方法:根据位置保持效率及卫星尺寸约束,确定电推力器纵向与垂向安装位置;根据位置保持可控性和角动量卸载能力等约束条件,确定电推力器横向安装位置。利用一个典型优化算例对此方法进行验证,结果表明:该优化方法能够确定满足约束条件下的电推力器最优安装位置,可为GEO卫星电推进系统的布局设计提供参考。     

国外卫星推进技术发展现状与未来20年发展趋势

新形势下航天技术的发展对推进技术提出了更高的要求,无论在技术的广度和深度上都是前所未有的,如15年以上静止轨道卫星和8年以上低轨道卫星对高性能长寿命推进系统的要求、电推进技术的应用、微小卫星轨道保持的应用和深空探测对先进推进技术的依赖等。本文从先进化学推进技术、电推进技术、微推进技术和新概念推进技术4个方面分析了国外卫星推进技术的发展状况,总结了未来20年卫星推进技术的发展趋势,给出了对我国今后技术发展的启示。     

DFH-4卫星电推进系统的应用可行性研究

DFH-4平台是我国新研制的大容量、长寿命静止轨道卫星平台。为了延长平台寿命、增加平台载荷,需要考虑引入电推进系统执行南北位保任务。针对几种国际上已经得到应用且相对较成熟的电推进系统,从工程角度对其在DFH-4上的应用价值进行了比较和评价,初步设计了电推进系统在DFH-4平台上执行南北位保任务的应用方案,分析了电推进系统对卫星平台、其它轨道和姿态参数、控制策略以及星上其它系统带来或可能带来的影响。     

微波电热推进系统应用研究

空间推进系统作为航天器的重要部分,其性能、质量、寿命和可靠性等参数直接影响着航天器的工作状况。本文首先介绍空间推进系统的种类及其特点,其次阐述了电推进系统的主要特点,最后重点描述了微波电热推进系统的特点、系统结构,并对微波推进系统用于航天器的轨道转移和位置保持进行了理论分析。分析结果表明,微波电热推进系统具有比冲适中、寿命长、推力范围宽、羽流污染小和系统兼容性好等优点。既可用于复合式推进系统,进行航天器的位置保持、姿态调整等,也可单独完成航天器的轨道转移、星际航行和位置保持等任务,具有广阔的应用前景。     

电推进飞行试验在轨诊断技术

文章介绍了国外在电推进空间飞行试验或型号应用中采用在轨诊断技术的情况,结合电推进系统飞行性能测量和电推进系统与应用航天器之间相互作用的研究,讨论和评价了电推进在轨诊断技术。     

长时间在轨上面级动力系统关键技术研究

上面级动力系统提供用于变轨所需要的动力，同时提供姿态控制、推进剂沉底、末速修正功能所需要的动力，将上面级和北斗导航卫星一起送入预定轨道。回顾了从早期的上面级动力系统选型论证到后续的关键技术攻关过程，对比研究了泵压式与挤压式动力系统的技术优势，分析了动力系统研制过程中的主要关键技术，并对关键技术的应用情况进行了总结，最后提出了长时间在轨上面级动力系统的后续发展建议。     

国外空间推进技术现状和发展趋势

空间推进技术通常可分为常规化学推进、电推进、微推进和新型推进4大类。常规化学推进是目前航天器的主要推进方式,性能继续提升。电推进已成功证明其优势和可靠性,在各种卫星和深空探测器上大量应用,且朝更宽泛功率的方向发展。蓬勃发展的微小卫星对微小推力、小质量、低功耗的微推进提出了迫切需求。无毒化学推进、太阳帆推进、核推进等新型推进技术正在加紧研制或进行空间飞行试验。首先综述国外卫星和深空探测器等航天器的各类空间推进技术应用和研究现状,然后分析其发展趋势,最后提出对我国空间推进技术的发展建议。     

基于电火箭推进的地-月轨道转移自主导航研究

以电推进力作为奔月航天器在进入月球影响球之后的螺旋式减速转移过程的主推进力和姿态控制力,建立限制性三体力学模型.采用星光导航方式,结合UKF非线性滤波方法进行自主导航研究.推力的引入方式能有效抑制由于航天器姿态与导航误差耦合而导致的推力矢量方向误差.通过大量的计算机仿真,详细研究和分析了电推进条件下自主导航的发散问题,有针对性地给出了抑止发散的方法,为工程实现提供了有利的参考依据.     

基于成本考虑的天地往返技术途径分析

采用能量分析方法,对天地往返成本的影响因素进行了分析。重点对入轨方式、发射方法和动力系统等因素进行了分析。提出了未来天地往返运输技术的研究设想。     

美国AEHF军事通信卫星推进系统及其在首发星上的应用

美国先进极高频（AEHF）项目将采用4颗运行于地球同步轨道（GEO）的AE—HF军事通信卫星。AEHF卫星的推进系统由远地点发动机、姿态控制发动机组和双模式霍尔电推进子系统组成。首发星AEHF-1是世界上首个采用霍尔电推进系统执行发射后轨道提升任夯的GEO卫星。AEHF-1卫星星箭分离后,远地点发动机未能正常工作,因此...     

Mission analysis and systems design of a near-term and far-term pole-sitter mission

This paper provides a detailed mission analysis and systems design of a near-term and far-term pole-sitter mission. The pole-sitter concept was previously introduced as a solution to the poor temporal resolution of polar observations from highly inclined, low Earth orbits and the poor high-latitude coverage from geostationary orbit. It considers a spacecraft that is continuously above either the north or south pole and, as such, can provide real-time, continuous and hemispherical coverage of the polar regions. Being on a non-Keplerian orbit, a continuous thrust is required to maintain the pole-sitter position. For this, two different propulsion strategies are proposed, which result in a near-term pole-sitter mission using solar electric propulsion (SEP) and a far-term pole-sitter mission where the SEP thruster is hybridized with a solar sail. For both propulsion strategies, minimum propellant pole-sitter orbits are designed. In order to maximize the spacecraft mass at the start of the operations phase of the mission, the transfer from Earth to the pole-sitter orbit is designed and optimized assuming either a Soyuz or an Ariane 5 launch. The maximized mass upon injection into the pole-sitter orbit is subsequently used in a detailed mass budget analysis that will allow for a trade-off between mission lifetime and payload mass capacity. Also, candidate payloads for a range of applications are investigated. Finally, transfers between north and south pole-sitter orbits are considered to overcome the limitations in observations due to the tilt of the Earth's rotational axis that causes the poles to be alternately situated in darkness. It will be shown that in some cases these transfers allow for propellant savings, enabling a further extension of the pole-sitter mission.     

电推进加速技术现状及展望

概述了各类电推进的加速技术及基本原理,总结了现有加速技术的优缺点,介绍了加速技术的发展趋势或国内外最新加速技术.在此基础上,对电推进加速技术的下一步发展进行了展望,以期为中国电推进的发展、新型电推进技术的研发提供参考,促进空间推进技术的进一步发展.     

电推进在深空探测主推进中的应用及发展趋势

随着太阳能电池阵列电功率的不断增长,高比冲电推进在深空探测主推进任务中的应用成为现实,且有明显增加趋势。在我国实施两次月球探测任务之后,深空探测将成为我国航天领域的重要组成部分。从20世纪90年代末开始,美国、日本和欧洲相继发射了四个由电推进执行主推进的深空探测器-深空一号探测器、隼鸟号小行星探测器、智慧一号月球探测器和黎明号小行星探测器,极大地提升了深空进入能力,且获得了很多科学数据。本文分析深空探测主推进对电推进的需求,对电推进在深空探测主推进任务中的应用现状进行综述,分析关键技术和发展趋势,为我国深空探测推进技术发展提供参考。