大功率轨道转移航天器全电推进系统研究

采用基于电推进的空间运输系统(转移级)完成使命,相对于采用化学推进可节省大量的推进剂,能够显著降低航天器的发射重量或者把更多的有效载荷送达探测目标地。调研了国外大功率电推力器的研究情况,针对近地空间的大功率轨道转移航天器任务需求,给出了电推进系统方案设计,并对采用不同性能指标推力器的多种方案进行对比,得到综合最优的方案。最后针对我国电推进技术发展现状,给出了我国大功率电推力器的关键技术和发展建议。     

电推进发展现状

电推进具有比冲高、质量轻、体积小,特别是消耗工质少等优点,用于航天器能显著提高有效载荷比,若增加推进剂携带量则可延长工作寿命。但与单组元或双组元液体推进系统相比,它还存在推力小、效率低和工作寿命不够长等不足。尽管如此,电推进已越来越多地用于地球静止轨道卫星的轨道保持和姿态控制,并开始作为深空探测器的主推进,执行轨道机动和轨道转移任务。     

深远空连续推进动力与施图林格解的解析

针对太阳系远深距离的探测将是人类下一阶段深空探测活动的主要目标。这一目标的实现依赖于探测器连续推进动力技术的突破。从描述连续常值推力下太空飞行的施图林格解出发,对其中反映的深远空飞行任务有效载荷比、任务时间、飞行距离等关键参数与发动机性能之间的关系进行了深入分析。给出了在特定任务时长、特定飞行距离要求下发动机比冲、功率需要满足的条件及其对有效载荷比、最终飞行速度等指标的影响。此外,基于二体轨道动力学对太阳系行星探测的大椭圆转移轨道和转移能量进行了推导,并对连续推力的太阳帆任务方案涉及的关键技术指标做了理论性的计算。这些结论是对深空探测连续推力方案基础理论的归纳,可以为我国未来开展深远空探测活动提供重要的启发和指导。     

实践五号卫星空间探测与实验成果学术研讨会召开

中国空间科学学会空间探测专业委员会于2002年9月在福建省武夷山市召开了实践五号卫星空间探测与实验成果学术研讨会,出席这次会议的有参加指挥、设计和研制卫星应用系统和有效载荷的科技工作者及领导,到会55人,收到论文34篇.实践五号科学探测卫星的主要任务是:（1）进行空间单粒子事件及对策研究试验并进行空间高能带电粒子和剂量测量.（2）进行未来复杂航天器有效载荷系统与波段高速数传发射机、大容量固态存储器及有效载荷数据管理系统的先期在轨技术实验.（3）进行空间流体科学实验.实践五号科学探测卫星在轨运行期间获得了大量科学数据,顺利地完成了各项实验任务.     

空间核电推进技术发展研究

空间核电推进系统具有高比冲、大功率、大推力和长寿命等特点,广泛适用于未来大型空间探测任务.在调研国外核电推进技术发展和空间应用情况的基础上,针对大型深空探测任务介绍基于核裂变反应堆的核电推进系统国外发展现状,总结核电推进系统所涉及的主要技术内容和已经取得的成果,梳理关键技术,并归纳了核电推进技术的发展趋势,最后对中国发展核电推进技术提出建议.     

基于分段常值的全电推进GEO卫星制导策略

电推进技术因其比冲高的技术特点在GEO轨道转移中应用可大大减少燃料质量，提高有效载荷质量比，延长任务寿命等。针对全电推进GEO卫星入轨的轨迹优化和制导问题，首先利用间接法获得小推力燃料最优GEO轨道转移的数值解，提出一种多项式曲线拟合最优轨迹的方法，多项式曲线形式简单，可作为参考轨道在星上存储和使用。在多项式参考轨道的基础上，建立了一种分段常值推力跟踪参考轨道的闭环制导策略，在常值推力条件下，轨道要素控制量与控制力有解析关系，简化了制导律设计；将多圈轨道转移问题分解为多个单圈轨道优化问题。结果显示，本文提出的分段常值跟踪制导策略跟踪精度高，和最优轨道相比多消耗7%的燃料。本制导策略控制结构简单，易于工程实施。     

圆轨道航天器在轨加注任务空间燃料站部署问题

在轨服务技术因在航天器故障修复、寿命延长及军事方面有重大辅助作用而越来越受到各航天大国的重视,作为在轨服务技术重要组成部分的在轨燃料补给技术也越来越受到关注。文章针对圆轨道航天器在轨燃料加注任务,将空间燃料站技术与多目标在轨加注技术相结合,对基于燃料站的在轨加注模式进行了研究,提出了一种基于聚类分析的在轨加注任务调度及优化算法。通过对双脉冲轨道转移问题的求解与分析,获得了轨道转移速度增量和轨道参数之间的关系,在此基础上分析了圆轨道航天器在轨加注任务调度问题,并根据调度模型的变量和约束关系,建立了圆轨道航天器在轨加注任务多目标规划模型,并采用免疫遗传算法对加注任务调度空间燃料站选址问题进行了研究。以30颗目标航天器的在轨加注任务为例进行了数值仿真,并由燃料消耗的计算结果验证了算法的有效性。     

超低轨道卫星应用离子电推进技术方案

低地球轨道大气环境对诸如科学探测和对地观测卫星的阻尼作用十分明显,而且阻尼随太阳和地磁活动以及昼夜、季节交替变化范围宽。为了保证卫星轨道精度或飞行状态满足任务要求,需要利用推进系统对卫星受到的阻尼进行实时或间歇式补偿以实现轨道或飞行状态的保持。针对轨道高度220~268km的无拖曳飞行和轨道维持应用,基于卫星轨道阻尼变化和有效载荷指标要求分析,研究确定了离子电推进技术指标、推力调节方案、系统组成、推力控制方案和在轨应用策略,并对推力调节方案进行了试验验证。结果表明,与无拖曳飞行卫星任务匹配的离子电推进指标为推力调节范围1~20mN,推力分辨率优于12μN,与对地观测卫星轨道维持任务匹配的指标为推力调节范围1～25mN,推力分辨率100μN。研究提出的针对超低轨道卫星应用需求的高精度推力连续调节离子电推进技术方案,具有工程任务针对性和参考价值。     

圆轨道航天器在轨加注任务空间燃料站部署问题

在轨服务技术因在航天器故障修复、寿命延长及军事方面有重大辅助作用而越来越受到各航天大国的重视,作为在轨服务技术重要组成部分的在轨燃料补给技术也越来越受到关注。文章针对圆轨道航天器在轨燃料加注任务,将空间燃料站技术与多目标在轨加注技术相结合,对基于燃料站的在轨加注模式进行了研究,提出了一种基于聚类分析的在轨加注任务调度及优化算法。通过对双脉冲轨道转移问题的求解与分析,获得了轨道转移速度增量和轨道参数之间的关系,在此基础上分析了圆轨道航天器在轨加注任务调度问题,并根据调度模型的变量和约束关系,建立了圆轨道航天器在轨加注任务多目标规划模型,并采用免疫遗传算法对加注任务调度空间燃料站选址问题进行了研究。以30颗目标航天器的在轨加注任务为例进行了数值仿真,并由燃料消耗的计算结果验证了算法的有效性。     

基于电推进卫星飞往Halo轨道的转移轨道研究

利用电推进及轨道力学的特性实现节能优化,将限制性三体问题中的稳定不变流形与小推力轨道优化相结合,研究全电推进卫星从地球停泊轨道飞向日地拉格朗日L2点Halo轨道的低消耗转移轨道.航天器的转移轨道分为逃逸段、拼接段与无动力滑行段.在逃逸段卫星沿速度方向加速脱离地球引力,拼接段采用Radau伪谱法进行优化,使航天器以最短时间到达目标Halo轨道的稳定不变流形上,随后航天器电推进系统关机,沿稳定不变流形无动力滑行至目标轨道.基于雅克比积分常数给出拼接段轨道初始猜测值,以先提高切向方向航天器能量避免了全程优化离散点过多难以求解的问题.仿真结果表明,该方法收敛速度较快,对平动点工程任务的初期轨道特性计算具有实际意义.      

深空探测推进技术发展趋势

推进技术是制约深空探测能力的重要因素,由于深空探测航天器自身特点和任务需求的多样性,对推进系统类型的要求也不尽相同,需要在推力、比冲、功率、重量等关键指标选择方面进行综合衡量。对当前和未来适用于深空探测任务需求的几种典型空间推进技术的发展情况进行了阐述,包括混合模式推进技术、太阳能电推进技术、空间核电推进技术、帆类推进技术等,介绍了这些技术的研究进展和应用情况,并对后续应用进行了展望,为我国深空探测推进技术发展提供参考。     

主带小行星采样返回任务中的离子电推进应用方案

由于离子电推进的高比冲特性,采用它执行小行星探测器巡航阶段轨道机动任务时,将使探测器在同样的有效载荷下的发射重量大大减轻。针对我国规划中的主带小行星采样返回任务,调研了国外离子电推进在深空探测任务中的应用情况,在借鉴国外成功经验和任务需求分析的基础上,设计了主带小行星探测器离子电推进系统方案和应用策略,计算了在目前离子推力器寿命水平下,既定探测任务对离子电推进推力、比冲、推进剂量以及功耗需求。研究表明,目前研制的离子推力器可以满足规划中的主带小行星探测任务需求。研究成果对探测器的方案设计有参考价值。     

无电极洛伦兹力推力器技术发展研究

近年来,为了适应深空探测、载人航天、航天器在轨服务等空间任务的需求,大推力、高比冲、长寿命、高推力密度的高功率电推进技术吸引了众多学者的持续关注.相比于其他类型的高功率电推进技术,无电极洛伦兹力推力器(ELF)在推力密度、推重比等指标上具有明显优势,且从原理上克服了电极烧蚀对高功率电推力器寿命的制约,具有广阔的应用前景.本文针对国内外高功率电推进设备的研究现状,对比ELF推力器研制过程技术途径的异同,详细介绍其各部组件的发展概况,分析研究过程中遇到的问题,提出未来ELF推力器的重点研究方向.     

小行星探测电推进系统方案研究

小行星探测以及资源开发与利用对国家抢占深空探测主动权和制高点有着不可估量的战略意义。电推进具有高比冲、长寿命和高度自主巡航等特点,小行星探测器采用电推进执行巡航阶段轨道机动任务,将大幅减少推进剂重量和提高载重比。调研了国外小行星探测的电推进系统方案,针对我国小行星探测对电推进系统的任务需求及现有电推力器的技术基础,提出了5种电推进系统方案,并进行多维度对比,对最优方案进行了设计和关键技术梳理。     

In orbit performance of butane propulsion system

The present work focuses on the determination of the in orbit performance of the Alsat-1 microsatellite propulsion system. The satellite mass is 90 kg, of which 6.2 kg is the propulsion system dry mass. The system is a butane propulsion system using low power resistojet thruster with 2.3 kg of propellant. The liquefied butane gas was selected due to its higher storage density and safety compared to the other propellants used for microsatellites. The purpose of this paper is the analysis of the firings performed after the launch of the satellite and to evaluate the system specific impulse and thrust level during the system lifetime. A total of 273 firings were performed on the Alsat-1 propulsion system in the period between the end of 2002 and mid 2009, the cumulated firing time is more than 12 h 49 min. The analysis of all the propulsion telemetry data shows that the system provides a total mission delta V of 25.3 m/s which is more than the 10 m/s specified for this mission. Furthermore, the mission average specific impulse and thrust are respectively 99.9 s and 48.8 mN.     

大功率电推进电源处理单元技术

电推进作为一种先进的推进技术,其发射质量轻、比冲高,可以降低发射成本。高压电源是电源处理单元（PPU）的主要功率来源,是大功率、高效PPU设计的重点。新型电力电子技术的应用,将对未来地球同步轨道（GEO）通信卫星和深空探测的发展产生重要影响。本文以5kW等级PPU为研究对象,主要介绍大功率电推进技术的现状与发展,从电力电子的拓扑、器件和控制方法3个角度分析了大功率、高效PPU技术发展的特点与前景,为中国研制大功率PPU高压电源提供参考。      

化学-电喷双模推进系统的研究现状及展望

传统的化学推进和电推进拥有不同的特点及适用范围。化学推进可以产生毫牛级至牛级推力,相比于电推进,推力大,推力范围宽;电推进比冲高达上千秒,最小可以产生微牛级推力。但两种模式单独执行任务有一定的局限性,难以完成较为复杂的航天任务。化学推进与电推进相结合的双模推进系统,同时拥有高比冲和较宽的推力范围,为航天器提供了更高的任务灵活性,其中单组元液体火箭发动机 离子液体电喷推力器双模推进系统近年来受到广泛关注。简述了单组元 电喷双模推进系统的工作原理和特点,重点总结了国内外关于双模推进的研究现状,并对目前面临的问题与挑战进行分析。     

高精度霍尔电推进技术的应用与发展研究

在现代化全域通信导航的应用背景下,卫星平台所需具备的精确轨道预测与实时轨道控制能力对电推进系统的推力精度、分辨率等性能提出更高的要求,因此建设高精度的电推进系统具有非常重要的意义。通过对空间应用需求和电推进技术现状的分析,阐明了当前电推进技术的推力输出精度不足以支撑高精度连续导航、超低轨卫星实时阻力补偿以及高分辨率遥感卫星动中成像等空间任务的需求。在此基础上,以霍尔推进系统为研究对象,针对研制高精度推进系统的技术难点,从霍尔推力器技术、流量控制技术、电源及控制技术和试验验证技术四个方面阐述了国内外研究的现状,分析和探讨了关键技术的发展方向和研究思路,为高精度霍尔推进技术未来的重点研究和发展方向提出建议。