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。     

电推进系统在静止轨道卫星平台上应用的关键技术

在未来静止轨道平台上应用电推进系统是我国航天事业发展的必然趋势。将氙离子电推进系统(XIPS)应用于静止轨道卫星平台,除了要解决电推力器本身的问题之外,还要在系统应用方面做大量工作。以该静止轨道卫星对电推进系统的需求为基础,从三个方面对电推进系统在未来静止轨道平台上应用所涉及到的关键技术进行了分类及梳理:一是电推进系统与电推力器之间的关系,包括电推力器与推进剂贮存和供给子系统、电源子系统、控制子系统联合工作所涉及到的关键技术;二是电推进系统与化学推进系统的协调工作,包括两种推进系统的任务分工及相互影响所涉及到的关键技术;三是电推进系统对整星及大系统的影响,包括电推进系统对电源、热控、羽流污染控制、电磁兼容性(EMC)、遥测遥控、自主管理等所涉及到的关键技术。通过对这三个方面的关键技术进行梳理,明确了电推进系统在整星上应用所需要开展的工作。     

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。     

高丽星-1工作寿命将减半

由洛克希德·马丁公司为韩国研制的高丽星－１（Ｋｏｒｅａｓａｔ－１）通信卫星，于８月５日用麦道公司的德尔他－２运载火箭发射。由于火箭的一个固体助推器工作完毕后没有分离，致使火箭的“无效载荷”增加，运载火箭负重飞行，结果将卫星送入一条远地点比预定高度低６３５１千米的椭圆轨道。卫星将利用自身的推进系统和燃料，将轨道调整到预定的轨道。当然，这样一来，卫星不得不大量消耗那些本来应主要用于定点保持的燃料，卫星在轨的工作寿命必将大为缩短。高丽星－１的设计寿命为１０年，现在可能缩短为４年半，准确的寿命预计还有待…     

地球静止轨道卫星电推进位保策略研究

研究了利用电推进系统进行GEO卫星轨道保持问题,给出了一种基于日预报的位置保持策略。首先,根据GEO卫星轨道漂移规律,分析了小推力推进系统每日进行位保的可行性;然后,针对四电推力器配置构型,给出了每日轨道误差、各推力器工作时间与区间的预测方法;进一步,针对给定的定点位置,根据位保效果对电推进安装角进行了优化选择,并研究了推力变化对位保效果和燃料消耗的影响。以东经100°定点为例对所给方法进行了仿真验证,数值结果表明:所给策略可有效用于GEO卫星位置保持。     

电推进系统的过去、现在及未来

正当前,航天器主要使用化学推进系统和电推进系统。化学推进系统是在航天器内加注化学推进剂并产生化学反应,产生推力,推动火箭飞行;电推进系统是使用电能产生推力,推动航天器飞行。相比起化学推进系统,电推进系统所需要加注的推进剂少,且不必受推进剂产生/释放化学能量大小的制约,可以有效地将电能转化为动能,具有比冲高、工作时间长的优势。在太空特有的真空失重状态下,电推进系统能够长时间工作,持续做功,帮助航天器完成位置保持和轨道机动。     

空间引力波探测微牛电推进寿命评估研究现状

阐述了空间引力波探测任务中无拖曳控制技术对推进系统的特殊要求，介绍了目前主要的备选推进类型：冷气推进、离子电推进、会切型霍尔电推进、胶体电推进。针对面向空间引力波探测任务的电推进系统的寿命评估工作进行了任务分析，报告了目前微牛级电推进系统寿命试验研究现状，举例说明了目前主要应用的电推进装置寿命预测方式，包括半经验模型预测、数值模拟预测、基于数据驱动的预测以及系统层面的可靠性评估方法。对目前微牛级电推进系统的寿命评估研究现状进行总结，给出了发展思路。     

延长通信卫星寿命的技术有进展

地球静止轨道通信卫星的工作寿命主要取决于卫星携带的用于轨道保持和姿态控制的燃料量,一旦燃料耗尽,这颗卫星就失去控制而报废。     

空间站先进的推进系统

本文讨论空间站控制各种类型的推进系统。研究结论是推进剂消耗量是一个重要成本因素。电推进系统具有比化学推进器最少高一个数量级的比冲,所以采用电推进系统可以大量减少推进剂质量。电推进系统适用于比较大的总冲量的任务,诸如阻力补偿和轨道转移。     

空间核电推进系统比质量优化建模及其木星探测应用分析

空间核电推进(Nuclear Electric Propulsion,NEP)系统是一种将核热能转换成电能,并驱动大功率电推力器而产生推力的革命性空间推进技术。和传统推进技术相比,NEP具有高比冲、大功率、长寿命等技术优势,非常适合未来大规模深空探测任务。基于NEP系统组成和小推力轨道理论,建立了以有效载荷为目标的NEP系统比质量优化模型。该模型能够解析NEP航天器的轨道运行时间、比质量、功率与有效载荷比的复杂耦合关系,为任务优化提供了计算依据。最后,利用该模型对NEP系统完成NASA "Juno号"航天任务进行了技术指标评估分析。计算表明,当NEP系统比质量达到4.8 kg/kWe时,其能将"Juno号"航天任务的地木转移时间由2 266 d缩短至665 d,有效载荷由160 kg提高到1 179 kg,极大地提高了航天器的探测能力,为任务方案的可行性论证和后续设计提供参考。     

吸气式电推进系统可行条件分析

吸气式电推进系统作为有可能实现长寿命超低轨飞行的技术而被关注。根据不同轨道环境条件,采用管状结构进气道、以及机械增压的吸气方式,讨论了吸气式电推进系统所需的可行条件。分析表明,在轨高度180~240km,航天器所需总功耗与迎风面之比需要大于2kW/m2,电推力器比冲需大于4×104m/s,方可满足推阻平衡需求。分析得出,实现吸气式系统在地球轨道的运用,关键技术在于增加气体收集效率并且降低收集功耗,同时电推力器的效率还需进一步提升。     

地球同步轨道卫星混合推进转移轨道特性分析

以地球同步轨道卫星转移轨道设计为背景，针对全化学推进燃料消耗大和全电推进转移时间长的问题，开展了化学 电混合推进转移轨道优化设计与特性分析。首先，讨论了轨道倾角和近地点幅角变化对混合推进转移轨道的影响。研究表明，在混合推进优化设计中需要将轨道倾角作为优化变量之一。然后，以近地点半径、远地点半径、轨道倾角为优化变量生成搜索网格，得到过渡轨道集。针对每条过渡轨道，构建化学推进转移段和电推进转移段。其中化学推进段采用单圈兰伯特转移解算，电推进段采用混合法优化。最后，以燃料消耗和转移时间为指标，在搜索域内开展解算分析，研究了混合推进轨道在整个搜索域内的变化趋势。该方法可以提供具有不同燃料消耗和转移时间的混合推进转移解集，拓宽了解空间，可供轨道设计人员根据任务约束灵活选用。     

舌形张角型脉冲等离子体推力器极板结构参数影响仿真研究

脉冲等离子体推力器是一种具有发展前景的电推进装置,具有比冲高、质量轻等优点,可用于微小卫星的姿态控制、轨道转移等任务。以ADD SIMP–LEX推力器为例,建立数学仿真模型,并对舌形张角型极板构型进行仿真,经过仿真和实验结果对比,探究了不同极板参数对推力器的主要性能参数(元冲量、效率、比冲等)的影响,研究结果表明:增大宽度比,元冲量和效率随之增大,比冲有所降低;增大张角,元冲量和效率也随之增大,比冲略有降低,但幅度不大。     

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。     

基于联合供电的GEO卫星电推进工作策略

针对电推进系统高功率需求,以整星能源的高效利用为目标,以电推力器的复杂工程参数和整星能源为约束,提出基于太阳电池阵和蓄电池组联合供电的静止轨道卫星电推进在轨工作策略,定量分析不同电推进类型、太阳翼构型、电源系统配置等对工作策略的影响,得到复杂工程约束条件下的南北位保、东西位保和角动量卸载控制周期的优选方法.仿真算例表明,在留有工程设计余量的情况下,根据该方法优选得到的电推进工作策略可以满足电推进系统的使用要求和整星能源平衡要求,与采用增大太阳帆板面积的方法相比,可避免卫星平台承重能力降低（约60 kg）,并提高整星能源利用率.     

一种利用角动量进行电推力矢量标定的算法

航天器上越来越多地使用电推进进行轨道修正,电推力器的配置安装和使用方式决定了电推进的调整策略,大多数情况下在轨卫星都需要进行电推力矢量的标定和调整。针对国内某类型地球静止轨道卫星,提出一种利用在轨电推力器工作时引起的星体角动量变化来进行电推力矢量标定及调整的算法,同时给出了国内首次在轨电推力矢量标定及调整的应用实例。在轨标定结果表明算法正确可行,该算法为在轨卫星电推标定和调整提供了一种解决方案。     

欧空局电推进系统的研制情况

进入空间时代以来,电推进系统成了欧洲的热门研究课题,原因是它的比冲要比最好的化学推进系统还高出一个数量级。尤其是1982年ESA做出决定,同意接纳RITA10在尤里卡作飞行试验,这一决定更促进欧洲电推进的研究工作,以便满足未来空间任务的要求。随着欧洲空间技术的发展,ESA目前正加速发展星际高能空间科学任务和低轨道地球观测任务。电推进系统不仅对高能科学任务非常实用,而且对于地球观测任务以及与哥伦布计划/空间站有关的其它低轨道任     

电推进技术应用日益广泛

□□低推力、高比冲、轻质量的电推进技术发展正方兴未艾。由于其比冲高，所以在航天器上使用时能大大减少推进剂的携带量而增加有效载荷；或不减少推进剂而大大延长航天器的工作寿命，因此应用范围不断扩大。迄今为止，已经有160多个地球卫星和行星际探测器使用过电推进技术。     

高轨道长寿命锂离子蓄电池在轨管理策略研究

锂离子蓄电池相对于氢镍蓄电池,有更高的单体电压、更高的能量质量比、热效应小、自放电小、无记忆性、模块化的优点;同时,锂离子蓄电池严禁过充放电,对电池一致性要求高;锂离子蓄电池应用于高轨道长寿命卫星上,还需满足高轨道长寿命卫星的轨道环境和寿命要求,电池的充放电管理也更为复杂。     

M5型微波离子推力器10000h寿命试验

微波离子电推力器具有体积小、无热阴极、启动时间快、工作寿命长等优点,非常适用于空间推进领域。为了验证上海航天控制技术研究所研制的一款百瓦级电推力器M5型微波离子推力器的寿命,进行了10000h的寿命和10000次重复启动考核实验,在实验过程中,测试推力器工作性能参数和启动性能,通过对测试数据的分析来判断推力器的工作状态。实验表明M5型微波离子推力器连续累计工作10000h后,性能指标满足设计要求,累计重复启动10000次后启动性能未出现明显下降。证明M5型微波离子推力器寿命超过10000h,重复启动次数大于10000次。