基于LIPS-200電推進(jìn)系統在GEO衛星平臺上的布局研究
根據基于LIPS-200電推進(jìn)系統組成和主要技術(shù)指標，結合平臺構型和約束條件，通過(guò)分析研究確定了一種用于南北位置保持、可根據有效載荷承載需求進(jìn)行選配的布局方案。該方案滿(mǎn)足設備安裝、管路焊接、熱控實(shí)施、系統檢漏、地面測試等方面的要求，并在平臺初樣電性星和結構星上進(jìn)行了驗證。理論計算表明，在衛星起飛質(zhì)量、服務(wù)壽命不變的情況下，配置電推進(jìn)系統時(shí)平臺的有效載荷承載質(zhì)量可提高約42.8%，因此具有良好的經(jīng)濟效益。
引言
自1906年電推進(jìn)概念的提出至上世紀90年代成功應用于地球同步軌道(GEO)衛星的南北位置保持以來(lái)，電推進(jìn)技術(shù)已成為提高長(cháng)壽命GEO衛星有效載荷承載能力最有效的手段之一。目前世界各大衛星制造商均為其GEO衛星平臺配置了不同形式的電推進(jìn)系統，如波音公司的BSS-601HP、BSS-702采用了氙離子電推進(jìn)系統(XIPS)，勞拉公司的LS-1300平臺、TAS公司的SB4000平臺、Astri鄄um公司的E3000平臺均配置了穩態(tài)等離子電推進(jìn)系統(SPT)等。
基于LIPS-200電推力器的電推進(jìn)系統專(zhuān)門(mén)針對GEO衛星的南北位置保持研制，其中推力器的額定推力為40mN，比沖為3000s，設計壽命能夠達到12000h以上，開(kāi)關(guān)次數不小于6000次，束流發(fā)散全角約為30毅(90%束流產(chǎn)物的發(fā)散角為26.8毅、95%束流產(chǎn)物的發(fā)散角為30.7°)；電源處理單元的輸入功率為1300W，轉換效率90%。通過(guò)介紹該電推進(jìn)系統在GEO衛星平臺(簡(jiǎn)稱(chēng)“平臺冶)上的布局研究，在該平臺中電推進(jìn)系統為可選配置，即能夠根據有效載荷承載的需要進(jìn)行選配，但無(wú)論配置與否平臺的設備布局和結構圖紙均無(wú)需變化，因此具有很強的任務(wù)適應性和良好的經(jīng)濟效益。
1、系統組成
為適應GEO衛星南北位置保持的任務(wù)需求，科研人員對基于LIPS-200電推力器的電推進(jìn)系統拓撲結構進(jìn)行了一系列研究，其中文獻給出了六種系統組成方案的比較分析，文獻則給出了更為詳細的工質(zhì)、能量和信息拓撲結構。在應用于平臺時(shí)，電推進(jìn)系統的拓撲結構在文獻[3]基礎上進(jìn)行了細化調整，其中推進(jìn)劑貯存模塊(PSM)由2個(gè)狀態(tài)完全相同的氙氣瓶(Xe1、Xe2)組成，方便氣瓶安裝實(shí)施和衛星質(zhì)心控制；原拓撲結構中的兩個(gè)功率切換開(kāi)關(guān)(SW1、SW2)分別集成到了對應的電源處理單元(PPU1、PPU2)中，如圖1所示。
圖1 電推進(jìn)系統原理組成
系統工作時(shí)，壓力調節模塊(PRM)把氙氣瓶中的壓力調節到流量控制模塊(FCM)入口處的額定工作壓力，流量控制模塊向對應的電推力器(ET)提供3路(陰極、陽(yáng)極、中和器)特定流率的氙氣，電推力器完成電能到機械能的轉換；推力矢量調節機構(TOM)為輔助裝置，用于調節電推力器的推力方向，確保南北位保時(shí)的推力通過(guò)衛星質(zhì)心，從而降低對衛星姿態(tài)的干擾，推力矢量調節機構可根據需要為每臺電推力器單獨配置或每組電推力器共用一個(gè)；接口與控制模塊(ICM)按照邏輯時(shí)序控制PPU、PRM、FCM、TOM的工作過(guò)程，并提供與整星的遙測、遙控接口，ICM可作為獨立的單機設備或根據需要集成到其它儀器設備中。
2、布局方案
2.1、平臺概況
平臺采用中心承力筒結構，由服務(wù)艙、推進(jìn)艙、載荷艙三個(gè)艙段組成，本體尺寸為2360mm(X)×2100mm(Y)×3100mm(Z)，具體結構如圖2所示。
圖2 平臺結構組成示意圖
1.東板；2.服務(wù)艙北板；3.載荷艙；4.西板；5.服務(wù)艙南板；6.推進(jìn)艙
2.2、布局原則
電推進(jìn)系統的引入與平臺各分系統都直接相關(guān)，包括結構形式的改變、功率需求的變化、控制策略的調整等，并影響著(zhù)平臺的電場(chǎng)、磁場(chǎng)和接地。作為平臺南北位置保持的可選配置，在進(jìn)行LIPS-200電推進(jìn)系統布局設計時(shí)應遵循以下基本原則:
(1)南北位保的效率盡可能高，以減小工質(zhì)的攜帶量；
(2)南北位保時(shí)的干擾力和干擾力矩盡可能小，以保證位保期間衛星的姿態(tài)和軌道滿(mǎn)足指標要求；
(3)南北位保和東西位保的耦合盡可能小，以減少額外的推進(jìn)劑消耗；
(4)電推力器的羽流、熱流對星外設備的影響在可接受的范圍內；
(5)氙氣瓶的安裝位置應具有良好的剛度和強度，且隨著(zhù)氙氣消耗引起的衛星質(zhì)心變化不能過(guò)大，以免給矢量調節機構的設計帶來(lái)難度并增加推進(jìn)劑消耗；
(6)盡量減少電推進(jìn)與化學(xué)推進(jìn)管路之間的耦合，便于各自的總裝、測試和維護；
(7)滿(mǎn)足電推進(jìn)系統各部件的控溫與散熱需求；
(8)無(wú)論平臺配置電推進(jìn)系統與否，平臺結構和其它分系統的設備布局盡量保持不變，且平臺橫向質(zhì)心變化量盡可能小，以降低配重需求；
(9)與運載整流罩包絡(luò )相容。
以上基本原則中，5項(第1、2、3、4、9項)與電推力器的布局密切相關(guān)，而且電推力器的布局關(guān)系著(zhù)太陽(yáng)翼的選型(功率需求相關(guān))、氙氣瓶的容量(工質(zhì)需求相關(guān))、控制分系統的配置(應用策略相關(guān))、平臺的結構設計(結構構型、剛度強度相關(guān))，因此在進(jìn)行電推進(jìn)系統布局時(shí)應首先確定電推力器的布局。
4、結論
根據LIPS-200電推進(jìn)系統的組成、任務(wù)使命和約束條件，對其在平臺中的布局進(jìn)行了分析論證，確定了最終方案，并在平臺初樣電性星、結構星上進(jìn)行了驗證。結果表明，該布局方案合理可行，滿(mǎn)足設備安裝、管路焊接、熱控實(shí)施、系統檢漏、地面測試等方面的要求，并隨平臺通過(guò)了鑒定級力學(xué)環(huán)境試驗。理論計算表明，在起飛質(zhì)量、服務(wù)壽命不變的情況下，配置電推進(jìn)系統后平臺的有效載荷承載質(zhì)量能夠提高42.8%，因此具有良好的經(jīng)濟效益。
