基于T5離子推力器無(wú)拖曳飛行技術(shù)

　　GOCE是世界上首次應用無(wú)拖曳飛行技術(shù)的科學(xué)測量衛星，用于測量地球重力場(chǎng)和穩態(tài)海洋環(huán)流。大氣阻尼補償系統是實(shí)現無(wú)拖曳飛行的重要技術(shù)支撐，其核心單元是T5 離子推力器�；�于T5 離子推力器無(wú)拖曳飛行，論述了從入軌測試到執行任務(wù)的技術(shù)特點(diǎn)、運行及性能。并對T5 離子推力器在大氣阻尼補償系統中的應用做了總結，提出了離子推力器發(fā)展應用的建議。

　　引言

　　航天器的無(wú)拖曳飛行需要高精度地控制推力輸出，對推力控制系統提出了很高的要求。航天器的阻尼補償是利用推力控制系統消除全部的非重力擾動(dòng)力，從而使衛星實(shí)現無(wú)拖曳飛行，即沿純粹重力軌道做自由落體運動(dòng)。一般情況下衛星在軌運行受到眾多擾動(dòng)因素影響，對于低軌道衛星受到的主要擾動(dòng)為大氣阻尼，其他因素包括地球磁場(chǎng)效應、太陽(yáng)輻照產(chǎn)生的光壓或力矩以及季節變化和晝夜交替等。

　　電推進(jìn)系統(IPA)是衛星實(shí)現無(wú)拖曳飛行的主要手段，為無(wú)拖曳飛行衛星提供了低擾動(dòng)的環(huán)境。通過(guò)合理設計實(shí)現了除重力之外，對其他作用力的高度解耦。離子推力器具有高比沖、長(cháng)壽命等特點(diǎn)，并能夠節約推進(jìn)劑。離子推力器推力的精確可調節特點(diǎn)，是最適宜于在衛星阻尼補償中應用。阻尼補償要求IPA具有快速響應、寬范圍高分辨率推力調節和低推力噪聲的特點(diǎn)，因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為傳統的化學(xué)發(fā)動(dòng)機無(wú)法滿(mǎn)足要求。

　　GOCE衛星是歐空局(ESA)于2009年3月發(fā)射的地球重力場(chǎng)科學(xué)測量衛星。能夠測量地球重力場(chǎng)和穩態(tài)海洋環(huán)流，并提供高精度和高分辨率的地球重力場(chǎng)和大地水準面模型。由于GOCE衛星的飛行軌道為近似圓形的太陽(yáng)同步軌道，高度約為250 km，這導致衛星受到的大氣阻尼在一個(gè)繞軌飛行內有很大的變化范圍。

1、T5離子電推進(jìn)無(wú)拖曳的應用

　　英國的T5離子推力器應用于GOCE衛星的非保守力補償，該推力器的主要性能特征包括：(1)高比沖3 000 s;(2)推力調節范圍大0.6～20.6 mN;(3)穩態(tài)工作條件下推力矢量穩定度高±0.02°;(4)推力噪聲小。

　　GOCE衛星總共搭載了兩套IPA作為主備份，分別為主系統A和備份系統B。在整個(gè)任務(wù)運行過(guò)程中，除了在試車(chē)階段啟動(dòng)B系統，其余工作時(shí)間只啟動(dòng)A系統�？傁到y包括2臺T5離子推力器(ITA)、2套控制系統(IPCU)、2套氙氣比例供給系統(PXFA)和1個(gè)氙氣罐(XST)。以下分別從系統組成、入軌測試以及工作運行等方面對該推力器進(jìn)行總結。

　　1.1、系統組成

　　英國對離子電推進(jìn)的研究開(kāi)始于1967年，主要是Kaufman型離子推力器，研發(fā)離子推力器主要以通信衛星的南北位保和飛行IPA為應用目標。英國QinetiQ公司針對重力測量衛星大氣阻尼補償的應用需求，從上世紀90 年代末開(kāi)始，在QinetiQT5mkV推力器基礎上發(fā)展了推力可連續精細調節的離子推力器。其推力調節范圍可以穩定實(shí)現0.6～20.6 mN之間，最佳工作點(diǎn)處的比沖3 500 s。研制初期，推力器的柵極系統為鉬材質(zhì)的三柵極結構，后來(lái)針對GOCE衛星應用，研制了C/C材料加速柵的雙柵結構，如圖1所示。T5離子推力器設計為發(fā)散場(chǎng)，磁場(chǎng)源為6個(gè)螺線(xiàn)管電磁鐵。柵極口徑為10 cm，離子光學(xué)系統由屏柵和加速柵組成�？紤]到任務(wù)對推力器性能和壽命的要求，對柵極進(jìn)行了優(yōu)化設計：加速柵采用抗濺射的石墨材料;屏柵為沖壓和熱處理的鉬材料;空心陰極為3 mm鋇鎢陰極，推力器性能參數如表1所列。

圖1 T5 離子推力器三柵和雙柵設計

表1 T5 離子推力器性能參數

3、結束語(yǔ)

　　大氣阻尼補償系統在GOCE 衛星上的成功應用，使離子電推進(jìn)作為航天器無(wú)拖曳控制推進(jìn)系統的優(yōu)勢得到充分體現。以重力梯度測量衛星為代表的無(wú)拖曳控制航天器的發(fā)展和應用將成為新的空間技術(shù)發(fā)展趨勢之一。在借鑒國外成功經(jīng)驗的基礎上，結合科學(xué)探測規劃目標，及早開(kāi)展無(wú)拖曳控制離子電推進(jìn)的研制。