超大型航天器應用電推進(jìn)系統方案設計

　　超大型航天器運行在(393±10)公里的近地軌道上，由于受到大氣阻尼的減速作用，需要對超大型航天器實(shí)施軌道維持。LHT-100 霍爾電推進(jìn)系統是一種可用于超大型航天器軌道維持的高比沖小推力的電推進(jìn)裝置，采用電推進(jìn)系統，超大型航天器年推進(jìn)劑需求量可以降低到400kg 以下，并需要對載有航天員的超大型航天器的安全性和可靠性進(jìn)行評估。本文提出了超大型航天器軌道維持霍爾電推進(jìn)系統方案設計，對霍爾推力器和貯氣單元氣瓶組件在軌可置換性進(jìn)行了分析，最后對其可靠性和安全性進(jìn)行了設計與分析，為我國超大型航天器采用LHT-100 霍爾電推進(jìn)系統進(jìn)行軌道維持開(kāi)展系統產(chǎn)品研制奠定了堅實(shí)的基礎。

　　目前，世界各國均研制出了成熟的霍爾推力器產(chǎn)品。俄羅斯Fakel EDB 設計的SPT-50、SPT-70和SPT-100，歐洲SNECMA 研制的PPS-1350、PPS1350-G，美國B(niǎo)usek 公司研制的BHT-200。AFRL和Busek 成功完成了IHPRPT Phase II 的演示。1976 年，穩態(tài)等離子體推力器首次應用于地球同步軌道衛星的東西位置保持和重新定位。此后，各種性能優(yōu)異的穩態(tài)等離子體推力器先后用于Potok、Louch、EXPRESS、EXPRESS-A 等一系列衛星的位置保持、姿態(tài)控制、傾角修正及重新定位等任務(wù)。

　　穩態(tài)等離子體推力器是目前技術(shù)非常成熟且應用比較廣泛的電推力器。它可以用來(lái)提供衛星位置保持、姿態(tài)控制等在軌任務(wù)所需動(dòng)力，可以用來(lái)取代低比沖的化學(xué)推進(jìn)方式。穩態(tài)等離子體推力器功率范圍為50 W~50 kW，相應的推力可以達到5~1500 mN，比沖可以達到500~1800 s，效率可以達到50%以上，并且可以長(cháng)期穩定工作。

　　相對于離子推力器，穩態(tài)等離子體推力器可以擺脫空間電荷的限制，能夠產(chǎn)生更高的推力密度。不同功率級別的穩態(tài)等離子體推力器安裝在各種用途航天器上，體現出了其在航天應用廣泛的特點(diǎn)。大比沖的霍爾推力器可以成為深空探測和星際航行的高效動(dòng)力裝置。因此，使用霍爾推力器不僅在能源供給時(shí)可以減少系統的體積和重量，而且還可以減少所需攜帶的推進(jìn)劑的質(zhì)量，可以提高衛星的實(shí)際有效載荷，降低發(fā)射費用。蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的LHT-100 霍爾推力器口徑100 mm，具有較高的推力效率(～50%)、比沖可達1600 s ，LHT-100 霍爾推力器可以廣泛應用于地球同步軌道衛星的南北位置保持、東西位置保持及軌道轉移，并在低軌道大型航天器軌道維持應用及深空探測主推進(jìn)應用領(lǐng)域前景廣闊。

　　超大型航天器運行在393±10 公里的近地軌道上，由于受到大氣阻尼的減速作用，為實(shí)現超大型航天器工作軌道高度的保持，超大型航天器上必須要有軌道維持的推進(jìn)系統。如果采用化學(xué)推進(jìn)系統完成大氣阻尼補償推進(jìn)任務(wù)，每年需要的推進(jìn)劑重量接近2 t，由此，給超大型航天器帶來(lái)的很高的補給壓力，同時(shí)補給會(huì )造成很高的運行成本。因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為采用高比沖的電推進(jìn)系統是更好的技術(shù)解決方案，分析表明，若采用電推進(jìn)系統，超大型航天器年推進(jìn)劑需求量可以降低到400 kg 以下。

　　本文首先進(jìn)行了超大型航天器電推進(jìn)系統的方案設計，明確了超大型航天器LHT-100 霍爾電推進(jìn)系統組成方案，并結合超大型航天器實(shí)際應用對霍爾電推進(jìn)系統進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)分析，最后對電推進(jìn)系統的可靠性和安全性進(jìn)行了設計與分析，為我國超大型航天器霍爾電推進(jìn)系統產(chǎn)品研制工作奠定了堅實(shí)的基礎。

1、系統方案設計

　　1.1、系統組成

　　單臺LHT-100 霍爾推力器的推力為80 mN，完成軌道維持任務(wù)需要兩臺推力器同時(shí)工作才能滿(mǎn)足超大型航天器軌道維持要求。另外考慮工作推力器的軸對稱(chēng)要求和可靠性備份要求后，至少需要四臺推力器組成系統。圖1 是超大型航天器霍爾電推進(jìn)系統組成方案，LHT-100 霍爾電推進(jìn)系統由2 臺控制單元、1 臺貯氣單元、1 臺推進(jìn)劑供給單元(內含1 臺調壓模塊和4 臺流量調節模塊)、4 臺電源處理單元(內含濾波模塊)、4 臺霍爾推力器和4 臺推力器在軌適配器組成。LHT-100 霍爾推力器和推力器在軌適配器布局在艙外，其余各設備均布局在艙內。系統接口示意圖見(jiàn)圖2。

圖1 超大型航天器LHT-100 霍爾電推進(jìn)系統組成方案

圖2 超大型航天器霍爾電推進(jìn)系統接口示意圖

　　電推進(jìn)系統配置1 臺貯氣單元(內含2 臺氣瓶)，負責存貯推進(jìn)劑工質(zhì)，考慮電推進(jìn)系統的推進(jìn)劑補加需求，電推進(jìn)系統貯氣單元放置在超大型航天器的密封艙內，通過(guò)穿艙氣路供給艙外的推力器工作。電推進(jìn)系統配置2 個(gè)控制單元，其中控制單元1 布置在非密封艙中，負責電推進(jìn)系統與超大型航天器平臺的供電和信息接口，并負責非密封艙內外設備的控制、用電分配以及系統參數采集;控制單元2 布置在密封艙內，負責貯氣單元的控制、用電分配及參數采集任務(wù)，控制單元2 通過(guò)穿艙電纜與控制單元1 進(jìn)行供電和數據通信，與超大型航天器平臺無(wú)電接口。電推進(jìn)系統的系統參數由控制單元1 匯總后，傳輸至超大型航天器平臺，最終實(shí)現參數的下行。電推進(jìn)系統配置4 個(gè)電源處理單元(PPU)，布置在非密封艙內，負責為電推力器供電，電源處理單元與超大型航天器平臺無(wú)電接口，其上游供電由控制單元1 分配。推進(jìn)劑供給單元布置在非密封艙內，負責推進(jìn)劑的壓力和流量調節，接收控制單元1 的控制指令，將推進(jìn)劑以規定的流量供給對應的霍爾推力器。電推進(jìn)系統配置4 臺推力器和4 臺推力器在軌適配器，正常工作時(shí)為兩臺推力器點(diǎn)火工作。推力器1# 和推力器3# 為主份推力器， 推力器2# 和推力器4# 為備份推力器。電源處理單元與推力器一一對應。主份推力器故障時(shí)，可以啟動(dòng)備份推力器及對應的電源處理單元工作。超大型航天器霍爾電推進(jìn)系統霍爾推力器和貯氣單元氣瓶組件具備在軌可置換接口，以保證霍爾電推進(jìn)系統具有在軌工作10 年以上的能力。

　　1.2、系統布局方案

　　超大型航天器密封艙內提供貯氣單元氣瓶組件的安裝位置，采用支架固定連接方式，暫定采用兩個(gè)卡箍進(jìn)行固定。貯氣單元設計需保證電推進(jìn)系統總漏率不大于1×10^-5 Pa·m³/s。(工作壓力下He 氣檢漏)。超大型航天器平臺為電推進(jìn)系統在非密封艙內，提供1 個(gè)推進(jìn)劑供給單元的安裝位置，推進(jìn)劑供給單元在靠近密封艙內貯氣單元的位置布置。超大型航天器平臺為電推進(jìn)系統在非密封艙內，提供4 個(gè)電源處理單元的安裝位置。根據電推力器的艙外布局，兩臺電源處理單元在非密封艙內靠近I 象限位置布置，另兩臺在非密封艙內靠近III 象限位置布置。超大型航天器平臺為電推進(jìn)系統在非密封艙內，提供1 個(gè)控制單元1 的安裝位置�？刂茊卧�1 靠近推進(jìn)劑供給單元布置。超大型航天器平臺為電推進(jìn)系統在非密封艙靠近貯氣單元位置附近，提供1個(gè)控制單元2 的安裝位置。超大型航天器平臺為電推進(jìn)系統在艙壁上提供4 個(gè)霍爾推力器的安裝位置。推力器通過(guò)在軌適配器與超大型航天器平臺安裝，推力器在軌適配器確�；魻柾屏ζ髟诜敲芊馀撏庾畲笸獍�絡(luò )滿(mǎn)足超大型航天器系統與運載火箭系統確定的約束。最終實(shí)現推力器的推力矢量方向過(guò)艙體軸線(xiàn)，與艙體軸線(xiàn)夾角45°，霍爾推力器通過(guò)在軌適配器實(shí)現在軌更換。

4、結論

　　作為先進(jìn)的空間推進(jìn)技術(shù)，霍爾電推進(jìn)系統在空間推進(jìn)方面的應用得到了加速發(fā)展。隨著(zhù)我國超大型航天器軌道維持使命的需求，我國的霍爾電推進(jìn)工程產(chǎn)品研制正在提上日程。

　　本文基于蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的LHT-100 霍爾電推進(jìn)系統，提出了超大型航天器軌道維持應用霍爾電推進(jìn)系統方案設計，并對霍爾推力器和貯氣單元氣瓶組件在軌置換進(jìn)行了方案設計，最后對電推進(jìn)系統的可靠性和安全性進(jìn)行了設計與分析， 為我國超大型航天器LHT-100 霍爾電推進(jìn)系統產(chǎn)品研制奠定了堅實(shí)的基礎。