电推进系统在静止轨道卫星平台上应用的关键技术

边炳秀，魏延明

（北京控制工程研究所，北京l00080）

电推进系统在静止轨道卫星平台上应用的关键技术

边炳秀，魏延明

（北京控制工程研究所，北京l00080）

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。

电推进系统；静止轨道卫星；关键技术分析

1 概 述

电推进作为一种先进的推进技术，由于其高比冲的优势，在先进国家的卫星平台上已经日渐广泛应用，以降低系统质量、提高寿命、增加载荷，并提高姿态控制精度[l]。目前，国际上主要的静止轨道卫星平台上都采用了电推进系统，其中，绝大多数采用了氙离子推力器、稳态等离子推力器（SPT）、脉冲等离子推力器（PPT）和电弧加热推力器。表l所示为国外主要商业卫星平台使用电推进系统的情况[2]。这些电推进系统大多数是用来为卫星南北位置保持提供推力，有的还可以为卫星入轨及东西位置保持提供推力。

表1 国外主要商业卫星平台使用电推进的情况

我国电推进系统的研制起步较晚，与国际水平差距较大，目前还没有在卫星上应用的先例。在东四平台研制阶段曾经对电推进系统应用的可行性进行过详细论证，但是由于当时的技术条件尚不成熟，电推进系统还没有进行过空间搭载试验，仓促上马会带来很大风险，因此，最终没有在该平台上应用电推进系统。

未来的静止轨道平台的重量要远大于现有的卫星平台，仅仅依靠化学推进系统来满足其寿命需求是非常不经济的，从任务需求本身来看，在该平台上使用电推进系统是必需的。同时，从技术发展的角度来看，在该平台上采用电推进系统也是大势所趋。另外，电推进技术研究的不断深入，以及空间搭载试验的成功，将为未来在该平台上成功应用电推进系统打下了基础。

2 电推进系统的初步应用方案

在静止轨道卫星平台上，拟同时应用电推进系统和化学推进系统为卫星提供推力和力矩。其中，化学推进系统采用优化后的双组元统一推进系统，其功能是为卫星入轨、动量轮卸载和卫星东西位置保持提供推力，并作为卫星南北位置保持的备份；电推进系统拟采用氙离子电推进系统，为卫星南北位置保持提供推力，以节约推进剂，并提高性能。该方案既可以充分发挥双组元统一化学推进系统在卫星入轨和姿态控制方面的优势，又可以利用高比冲、小推力电推进系统进行南北位置保持，以节省推进剂，减轻卫星的重量，提高卫星有效载荷的携带量，并能提高控制精度[3]。

电推进系统的4个电推力器安装在卫星的背地板上，其中两个装在南面，两个装在北面[4]。这种安装方式可以降低对整星集成的影响，并降低羽流溅射到太阳帆板所产生的干扰力矩。整个系统分为6个模块：两个推力器模块，每个模块包括两个推力器，安装在同一个通用调节装置上，推力器安装角为45°，采用一个二维推力矢量调节机构调节推力方向，保证推力矢量通过卫星的质心；两个电源模块（PPU），电源位于卫星的南北面热管辐射散热器上，以有效地向空间环境散热，每个PPU可以通过继电器向一个南面的推力器和一个北面的推力器供电，继电器靠近PPU放置，配有冗余备份；两个氙气贮箱，位于卫星平台内部，安装在卫星桁架结构上。

在使用电推进系统进行南北位置保持时，每天在升交点和降交点附近各工作一次，工作时同一侧的两个推力器可以同时点火，每个推力器也可以单独工作，这样可以实现冗余备份，增强系统的可靠性。电推进系统的主要技术指标如表2所示。

表2 电推进系统主要技术指标

3 电推进系统应用所涉及到的关键技术

将氙离子电推进系统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。这主要有以下三个方面的内容：一是电推进系统与电推力器之间的关系，包括电推力器与存储系统、供给系统、电源系统、控制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影响，包括电推进系统对电源、热控、羽流污染控制、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。

3.1 电推进系统与电推力器间的关系

电推力器是电推进系统的重要组成部分，但是，要将电推进系统成功应用于卫星平台，只解决电推力器的问题是远远不够的，必须对包括电推力器在内的所有子系统进行全盘考虑，使其能够协调工作。

电推进系统由4部分组成：电推力器、供配电子系统、控制子系统、推进剂贮存和供给系统。

推力器是为卫星平台产生控制推力的装置，它是电推进系统的核心部件，电推进系统中其他所用子系统都是为其能够正常工作而配备的。离子推力器主要由电离室、阴极、离子光学系统、中和器等组成。

供配电子系统提供卫星平台的电源总线和推力器之间功率转换，其设计主要需要考虑各个组件之间的协调工作、启动和关闭期间防止过电流烧毁设备、可靠性、寿命、转换效率以及减轻质量等问题。

数字接口和控制子系统（DCIU）由微处理器、接口电路等及相应的程序组成，是离子发动机的神经中枢。其任务是接收来自地面的控制信号、PPU、氙气供给子系统（XFS）、电离室的反馈信号，然后进行综合判断，发出控制PPU、XFS、电离室的信号。DCIU可靠性高，具有智能化和故障自我排除能力。

推进剂贮存和供给系统的主要功能包括：氙气的贮存、氙气的压力控制和氙气的流量控制。由于电推进的推进剂流量小，对于推进剂的流量、纯度的精度都有很高的要求，对推进剂贮存和供给系统的设计也提出了很高的要求。与常规化学推进系统的推进剂供给系统相比，推进剂贮存和供给系统有如下显著特点：减压比高、压力调节精度高；微小流量控制；长时间连续工作；高洁净度；长寿命。目前，国内的水平离这些要求还有一定的差距。

除了以上各个基本组成部分之外，要将电推进系统应用在卫星上，还要配置推力矢量调节机构。这是由于电推进系统在长时间工作期间，不可避免地会对整星的姿态产生扰动，如果没有推力方向调节装置，这种扰动就必须依靠姿态控制执行机构或化学推力器点火来补偿，势必大大增加了星上控制执行机构的负担并增加了推进剂的消耗量。推力矢量调节装置应满足l5年以上的使用寿命要求，调节范围应达到±5°，分辨率应达到0.006°，目前国内尚没有这样的调节装置，需要进行研制。

电推进系统在星上安装时，将整个系统分为6个安装模块：两个氙气贮箱模块、两个供配电模块和两个推力器组模块（每个推力器组模块包括推力器的数字接口及控制子系统、推进剂供给子系统和两个推力器），每个模块之间自成体系又相互关联，各个模块之间由控制子系统支配进行协调工作。电推力器分别安装在平台背地板的南北两侧，并全部位于星体的YOZ平面内，图l所示为电推力器安装示意图。

图l 电推力器安装示意图

通过对电推进系统和电推力器关系的梳理可以看出，要在静止轨道卫星平台上应用电推进系统，除了要研制高效的氙离子电推力器外，还要在相关子系统的研制方面投入大量精力，尤其是在氙气存贮和供给系统，以及推力矢量调节机构研制方面加大投入力度。

3.2 电推进系统与化学推进系统间的关系

电推进系统与化学推进系统共同完成卫星的姿轨控任务，化学推进系统的功能是为卫星入轨提供推力、为卫星东西位置保持提供推力、为动量轮卸载提供推力、为卫星南北位置保持作备份；电推进系统的功能是为卫星南北位置保持提供推力。该方案既可以充分发挥双组元统一化学推进系统在卫星入轨和姿控方面的优势，又可以利用高比冲、小推力的电推进系统进行南北位置保持，以节省推进剂，减轻卫星的重量，提高卫星有效载荷的携带量，并能提高控制精度。因此，明确两种推进系统的任务分工及减少相互影响是电推进系统应用的另一类关键技术。

3.2.l 电推进位置保持策略的制定

静止轨道卫星平台将用电推力器实现南北位置保持，由于电推力器的推力只有几十毫牛，因此用电推力器作南北位置保持，在位置保持策略及姿态和轨道控制系统的工作方式上都需要进行重新设计。采用电推力器后的南北位置保持方案初步考虑如下：每天执行两次南北位置保持，在升交点和降交点附近各工作一次，两次位置保持时电推力器的推力方向相反，具体分析如下。

采用化学推力器时大约每半个月执行一次南北位置保持，轨道倾角矢量漂移圆半径为0.034°，每次南北位置保持对应的法向速度增量为Δv=Δi·vs=l.8 m/s。改为每天进行南北位置保持后，每天位置保持需要完成的倾角改变量由l4天的0.034°变为每天的0.0024°，每天位置保持的法向速度增量变为0.l286 m/s。考虑采用两台电推力器同时工作，按每台推力40mN、安装角45°计算，有效推力约为56.6mN。卫星质量按2300kg计算，则每天位置保持所需的时间为：

即每次向南（或向北）位置保持时间约为43.5min。

3.2.2 推进剂携带量的分配

电推进系统和化学推进系统所携带的推进剂量是由其执行的任务来计算的。该卫星平台中，电推进仅用来进行南北位置保持，假设电推力器比冲为30000 N·s/kg，使用寿命为l5年，按照上述的控制策略进行计算，所需要携带的氙气量为l l0kg。化学推进系统主要为卫星入轨、东西位置保持、动量轮卸载、南北位置保持提供推力和冲量。由于消耗推进剂最多的南北位置保持由电推进代替，可大大节约化学推进剂的使用和携带量。

3.2.3 两大系统的相互冗余备份

由于静止轨道卫星平台是首次应用电推进系统，因此，为了尽量降低风险，采用化学推进系统作为电推进系统完全备份。另一方面，电推进系统也可以用作为卫星平台提供入轨功能的化学推进系统的备份，这在国外卫星上有过成功的先例，ARTEM IS卫星由于发射原因未能入轨，就是采用离子推进系统将其成功送入了同步轨道[5]。因此，在化学推进系统和电推进系统设计中要把系统的冗余备份作为重要内容进行预先考虑。

3.3 电推进系统与整星及大系统间的关系

电推进系统在静止轨道平台上应用，将对整星及大系统产生重要影响[6]。其中，主要包括对电源系统、热控系统、遥测系统、星载计算机、羽流污染、EMC的影响等。具体介绍如下。

对电源系统的影响：根据现有的卫星南北位置保持策略，在使用电推进系统进行南北位置保持时，避开了地影区，因此可以使用太阳帆板提供的电能为电推进系统供电，这样就避免了对蓄电池提出额外的要求。但这要求太阳帆板在寿命末期还能够为电推进系统提供2500W以上的电源。另外，由于电推进系统的功耗很大，会对电源母线带来冲击，特别是启动时的浪涌电流危害很大，因此电源变换器应有输入保护和浪涌抑制的功能。

对热控系统的影响：采用电推进系统后，一方面由于电源转换效率的限制，会使PPU产生250W左右的发热量，另一方面推力器产生的部分热量需要热控系统辅助散热。目前离子推进系统PPU的DC-DC电源转换效率约92%，因此PPU对卫星平台的热负荷为250～300W。推力器的效率为50%左右，其能量损失包括羽流的化学能和热能损失、向宇宙空间的热辐射、向卫星表面的热辐射以及向推力器安装结构的导热等，其中向卫星表面的热辐射和向推力器安装结构的导热会增加卫星的热负荷。此外，氙气贮存系统对温控的要求极为严格，这也需要热控系统进行保证。

对遥测系统的影响：电推进系统对卫星控制精度高，而且在星上应用时几乎每天都要工作，对遥测的精度和密度均有较高要求。这些遥测参数分为模拟量和数字量，模拟量遥测参数包括：压力、温度遥测参数，电源电压、电流遥测参数。数字量遥测参数包括：推力器开关状态、自锁阀开关状态和电源开关状态。电推进系统本身要增加60路以上的遥测参数。

对星载计算机的影响：电推进系统的推力小，启动、关机时间长，工作时间长，需要每天工作，开关机频繁，工作过程需要密切监视，往往需要配置专门的控制器。如果由星上的控制计算机来完成这项工作，可以实现卫星南北位置保持时的自主运行机制，减少对地面站的依赖，目前我国地面测控网络可以满足电推进的工作需求，但对星上计算机有更高的要求，需要能根据卫星当前的状态，计算出每天的开关机时间和工作模式，并能准确提供指令，如果推进系统带有推力矢量调节装置，还需要由星上计算机来控制推力矢量方向。

羽流污染的影响：将电推进系统应用到新型卫星平台上，羽流是一个重要的考虑因素。离子发动机的羽流中含有各种高能粒子，包括电子、离子、中性粒子等，虽然发散半角小于SPT推进系统，但粒子的能量更高，它对卫星平台的影响主要包括以下几个方面：羽流与其它部件的相互作用对卫星的力学影响；羽流对其他部件的热影响；羽流对推力器结构件及其它星上部件的溅射腐蚀；羽流溅射产生的粒子沉积对卫星的污染；羽流在卫星表面的电荷沉积对卫星的静电环境的改变；等离子体羽流对卫星电磁环境的干扰；在某些工作条件下，推力器的电流波动会引起各种高频等离子体振荡，对无线电通信造成影响。如果对羽流问题不加慎重考虑，没有采取有效的防范措施，羽流与卫星平台的各个部件相互作用会带来一系列的问题，如太阳能电池帆板的效率下降乃至失效、对电磁场的屏蔽、对卫星表面材料的腐蚀等。

EMC的影响：由于电推进系统产生的电场和磁场很强，因此除电推进系统本身的EMC试验外，还必须进行整星的EMC试验，这是一项复杂的工作，必须在借鉴国外经验的基础上，做大量的研究工作。我国电磁兼容性试验的航天标准中列的所有l5项电磁兼容性试验项目中，氙离子电推进系统需要通过其中的l3项试验（仅不用关于接收机和发射机的验证）。此外，还有4项工作也非常关键：PPU的滤波和隔离；电缆网的屏蔽；离子推进系统接地网络的实现；静电放电的敏感度分析。其中接地网络涉及PPU供电电源和离子推力器的11路电源的隔离和接地，由于各路电源的电压相差很大，需要很好的匹配；放电电流与氙气的流量紧密耦合、互相影响，氙气流量的变化也会引起电磁环境的变化；由于放电室溅射产物的沉积，加速栅极与屏栅极之间可能发生短路，会引发PPU短路保护，使发动机的工作点偏移。另外，如果中和器点火延迟或提前关机，哪怕时间只有几毫秒，也会使推力器的电位升高到上万伏。上述故障模式对离子推进系统乃至整星都有重要的影响，因此EMC/静电放电（ESD）设计应该贯穿到设计的整个过程，大部分关键项目只能通过试验来解决。

电推进系统除了对以上系统有重要影响之外，还需要解决多种接口的关系，另外它对发射场环境也有非常苛刻的要求，这些都是今后需要解决的问题，这些问题解决将为电推进系统的成功应用打下良好的基础。

4 结 论

将氙离子电推进系统应用于未来静止轨道卫星平台，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。本文对电推进应用所涉及到的三个关系做了梳理，即电推进系统与电推力器间的关系，电推进系统与化学推进系统间的关系，电推进系统与整星及大系统间的关系。通过对这些关系的梳理，列出了所涉及到的关键技术，为今后开展电推进系统的应用研究提供参考。

[l]魏延明，边炳秀.电推进技术、空间应用与中国发展战略[C].航天推进的现在与未来专题研讨会，2002，西安

[2]张瞬英编.HS 702通用平台推进系统[Z].北京控制工程研究所航天器推进系统汇编，2000，4l～45

[3]Accettura A G，Rose L D，Bruno C.Advanced propulsion systems：mission scenarios，critical overview，and key technologies for new demands[A].AIAA 200l-35l7

[4]Bassner H，Hofmann J.Status of the ion propulsion package for artemis and its commercial application[A].AIAA 95-25l8

[5]Killinger R，Kukies R，et al.Orbit raising with ion propulsion on ESA′s ARTEMIS satellite[A].AIAA 2002-3672

[6]Killinger R，Kukies R.ARTEM IS：ion propulsionsatellite interactions[A].AIAA 2005-3670

Key Techniques for the App1ication of the E1ectric Propu1sion System in the Geostationary Sate11ite P1at form

BIAN Bingxiu，WEIYanm ing
（Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100080，China）

The application of electric propulsion system in China′s geostationary satellite in the future is a necessary trend.For the application of the electric propulsion system，a lot of problems have to be solved for both thruster itself and the system application.Based on the analysis of satellite requirements，this paper summarizes the key techniques for the electric propulsion system application on the geostationary satellite.These problems can be separated into three aspects：the first is the internal interface of the electric propulsion system，including the interface between thruster and propellant storage and supply subsystem，power subsystem，control subsystem etc.The second is the coordinate operation of electric propulsion system and chemical propulsion system，including the separate operation and interaction.The last one is impact of the electrical propulsion system on the whole satellite，including plume，electromagnetic compatibility（EMC），telemetry，tracking and control（TT&C）and power etc.This paper classifies and integrates the key techniques and defines the problems to be solved for the application of electric propulsion system in China′s geostationary satellite.

electric propulsion system；geostationary satellite；key techniques

2007-l2-11

边炳秀（l959-），男，吉林人，研究员，研究方向为推进技术（e-mail：Bianbx@bice.org.cn）。

V439.4，V433

A

l674-l579（2008）0l-0020-05