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(yīng)用無(wú)拖曳飛行技術(shù)的科學(xué)測(cè)量衛(wèi)星，用于測(cè)量地球重力場(chǎng)和穩(wěn)態(tài)海洋環(huán)流。大氣阻尼補(bǔ)償系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)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(cè)試到執(zhí)行任務(wù)的技術(shù)特點(diǎn)、運(yùn)行及性能。并對(duì)T5 離子推力器在大氣阻尼補(bǔ)償系統(tǒng)中的應(yīng)用做了總結(jié)，提出了離子推力器發(fā)展應(yīng)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(duì)推力控制系統(tǒng)提出了很高的要求。航天器的阻尼補(bǔ)償是利用推力控制系統(tǒng)消除全部的非重力擾動(dòng)力，從而使衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)無(wú)拖曳飛行，即沿純粹重力軌道做自由落體運(yùn)動(dòng)。一般情況下衛(wèi)星在軌運(yùn)行受到眾多擾動(dòng)因素影響，對(duì)于低軌道衛(wèi)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(yīng)、太陽(yáng)輻照產(chǎn)生的光壓或力矩以及季節(jié)變化和晝夜交替等。

　　電推進(jìn)系統(tǒng)(IPA)是衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)無(wú)拖曳飛行的主要手段，為無(wú)拖曳飛行衛(wèi)星提供了低擾動(dòng)的環(huán)境。通過(guò)合理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了除重力之外，對(duì)其他作用力的高度解耦。離子推力器具有高比沖、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，并能夠節(jié)約推進(jìn)劑。離子推力器推力的精確可調(diào)節(jié)特點(diǎn)，是最適宜于在衛(wèi)星阻尼補(bǔ)償中應(yīng)用。阻尼補(bǔ)償要求IPA具有快速響應(yīng)、寬范圍高分辨率推力調(diào)節(jié)和低推力噪聲的特點(diǎn)，因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為傳統(tǒng)的化學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法滿足要求。

　　GOCE衛(wèi)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(cè)量衛(wèi)星。能夠測(cè)量地球重力場(chǎng)和穩(wěn)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(zhǔn)面模型。由于GOCE衛(wèi)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(dǎo)致衛(wèi)星受到的大氣阻尼在一個(gè)繞軌飛行內(nèi)有很大的變化范圍。

1、T5離子電推進(jìn)無(wú)拖曳的應(yīng)用

　　英國(guó)的T5離子推力器應(yīng)用于GOCE衛(wèi)星的非保守力補(bǔ)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(diào)節(jié)范圍大0.6～20.6 mN;(3)穩(wěn)態(tài)工作條件下推力矢量穩(wěn)定度高±0.02°;(4)推力噪聲小。

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

　　1.1、系統(tǒng)組成

　　英國(guó)對(duì)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(wèi)星的南北位保和飛行IPA為應(yīng)用目標(biāo)。英國(guó)QinetiQ公司針對(duì)重力測(cè)量衛(wèi)星大氣阻尼補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用需求，從上世紀(jì)90 年代末開(kāi)始，在QinetiQT5mkV推力器基礎(chǔ)上發(fā)展了推力可連續(xù)精細(xì)調(diào)節(jié)的離子推力器。其推力調(diào)節(jié)范圍可以穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)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(tǒng)為鉬材質(zhì)的三柵極結(jié)構(gòu)，后來(lái)針對(duì)GOCE衛(wèi)星應(yīng)用，研制了C/C材料加速柵的雙柵結(jié)構(gòu)，如圖1所示。T5離子推力器設(shè)計(jì)為發(fā)散場(chǎng)，磁場(chǎng)源為6個(gè)螺線管電磁鐵。柵極口徑為10 cm，離子光學(xué)系統(tǒng)由屏柵和加速柵組成�？紤]到任務(wù)對(duì)推力器性能和壽命的要求，對(duì)柵極進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)：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(shù)如表1所列。

圖1 T5 離子推力器三柵和雙柵設(shè)計(jì)

表1 T5 離子推力器性能參數(shù)

3、結(jié)束語(yǔ)

　　大氣阻尼補(bǔ)償系統(tǒng)在GOCE 衛(wèi)星上的成功應(yīng)用，使離子電推進(jìn)作為航天器無(wú)拖曳控制推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)得到充分體現(xiàn)。以重力梯度測(cè)量衛(wèi)星為代表的無(wú)拖曳控制航天器的發(fā)展和應(yīng)用將成為新的空間技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之一。在借鑒國(guó)外成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合科學(xué)探測(cè)規(guī)劃目標(biāo)，及早開(kāi)展無(wú)拖曳控制離子電推進(jìn)的研制。