超大型航天器應(yīng)用電推進(jìn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
超大型航天器運(yùn)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(duì)超大型航天器實(shí)施軌道維持。LHT-100 霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)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(tǒng)，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(duì)載有航天員的超大型航天器的安全性和可靠性進(jìn)行評(píng)估。本文提出了超大型航天器軌道維持霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，對(duì)霍爾推力器和貯氣單元?dú)馄拷M件在軌可置換性進(jìn)行了分析，最后對(duì)其可靠性和安全性進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析，為我國(guó)超大型航天器采用LHT-100 霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行軌道維持開展系統(tǒng)產(chǎn)品研制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
目前，世界各國(guó)均研制出了成熟的霍爾推力器產(chǎn)品。俄羅斯Fakel EDB 設(shè)計(jì)的SPT-50、SPT-70和SPT-100，歐洲SNECMA 研制的PPS-1350、PPS1350-G，美國(guó)Busek 公司研制的BHT-200。AFRL和Busek 成功完成了IHPRPT Phase II 的演示。1976 年，穩(wěn)態(tài)等離子體推力器首次應(yīng)用于地球同步軌道衛(wèi)星的東西位置保持和重新定位。此后，各種性能優(yōu)異的穩(wěn)態(tài)等離子體推力器先后用于Potok、Louch、EXPRESS、EXPRESS-A 等一系列衛(wèi)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(wěn)態(tài)等離子體推力器是目前技術(shù)非常成熟且應(yīng)用比較廣泛的電推力器。它可以用來提供衛(wèi)星位置保持、姿態(tài)控制等在軌任務(wù)所需動(dòng)力，可以用來取代低比沖的化學(xué)推進(jìn)方式。穩(wěn)態(tài)等離子體推力器功率范圍為50 W~50 kW，相應(yīng)的推力可以達(dá)到5~1500 mN，比沖可以達(dá)到500~1800 s，效率可以達(dá)到50%以上，并且可以長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。
相對(duì)于離子推力器，穩(wěn)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(jí)別的穩(wěn)態(tài)等離子體推力器安裝在各種用途航天器上，體現(xiàn)出了其在航天應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)。大比沖的霍爾推力器可以成為深空探測(cè)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(tǒng)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(wèi)星的實(shí)際有效載荷，降低發(fā)射費(fèi)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(dá)1600 s ，LHT-100 霍爾推力器可以廣泛應(yīng)用于地球同步軌道衛(wèi)星的南北位置保持、東西位置保持及軌道轉(zhuǎn)移，并在低軌道大型航天器軌道維持應(yīng)用及深空探測(cè)主推進(jìn)應(yīng)用領(lǐng)域前景廣闊。
超大型航天器運(yùn)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(xiàn)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(tǒng)。如果采用化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)完成大氣阻尼補(bǔ)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的很高的補(bǔ)給壓力，同時(shí)補(bǔ)給會(huì)造成很高的運(yùn)行成本。因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為采用高比沖的電推進(jìn)系統(tǒng)是更好的技術(shù)解決方案，分析表明，若采用電推進(jìn)系統(tǒng)，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(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，明確了超大型航天器LHT-100 霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)組成方案，并結(jié)合超大型航天器實(shí)際應(yīng)用對(duì)霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)分析，最后對(duì)電推進(jìn)系統(tǒng)的可靠性和安全性進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析，為我國(guó)超大型航天器霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)品研制工作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
1、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
1.1、系統(tǒng)組成
單臺(tái)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(tái)推力器同時(shí)工作才能滿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(duì)稱要求和可靠性備份要求后，至少需要四臺(tái)推力器組成系統(tǒng)。圖1 是超大型航天器霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)組成方案，LHT-100 霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)由2 臺(tái)控制單元、1 臺(tái)貯氣單元、1 臺(tái)推進(jìn)劑供給單元(內(nèi)含1 臺(tái)調(diào)壓模塊和4 臺(tái)流量調(diào)節(jié)模塊)、4 臺(tái)電源處理單元(內(nèi)含濾波模塊)、4 臺(tái)霍爾推力器和4 臺(tái)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(shè)備均布局在艙內(nèi)。系統(tǒng)接口示意圖見圖2。
圖1 超大型航天器LHT-100 霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)組成方案
圖2 超大型航天器霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)接口示意圖
電推進(jìn)系統(tǒng)配置1 臺(tái)貯氣單元(內(nèi)含2 臺(tái)氣瓶)，負(fù)責(zé)存貯推進(jìn)劑工質(zhì)，考慮電推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)劑補(bǔ)加需求，電推進(jìn)系統(tǒng)貯氣單元放置在超大型航天器的密封艙內(nèi)，通過穿艙氣路供給艙外的推力器工作。電推進(jìn)系統(tǒng)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(fù)責(zé)電推進(jìn)系統(tǒng)與超大型航天器平臺(tái)的供電和信息接口，并負(fù)責(zé)非密封艙內(nèi)外設(shè)備的控制、用電分配以及系統(tǒng)參數(shù)采集;控制單元2 布置在密封艙內(nèi)，負(fù)責(zé)貯氣單元的控制、用電分配及參數(shù)采集任務(wù)，控制單元2 通過穿艙電纜與控制單元1 進(jìn)行供電和數(shù)據(jù)通信，與超大型航天器平臺(tái)無電接口。電推進(jìn)系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)由控制單元1 匯總后，傳輸至超大型航天器平臺(tái)，最終實(shí)現(xiàn)參數(shù)的下行。電推進(jìn)系統(tǒng)配置4 個(gè)電源處理單元(PPU)，布置在非密封艙內(nèi)，負(fù)責(zé)為電推力器供電，電源處理單元與超大型航天器平臺(tái)無電接口，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(nèi)，負(fù)責(zé)推進(jìn)劑的壓力和流量調(diào)節(jié)，接收控制單元1 的控制指令，將推進(jìn)劑以規(guī)定的流量供給對(duì)應(yīng)的霍爾推力器。電推進(jìn)系統(tǒng)配置4 臺(tái)推力器和4 臺(tái)推力器在軌適配器，正常工作時(shí)為兩臺(tái)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(duì)應(yīng)。主份推力器故障時(shí)，可以啟動(dòng)備份推力器及對(duì)應(yīng)的電源處理單元工作。超大型航天器霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)霍爾推力器和貯氣單元?dú)馄拷M件具備在軌可置換接口，以保證霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)具有在軌工作10 年以上的能力。
1.2、系統(tǒng)布局方案
超大型航天器密封艙內(nèi)提供貯氣單元?dú)馄拷M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(shè)計(jì)需保證電推進(jìn)系統(tǒng)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(tái)為電推進(jìn)系統(tǒng)在非密封艙內(nèi)，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(nèi)貯氣單元的位置布置。超大型航天器平臺(tái)為電推進(jìn)系統(tǒng)在非密封艙內(nèi)，提供4 個(gè)電源處理單元的安裝位置。根據(jù)電推力器的艙外布局，兩臺(tái)電源處理單元在非密封艙內(nèi)靠近I 象限位置布置，另兩臺(tái)在非密封艙內(nèi)靠近III 象限位置布置。超大型航天器平臺(tái)為電推進(jìn)系統(tǒng)在非密封艙內(nèi)，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(tái)為電推進(jìn)系統(tǒng)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(tái)為電推進(jìn)系統(tǒng)在艙壁上提供4 個(gè)霍爾推力器的安裝位置。推力器通過在軌適配器與超大型航天器平臺(tái)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j(luò)滿足超大型航天器系統(tǒng)與運(yùn)載火箭系統(tǒng)確定的約束。最終實(shí)現(xiàn)推力器的推力矢量方向過艙體軸線，與艙體軸線夾角45°，霍爾推力器通過在軌適配器實(shí)現(xiàn)在軌更換。
4、結(jié)論
作為先進(jìn)的空間推進(jìn)技術(shù)，霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)在空間推進(jìn)方面的應(yīng)用得到了加速發(fā)展。隨著我國(guó)超大型航天器軌道維持使命的需求，我國(guó)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(tǒng)，提出了超大型航天器軌道維持應(yīng)用霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，并對(duì)霍爾推力器和貯氣單元?dú)馄拷M件在軌置換進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，最后對(duì)電推進(jìn)系統(tǒng)的可靠性和安全性進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析， 為我國(guó)超大型航天器LHT-100 霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)品研制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
