電推進(jìn)技術(shù)在通信衛(wèi)星平臺(tái)上的應(yīng)用

李強(qiáng) 呂強(qiáng) （中國(guó)空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部）

電推進(jìn)技術(shù)在通信衛(wèi)星平臺(tái)上的應(yīng)用

李強(qiáng) 呂強(qiáng) （中國(guó)空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部）

2016年6月15日，波音衛(wèi)星系統(tǒng)公司（BSS）制造的亞洲廣播衛(wèi)星－2A（ABS－2A）和歐洲通信衛(wèi)星－117西B （Eutelsat－117 West B）2顆全電推進(jìn)衛(wèi)星由獵鷹－9（Falcon－9）火箭以“一箭雙星”的方式成功發(fā)射。電推進(jìn)技術(shù)在商業(yè)通信衛(wèi)星上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

電推進(jìn)技術(shù)依靠電能驅(qū)動(dòng)加速工質(zhì)產(chǎn)生推力，具有比沖高、推力低等特點(diǎn)。航天器采用電推進(jìn)技術(shù)執(zhí)行姿態(tài)軌道控制任務(wù)能夠有效降低推進(jìn)劑消耗，提高干重比。目前，電推進(jìn)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地球同步軌道（GSO）通信衛(wèi)星平臺(tái)姿軌控、深空探測(cè)航天器主推進(jìn)等任務(wù)。本文介紹了幾例通信衛(wèi)星平臺(tái)的電推進(jìn)應(yīng)用情況，分析了通信衛(wèi)星平臺(tái)幾種常用電推力器的構(gòu)型及其特點(diǎn)，以及通信衛(wèi)星平臺(tái)采用電推進(jìn)執(zhí)行姿態(tài)軌道控制任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)。

1 引言

電推進(jìn)技術(shù)的基本原理是由電能驅(qū)動(dòng)工質(zhì)，使其加速?lài)姵鲆援a(chǎn)生反作用力。依據(jù)產(chǎn)生推力的方式不同可分為3類(lèi)：靜電式、電磁式和電加熱式。其中，靜電式電推力器又稱(chēng)為離子發(fā)動(dòng)機(jī)，是通過(guò)強(qiáng)靜電場(chǎng)對(duì)離子化的工質(zhì)直接加速排出，能夠達(dá)到較大的排氣速度，具有最高的比沖，其功耗需求也最高。電磁式電推力器依靠電磁場(chǎng)加速工質(zhì)產(chǎn)生推力，又分為脈沖等離子體推力器（PPT）和穩(wěn)態(tài)等離子體推力器（SPT），而后者又稱(chēng)為霍爾推力器。電加熱式推力器是通過(guò)電能加熱工質(zhì)使其膨脹加速?lài)姵霁@得推力，又分為電阻加熱推力器和電弧加熱推力器（Arcjet），該類(lèi)電推力器比沖適中，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。目前在通信衛(wèi)星平臺(tái)上應(yīng)用最多的電推力器有3種：離子電推力器、霍爾推力器和電弧加熱推力器。

通信衛(wèi)星的工作軌道通常為地球同步軌道，目前主流通信衛(wèi)星平臺(tái)一般能達(dá)到12～15年的壽命。通信衛(wèi)星從發(fā)射到壽命結(jié)束，一般要經(jīng)歷軌道轉(zhuǎn)移、入軌、定點(diǎn)位置保持以及離軌等軌道控制過(guò)程，此外，采用輪控系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)控制的衛(wèi)星還需要推力器執(zhí)行動(dòng)量輪卸載任務(wù)。巨大的速度增量需求需要通信衛(wèi)星必須攜帶足夠的推進(jìn)劑，若完全采用傳統(tǒng)的雙組元推進(jìn)系統(tǒng)，推進(jìn)劑攜帶量將達(dá)到整星質(zhì)量的50%以上。電推進(jìn)技術(shù)由于其高比沖的優(yōu)勢(shì)能夠大大降低推進(jìn)劑消耗，提高衛(wèi)星干重比，目前已成為主流通信衛(wèi)星平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)配置。電推進(jìn)系統(tǒng)一般應(yīng)用于通信衛(wèi)星位置保持，尤其是南北位置保持，部分通信衛(wèi)星還應(yīng)用電推進(jìn)系統(tǒng)執(zhí)行動(dòng)量輪卸載和部分軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)，取得了良好的效益。截至目前，已經(jīng)出現(xiàn)取消化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)而全部采用電推進(jìn)系統(tǒng)執(zhí)行姿軌控任務(wù)的通信衛(wèi)星平臺(tái)，即全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)，例如波音衛(wèi)星系統(tǒng)公司的BSS－702SP平臺(tái)。

通信衛(wèi)星采用電推進(jìn)系統(tǒng)執(zhí)行姿軌控任務(wù)除了能使所需推進(jìn)劑質(zhì)量大幅降低，還借助于其低推力特性，提高了軌道控制的精度。此外，電推力器工作期間其小推力對(duì)姿態(tài)的干擾作用大大降低，有利于提高姿態(tài)控制精度和姿態(tài)穩(wěn)定度。電推進(jìn)系統(tǒng)的劣勢(shì)在于由于推力小，執(zhí)行姿軌控任務(wù)的時(shí)間大大延長(zhǎng)了，若采用電推進(jìn)系統(tǒng)執(zhí)行地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）至地球靜止軌道（GEO）的轉(zhuǎn)移任務(wù)，總時(shí)間約需3～6個(gè)月。

2 電推進(jìn)技術(shù)在通信衛(wèi)星平臺(tái)上的應(yīng)用

國(guó)外通信衛(wèi)星平臺(tái)上最早應(yīng)用電推進(jìn)技術(shù)的當(dāng)屬HS－601平臺(tái)，該平臺(tái)配置了XIPS－13氙離子推進(jìn)系統(tǒng)執(zhí)行南北位置保持任務(wù)，之后越來(lái)越多的通信衛(wèi)星平臺(tái)開(kāi)始配備電推進(jìn)系統(tǒng)。電推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用范圍也逐漸由單一的南北位置保持任務(wù)逐漸擴(kuò)展到位置保持、動(dòng)量輪卸載、軌道轉(zhuǎn)移、定點(diǎn)位置轉(zhuǎn)移以及離軌等多任務(wù)。

LS－1300衛(wèi)星平臺(tái)

LS－1300平臺(tái)由美國(guó)勞拉空間系統(tǒng)公司（SS/L）負(fù)責(zé)制造，其首顆衛(wèi)星超鳥(niǎo)－A（Superbird－A）于1989年發(fā)射，目前采用LS－1300平臺(tái)的衛(wèi)星已達(dá)到100顆，是目前發(fā)射衛(wèi)星采用最多的平臺(tái)之一。LS－1300衛(wèi)星平臺(tái)分為基本型、擴(kuò)展型LS－1300E和超大型LS－1300E（20.20）3種類(lèi)型。其中LS－1300E擴(kuò)展型衛(wèi)星平臺(tái)發(fā)射質(zhì)量可達(dá)7t，能夠提供10kW的有效載荷功率。LS－1300平臺(tái)采用了SPT－100霍爾推力器執(zhí)行傾角控制、偏心率控制以及動(dòng)量輪卸載任務(wù)，2004年在“移動(dòng)廣播衛(wèi)星”（MBSat）上完成電推進(jìn)系統(tǒng)的首秀。SPT－100霍爾推力器由俄羅斯火炬（Fakel）設(shè)計(jì)局設(shè)計(jì)，其同系列霍爾推力器在空間推進(jìn)任務(wù)中的應(yīng)用最早可追溯到20世紀(jì)70年代，是目前執(zhí)行空間推進(jìn)任務(wù)最多的電推力器之一。SPT－100霍爾推力器推力83mN，比沖1600s，功耗1.35kW。

LS－1300平臺(tái)的電推進(jìn)系統(tǒng)包括4臺(tái)SPT－100霍爾推力器、2套電源處理單元（PPU）、2個(gè)氙氣瓶和1套冗余的推進(jìn)劑調(diào)節(jié)裝置。電推力器構(gòu)型采用V型構(gòu)型，即執(zhí)行位保操作的南、北側(cè)電推力器安裝在衛(wèi)星固連坐標(biāo)系YOZ平面內(nèi)，相對(duì)XOZ平面對(duì)稱(chēng)，且與質(zhì)心連線呈V型。由于該構(gòu)型電推力器沒(méi)有沿軌道切向的推力分量，因此不能進(jìn)行完整的位置保持控制，推力的法向、徑向分量可以用于軌道傾角和偏心率控制，平經(jīng)度控制則需由雙組元推力器來(lái)完成。

俄羅斯火炬設(shè)計(jì)局研制的霍爾推力器（從左到右）：SPT－70、100、200

V型電推力器構(gòu)型示意圖

衛(wèi)星在軌執(zhí)行南北位保操作要求每天電推力器點(diǎn)火2次，南、北側(cè)電推力器各1次，且點(diǎn)火時(shí)間相隔約12h，點(diǎn)火過(guò)程中，推力方向可以通過(guò)衛(wèi)星姿態(tài)控制和兩自由度的推力器矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)進(jìn)行精密調(diào)整。

SPT－100的應(yīng)用給LS－1300衛(wèi)星平臺(tái)帶來(lái)了很大的效益，在軌推進(jìn)劑消耗大大降低，衛(wèi)星有效載荷容量得到了提升。勞拉空間系統(tǒng)公司希望電推進(jìn)系統(tǒng)能夠在LS－1300平臺(tái)上發(fā)揮更大的作用，正著手研究將電推進(jìn)系統(tǒng)用于軌道提升，并將采用更大推力、更高功耗的SPT－140電推力器。

BSS－702衛(wèi)星平臺(tái)

BSS－702衛(wèi)星平臺(tái)是波音衛(wèi)星系統(tǒng)公司衛(wèi)星制造的主力軍，該系列衛(wèi)星平臺(tái)主要有3個(gè)型號(hào)：BSS－702HP（大型）、702MP（中型）和702SP（小型）。其中，BSS－702HP衛(wèi)星平臺(tái)發(fā)射質(zhì)量約6t，能夠提供12～18kW的有效載荷功率。BSS－702衛(wèi)星平臺(tái)配備了XIPS－25離子推進(jìn)系統(tǒng)執(zhí)行位置保持、動(dòng)量輪卸載以及部分軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)。波音衛(wèi)星系統(tǒng)公司具有豐富的離子推力器使用經(jīng)驗(yàn)，最早在HS－601平臺(tái)［2000年波音公司（Boeing）收購(gòu)休斯空間與通信公司（HS）成立波音衛(wèi)星系統(tǒng)公司］上就采用了XIPS－13離子推進(jìn)系統(tǒng)，但XIPS－13在軌表現(xiàn)并不理想，其在軌故障一度占據(jù)全球通信衛(wèi)星電推進(jìn)故障的50%以上。在BSS－702平臺(tái)上采用了改進(jìn)的XIPS－25離子推進(jìn)系統(tǒng)，可靠性顯著提高。XIPS－25離子推力器可雙模式工作，能夠適應(yīng)軌道轉(zhuǎn)移和位置保持等不同工作需求。高功率模式下推力可達(dá)165mN，比沖3500s，功耗4.5kW，在軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)中采用此模式；低功率模式下推力79mN，比沖3400s，功耗2.2kW，在位置保持任務(wù)中采用此模式。除此之外，電推進(jìn)系統(tǒng)還可以完成定點(diǎn)位置轉(zhuǎn)移以及壽命末期的離軌任務(wù)。BSS－702平臺(tái)對(duì)電推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用最充分，XIPS－25離子推進(jìn)系統(tǒng)執(zhí)行或參與執(zhí)行了全部軌道控制與動(dòng)量輪卸載任務(wù)，BSS－702平臺(tái)的有效載荷比和衛(wèi)星干重比等指標(biāo)在同類(lèi)產(chǎn)品中處于領(lǐng)先水平。

美國(guó)研制的XlPS－25離子推力器

矩形電推力器構(gòu)型示意圖

BSS－702平臺(tái)的電推進(jìn)系統(tǒng)包括2套完全冗余的離子推進(jìn)系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)包含獨(dú)立的電源處理單元、推進(jìn)劑供給系統(tǒng)和2臺(tái)25cm氙離子推力器，均可獨(dú)立完成位置保持和動(dòng)量輪卸載等任務(wù)。電推力器構(gòu)型采用矩形構(gòu)型，即4臺(tái)電推力器在背地板上呈矩形安裝，其中對(duì)角線上2臺(tái)電推力器屬于同一電推進(jìn)子系統(tǒng)。該構(gòu)型可以視為V型構(gòu)型的擴(kuò)展，即在V型構(gòu)型的基礎(chǔ)上，使電推力器繞星體Y軸轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，推力將產(chǎn)生切向分量，能夠同時(shí)控制傾角、偏心率和平經(jīng)度，實(shí)現(xiàn)完整的位置保持。

BSS－702平臺(tái)在軌執(zhí)行位置保持和動(dòng)量輪卸載任務(wù)是同時(shí)進(jìn)行的，電推力器在進(jìn)行角動(dòng)量卸載的過(guò)程中同時(shí)改變了軌道參數(shù)，使其能夠抵消攝動(dòng)影響，其基本思路是：4臺(tái)電推力器按照對(duì)角線分成2對(duì)，其中一對(duì)按照角動(dòng)量卸載需求確定點(diǎn)火位置及推力方向，同時(shí)消除一部分軌道攝動(dòng)，另一對(duì)則保證推力過(guò)質(zhì)心，主要針對(duì)軌道攝動(dòng)進(jìn)行控制而不參與動(dòng)量輪卸載。

BSS－702平臺(tái)還通過(guò)電推進(jìn)系統(tǒng)執(zhí)行部分軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)，首先雙組元推進(jìn)系統(tǒng)將衛(wèi)星由GTO軌道轉(zhuǎn)移到一個(gè)軌道周期24h的橢圓軌道并消除傾角，之后由電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行軌道圓化并完成最后的定點(diǎn)。

BSS－702平臺(tái)一個(gè)重要型號(hào)BSS－702SP平臺(tái)采用全電推進(jìn)，取消了雙組元推進(jìn)系統(tǒng)，衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量?jī)H2t，能夠提供3～8kW有效載荷功率，可承載500kg有效載荷，衛(wèi)星干重比提高到85%左右。目前，同等容量的通信衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量約4t，也就是說(shuō)，采用全電推技術(shù)，在保證承載能力不變的前提下，將整星質(zhì)量降低約50%，極大降低了發(fā)射成本，為國(guó)際通信衛(wèi)星市場(chǎng)注入了新鮮的血液。BSS－702SP全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)于2012年一經(jīng)推出，就獲得了亞洲廣播衛(wèi)星公司（ABS）和墨西哥衛(wèi)星公司（SATMEX）共4顆衛(wèi)星訂單，單價(jià)約1億美元。2015年3月，采用BSS－702平臺(tái)制造的首批2顆衛(wèi)星亞洲廣播衛(wèi)星－3A和歐洲通信衛(wèi)星－115西B由獵鷹－9火箭“一箭雙星”發(fā)射。

基于美國(guó)BSS－702SP平臺(tái)的亞洲廣播衛(wèi)星－3A

“小型地球靜止軌道”衛(wèi)星平臺(tái)

“小型地球靜止軌道”（SGEO）衛(wèi)星平臺(tái)由德國(guó)OHB系統(tǒng)公司為歐洲航天局（ESA）設(shè)計(jì)制造，是歐洲新一代小型靜止軌道通信衛(wèi)星公用平臺(tái)。平臺(tái)采用GTO變軌方式發(fā)射質(zhì)量約3t，采用直接入軌方式時(shí)發(fā)射質(zhì)量約1.6t，能提供400kg的有效載荷承載能力，提供載荷功率4kW。SGEO衛(wèi)星平臺(tái)配置SPT－100霍爾推力器，其電推進(jìn)系統(tǒng)執(zhí)行除軌道轉(zhuǎn)移之外的所有軌道控制和動(dòng)量輪卸載任務(wù)。

SGEO衛(wèi)星平臺(tái)電推進(jìn)系統(tǒng)包括2套完全冗余的子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)由1個(gè)電源處理單元PPU、1個(gè)外部電推力器選擇單元和4臺(tái)SPT－100霍爾推力器組成。霍爾推力器直接安裝于星體，沒(méi)有矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，推力方向不可調(diào)節(jié)。其電推力器構(gòu)型采用三維對(duì)稱(chēng)構(gòu)型，與俄羅斯“快訊”（Express）、“亞馬爾”（Yamal）等衛(wèi)星類(lèi)似。在這種構(gòu)型下，每臺(tái)電推力器工作都能同時(shí)產(chǎn)生法向和切向速度，不產(chǎn)生徑向速度。整個(gè)壽命周期內(nèi)星體質(zhì)心變化不超出推力方向構(gòu)成的平面所包圍的區(qū)域，始終能保證電推力器點(diǎn)火時(shí)能產(chǎn)生卸載力矩。三維對(duì)稱(chēng)構(gòu)型與矩形構(gòu)型相比，所用的電推力器數(shù)量多了1倍，但不需要矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，降低了復(fù)雜度，推力只在切向和法向存在分量，位置保持控制中的耦合影響減弱，姿態(tài)軌道控制耦合作用較小；同時(shí)由于該構(gòu)型下電推力器推力方向不通過(guò)質(zhì)心，點(diǎn)火過(guò)程中的干擾力矩較大。

ESA在SGEO衛(wèi)星平臺(tái)的基礎(chǔ)上，正在著手開(kāi)發(fā)全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)“伊萊克特拉”（Electra）。該平臺(tái)預(yù)計(jì)發(fā)射質(zhì)量2～3t，可承載700kg有效載荷，提供8kW的載荷功率，與目前5噸級(jí)的歐洲中型衛(wèi)星平臺(tái)能力相當(dāng)。其實(shí)早在2006年SGEO項(xiàng)目啟動(dòng)之初，德國(guó)OHB公司就提出在SGEO平臺(tái)上使用電推進(jìn)完成GTO到GEO的軌道轉(zhuǎn)移，但因?yàn)橛脩?hù)無(wú)法接受6～7個(gè)月的入軌時(shí)間而擱置。2011年，歐洲第二大通信衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商歐洲衛(wèi)星公司（SES）在一次會(huì)議上做了有關(guān)優(yōu)化衛(wèi)星成本和在軌壽命的報(bào)告，在報(bào)告中提出，通過(guò)采用小型化的運(yùn)載工具和較低的射入軌道，依靠星上電推進(jìn)系統(tǒng)代替化學(xué)推進(jìn)將衛(wèi)星送入GEO軌道。作為主要通信衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商，SES公司提出這樣的結(jié)論對(duì)推動(dòng)全電推平臺(tái)的發(fā)展作用是十分巨大的。ESA也適時(shí)提出了Electra計(jì)劃，項(xiàng)目首發(fā)星預(yù)計(jì)2018－2019年發(fā)射。

三維對(duì)稱(chēng)電推力器構(gòu)型示意圖

測(cè)試中的歐洲SGEO衛(wèi)星平臺(tái)

A2100衛(wèi)星平臺(tái)

A2100衛(wèi)星平臺(tái)由美國(guó)洛馬公司（LM）研制，基于該平臺(tái)發(fā)射了很多軍用衛(wèi)星，例如美國(guó)空軍的“天基紅外預(yù)警系統(tǒng)衛(wèi)星”（SBIRS）。A2100衛(wèi)星平臺(tái)包括A2100A、A2100AX、A2100AXS等多種型號(hào)。其中A2100AX發(fā)射質(zhì)量最高達(dá)4.7t，能夠提供6～12kW載荷功率。A2100衛(wèi)星平臺(tái)可配置電弧推力器或霍爾推力器用于位置保持和軌道轉(zhuǎn)移等任務(wù)。

2010年8月，基于A2100平臺(tái)的美國(guó)空軍首顆先進(jìn)極高頻－1（AEHF－1）衛(wèi)星發(fā)射后雙組元推進(jìn)系統(tǒng)失效。該衛(wèi)星配備了霍爾推力器用于部分軌道轉(zhuǎn)移和位置保持，先進(jìn)極高頻－1衛(wèi)星原定由雙組元推進(jìn)系統(tǒng)和霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)共同執(zhí)行軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)：首先由雙組元推進(jìn)系統(tǒng)將衛(wèi)星由GTO軌道轉(zhuǎn)移到一條中間過(guò)渡軌道，之后由霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)工作約90天時(shí)間，將衛(wèi)星送入目標(biāo)軌道。雙組元推進(jìn)系統(tǒng)的提前失效使得先進(jìn)極高頻－1衛(wèi)星不得不調(diào)整變軌策略，依靠星上單組元推力器和霍爾推力器歷時(shí)14個(gè)月、共450多次軌道機(jī)動(dòng)，成功進(jìn)入工作軌道，所剩推進(jìn)劑還可維持14年在軌正常服務(wù)。先進(jìn)極高頻－1衛(wèi)星應(yīng)用霍爾推力器成功挽救衛(wèi)星的經(jīng)驗(yàn)充分證明了電推進(jìn)系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)的靈活性和優(yōu)異性能。

2013年9月，洛馬公司也表示正在著手進(jìn)行A2100平臺(tái)的全電推進(jìn)改造，繼續(xù)挖掘電推進(jìn)技術(shù)在該平臺(tái)上的應(yīng)用潛力。

歐洲星－3000衛(wèi)星平臺(tái)

歐洲星－3000（Eurostar－3000）衛(wèi)星平臺(tái)由空客防務(wù)與航天公司（ADS）研制。2004年，該平臺(tái)配備等離子體電推進(jìn)系統(tǒng)的首顆衛(wèi)星—國(guó)際通信衛(wèi)星－10－02（Intelsat－10－02）成功發(fā)射。該平臺(tái)電推進(jìn)系統(tǒng)配置4臺(tái)SPT－100電推力器用于傾角控制和偏心率控制，以V型構(gòu)型通過(guò)兩套推力矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)安裝于衛(wèi)星南、北板。Eurostar－3000衛(wèi)星平臺(tái)的電推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，采用電推進(jìn)系統(tǒng)不僅能大大縮減推進(jìn)劑消耗量，對(duì)姿態(tài)控制的干擾力矩也很低，姿態(tài)控制十分平穩(wěn)。

基于“歐洲星”衛(wèi)星平臺(tái)的SES－14通信衛(wèi)星

其他通信衛(wèi)星平臺(tái)

泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）研制的空間客車(chē)－4000（Spacebus－4000）衛(wèi)星平臺(tái)配備了電推進(jìn)系統(tǒng)執(zhí)行南北位保任務(wù)。空客防務(wù)與航天公司和泰雷茲-阿萊尼亞航天公司合作研制的“阿爾法平臺(tái)”（Alphabus）大型通信衛(wèi)星平臺(tái)采用霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)完成南北位保任務(wù)。

主要通信衛(wèi)星平臺(tái)電推進(jìn)應(yīng)用情況

基于歐洲“阿爾法平臺(tái)”的衛(wèi)星在軌示意圖

3 電推進(jìn)姿軌控關(guān)鍵技術(shù)

電推進(jìn)技術(shù)與傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)相比，其比沖高，推力小、功耗高，在姿軌控方面，具備推進(jìn)劑消耗低、控制精度高和姿態(tài)干擾小等優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也存在一些問(wèn)題，例如控制過(guò)程長(zhǎng)，難以實(shí)現(xiàn)快速機(jī)動(dòng)。若采用電推進(jìn)完成GTO軌道到GEO軌道的轉(zhuǎn)移，所用時(shí)間將由化學(xué)推進(jìn)的數(shù)天延長(zhǎng)至數(shù)月。為充分利用電推進(jìn)技術(shù)特點(diǎn)，發(fā)揮其最大應(yīng)用能力，衛(wèi)星電推進(jìn)姿軌控上還需要解決如下一些技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵問(wèn)題。

（1）有限推力軌道轉(zhuǎn)移優(yōu)化技術(shù)

若將電推進(jìn)技術(shù)作為主推進(jìn)，首先要解決的問(wèn)題是有限推力下的最優(yōu)轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)。電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移時(shí)間長(zhǎng)，點(diǎn)火次數(shù)頻繁，影響因素多，約束條件復(fù)雜，優(yōu)化目標(biāo)多樣，最優(yōu)轉(zhuǎn)移軌跡難以確定，需要通過(guò)設(shè)置合理的策略，得到近似最優(yōu)的可行的軌道轉(zhuǎn)移方案。

（2）姿軌耦合控制技術(shù)

傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)衛(wèi)星姿態(tài)控制與軌道控制分別單獨(dú)進(jìn)行的，之間不存在耦合，或可進(jìn)行解耦控制。電推進(jìn)系統(tǒng)由于其布局限制，姿態(tài)和軌道控制之間存在較強(qiáng)的耦合作用。首先電推力器指向控制誤差和衛(wèi)星質(zhì)心的變化使得在軌道機(jī)動(dòng)過(guò)程中必然產(chǎn)生干擾力矩，影響衛(wèi)星姿態(tài)控制；其次電推力器執(zhí)行角動(dòng)量卸載過(guò)程中，必然會(huì)引起軌道參數(shù)的變化。尤其是在電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移過(guò)程中，姿軌耦合問(wèn)題更加嚴(yán)重，電推力器同時(shí)作為姿態(tài)控制和軌道控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，必須考慮姿態(tài)軌道控制的耦合作用，研究姿軌耦合控制技術(shù)。

（3）星上自主姿軌控技術(shù)

電推進(jìn)技術(shù)由于推力小，相比化學(xué)推進(jìn)，執(zhí)行相同的控制任務(wù)需要的時(shí)間更長(zhǎng)，需要更頻繁地安排不同電推力器點(diǎn)火。例如電推進(jìn)系統(tǒng)執(zhí)行位置保持任務(wù)，基本每天都會(huì)有多臺(tái)電推力器依次點(diǎn)火。頻繁、長(zhǎng)時(shí)間的電推力器開(kāi)關(guān)機(jī)的管理操作若全依賴(lài)地面參與將極大增加衛(wèi)星在軌操作的復(fù)雜性，如何保證電推進(jìn)系統(tǒng)可靠自主地運(yùn)行，降低地面干預(yù)程度是電推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用的一大關(guān)鍵問(wèn)題。目前電推進(jìn)系統(tǒng)的工作已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了部分自主，即地面定期更新電推進(jìn)系統(tǒng)工作計(jì)劃，將未來(lái)某一段時(shí)間內(nèi)電推力器的全部運(yùn)行參數(shù)一次性上傳，期間由星上自主控制。要提高星上電推進(jìn)系統(tǒng)自主姿軌控的能力，首先需要衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)配置自主測(cè)量元件，能夠提供一定精度的測(cè)姿測(cè)軌信息；其次星上姿軌控算法必須具備自主運(yùn)行與處理能力，還需要對(duì)電推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)；此外，還需要制定完整的電推進(jìn)系統(tǒng)故障模式下的姿軌控策略。

4 結(jié)論

目前，國(guó)際主流通信衛(wèi)星平臺(tái)均已配備了電推力器執(zhí)行在軌位置保持等任務(wù)，且電推進(jìn)技術(shù)的潛力正在得到進(jìn)一步的挖掘，電推進(jìn)技術(shù)已成為衡量通信衛(wèi)星平臺(tái)先進(jìn)性的一個(gè)重要指標(biāo)。若將化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)取消，僅靠電推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星壽命期內(nèi)全部的姿軌控任務(wù)，即為全電推進(jìn)衛(wèi)星。全電推進(jìn)衛(wèi)星承載效率高，發(fā)射成本低，是通信衛(wèi)星平臺(tái)發(fā)展的重要趨勢(shì)。

電推進(jìn)技術(shù)的新特點(diǎn)給衛(wèi)星姿軌控帶來(lái)一系列變革，一方面具有推進(jìn)劑消耗低、控制精度高等優(yōu)勢(shì)，另一方面也產(chǎn)生了姿軌耦合、點(diǎn)火頻繁等問(wèn)題。要充分挖掘電推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用潛力，進(jìn)一步提高電推進(jìn)衛(wèi)星的綜合性能，必須研究解決以有限推力軌道轉(zhuǎn)移優(yōu)化技術(shù)、姿軌耦合控制技術(shù)和星上自主姿軌控技術(shù)等為代表的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

Application of Electric Propulsion on Communications Satellite Platform