根據(jù)基于LIPS-200電推進(jìn)系統(tǒng)組成和主要技術(shù)指標(biāo)，結(jié)合平臺(tái)構(gòu)型和約束條件，通過分析研究確定了一種用于南北位置保持、可根據(jù)有效載荷承載需求進(jìn)行選配的布局方案。該方案滿足設(shè)備安裝、管路焊接、熱控實(shí)施、系統(tǒng)檢漏、地面測試等方面的要求，并在平臺(tái)初樣電性星和結(jié)構(gòu)星上進(jìn)行了驗(yàn)證。理論計(jì)算表明，在衛(wèi)星起飛質(zhì)量、服務(wù)壽命不變的情況下，配置電推進(jìn)系統(tǒng)時(shí)平臺(tái)的有效載荷承載質(zhì)量可提高約42.8%，因此具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

引言

　　自1906年電推進(jìn)概念的提出至上世紀(jì)90年代成功應(yīng)用于地球同步軌道(GEO)衛(wèi)星的南北位置保持以來，電推進(jìn)技術(shù)已成為提高長壽命GEO衛(wèi)星有效載荷承載能力最有效的手段之一。目前世界各大衛(wèi)星制造商均為其GEO衛(wèi)星平臺(tái)配置了不同形式的電推進(jìn)系統(tǒng)，如波音公司的BSS-601HP、BSS-702采用了氙離子電推進(jìn)系統(tǒng)(XIPS)，勞拉公司的LS-1300平臺(tái)、TAS公司的SB4000平臺(tái)、Astri鄄um公司的E3000平臺(tái)均配置了穩(wěn)態(tài)等離子電推進(jìn)系統(tǒng)(SPT)等。

　　基于LIPS-200電推力器的電推進(jìn)系統(tǒng)專門針對(duì)GEO衛(wèi)星的南北位置保持研制，其中推力器的額定推力為40mN，比沖為3000s，設(shè)計(jì)壽命能夠達(dá)到12000h以上，開關(guān)次數(shù)不小于6000次，束流發(fā)散全角約為30毅(90%束流產(chǎn)物的發(fā)散角為26.8毅、95%束流產(chǎn)物的發(fā)散角為30.7°)；電源處理單元的輸入功率為1300W，轉(zhuǎn)換效率90%。通過介紹該電推進(jìn)系統(tǒng)在GEO衛(wèi)星平臺(tái)(簡稱“平臺(tái)冶)上的布局研究，在該平臺(tái)中電推進(jìn)系統(tǒng)為可選配置，即能夠根據(jù)有效載荷承載的需要進(jìn)行選配，但無論配置與否平臺(tái)的設(shè)備布局和結(jié)構(gòu)圖紙均無需變化，因此具有很強(qiáng)的任務(wù)適應(yīng)性和良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1、系統(tǒng)組成

　　為適應(yīng)GEO衛(wèi)星南北位置保持的任務(wù)需求，科研人員對(duì)基于LIPS-200電推力器的電推進(jìn)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列研究，其中文獻(xiàn)給出了六種系統(tǒng)組成方案的比較分析，文獻(xiàn)則給出了更為詳細(xì)的工質(zhì)、能量和信息拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在應(yīng)用于平臺(tái)時(shí)，電推進(jìn)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在文獻(xiàn)[3]基礎(chǔ)上進(jìn)行了細(xì)化調(diào)整，其中推進(jìn)劑貯存模塊(PSM)由2個(gè)狀態(tài)完全相同的氙氣瓶(Xe1、Xe2)組成，方便氣瓶安裝實(shí)施和衛(wèi)星質(zhì)心控制；原拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的兩個(gè)功率切換開關(guān)(SW1、SW2)分別集成到了對(duì)應(yīng)的電源處理單元(PPU1、PPU2)中，如圖1所示。

圖1 電推進(jìn)系統(tǒng)原理組成

　　系統(tǒng)工作時(shí)，壓力調(diào)節(jié)模塊(PRM)把氙氣瓶中的壓力調(diào)節(jié)到流量控制模塊(FCM)入口處的額定工作壓力，流量控制模塊向?qū)��?yīng)的電推力器(ET)提供3路(陰極、陽極、中和器)特定流率的氙氣，電推力器完成電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換；推力矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(TOM)為輔助裝置，用于調(diào)節(jié)電推力器的推力方向，確保南北位保時(shí)的推力通過衛(wèi)星質(zhì)心，從而降低對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)的干擾，推力矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可根據(jù)需要為每臺(tái)電推力器單獨(dú)配置或每組電推力器共用一個(gè)；接口與控制模塊(ICM)按照邏輯時(shí)序控制PPU、PRM、FCM、TOM的工作過程，并提供與整星的遙測、遙控接口，ICM可作為獨(dú)立的單機(jī)設(shè)備或根據(jù)需要集成到其它儀器設(shè)備中。

2、布局方案

　　2.1、平臺(tái)概況

　　平臺(tái)采用中心承力筒結(jié)構(gòu)，由服務(wù)艙、推進(jìn)艙、載荷艙三個(gè)艙段組成，本體尺寸為2360mm(X)×2100mm(Y)×3100mm(Z)，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 平臺(tái)結(jié)構(gòu)組成示意圖

1.東板；2.服務(wù)艙北板；3.載荷艙；4.西板；5.服務(wù)艙南板；6.推進(jìn)艙

　　2.2、布局原則

　　電推進(jìn)系統(tǒng)的引入與平臺(tái)各分系統(tǒng)都直接相關(guān)，包括結(jié)構(gòu)形式的改變、功率需求的變化、控制策略的調(diào)整等，并影響著平臺(tái)的電場、磁場和接地。作為平臺(tái)南北位置保持的可選配置，在進(jìn)行LIPS-200電推進(jìn)系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下基本原則:

　　(1)南北位保的效率盡可能高，以減小工質(zhì)的攜帶量；

　　(2)南北位保時(shí)的干擾力和干擾力矩盡可能小，以保證位保期間衛(wèi)星的姿態(tài)和軌道滿足指標(biāo)要求；

　　(3)南北位保和東西位保的耦合盡可能小，以減少額外的推進(jìn)劑消耗；

　　(4)電推力器的羽流、熱流對(duì)星外設(shè)備的影響在可接受的范圍內(nèi)；

　　(5)氙氣瓶的安裝位置應(yīng)具有良好的剛度和強(qiáng)度，且隨著氙氣消耗引起的衛(wèi)星質(zhì)心變化不能過大，以免給矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來難度并增加推進(jìn)劑消耗；

　　(6)盡量減少電推進(jìn)與化學(xué)推進(jìn)管路之間的耦合，便于各自的總裝、測試和維護(hù)；

　　(7)滿足電推進(jìn)系統(tǒng)各部件的控溫與散熱需求；

　　(8)無論平臺(tái)配置電推進(jìn)系統(tǒng)與否，平臺(tái)結(jié)構(gòu)和其它分系統(tǒng)的設(shè)備布局盡量保持不變，且平臺(tái)橫向質(zhì)心變化量盡可能小，以降低配重需求；

　　(9)與運(yùn)載整流罩包絡(luò)相容。

　　以上基本原則中，5項(xiàng)(第1、2、3、4、9項(xiàng))與電推力器的布局密切相關(guān)，而且電推力器的布局關(guān)系著太陽翼的選型(功率需求相關(guān))、氙氣瓶的容量(工質(zhì)需求相關(guān))、控制分系統(tǒng)的配置(應(yīng)用策略相關(guān))、平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(結(jié)構(gòu)構(gòu)型、剛度強(qiáng)度相關(guān))，因此在進(jìn)行電推進(jìn)系統(tǒng)布局時(shí)應(yīng)首先確定電推力器的布局。

4、結(jié)論

　　根據(jù)LIPS-200電推進(jìn)系統(tǒng)的組成、任務(wù)使命和約束條件，對(duì)其在平臺(tái)中的布局進(jìn)行了分析論證，確定了最終方案，并在平臺(tái)初樣電性星、結(jié)構(gòu)星上進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，該布局方案合理可行，滿足設(shè)備安裝、管路焊接、熱控實(shí)施、系統(tǒng)檢漏、地面測試等方面的要求，并隨平臺(tái)通過了鑒定級(jí)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)。理論計(jì)算表明，在起飛質(zhì)量、服務(wù)壽命不變的情況下，配置電推進(jìn)系統(tǒng)后平臺(tái)的有效載荷承載質(zhì)量能夠提高42.8%，因此具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。