小行星探測(cè)電推進(jìn)系統(tǒng)方案研究

李宗良，高俊，劉國(guó)西，周成，湯章陽(yáng)，鄒達(dá)人

（北京控制工程研究所，北京 100190）

0 引 言

電推進(jìn)具有高比沖、長(zhǎng)壽命和高度自主巡航等特點(diǎn)，小行星探測(cè)器采用電推進(jìn)執(zhí)行巡航階段軌道機(jī)動(dòng)任務(wù)，將大幅減少推進(jìn)劑重量并提高載重比。

1998年10月，美國(guó)“深空1號(hào)”（DS-1）航天器發(fā)射成功；2003年5月，日本“隼鳥(niǎo)號(hào)”（Hayabusa）探測(cè)器發(fā)射成功；2007年9月，美國(guó)“黎明號(hào)”（Dawn）探測(cè)器發(fā)射成功；2014年底日本“隼鳥(niǎo)2號(hào)”（Hayabusa-2）探測(cè)器發(fā)射成功。以上小行星探測(cè)器均配套了電推進(jìn)系統(tǒng)，并利用其進(jìn)行主推進(jìn)，系統(tǒng)表現(xiàn)優(yōu)異。

本文調(diào)研了國(guó)外小行星探測(cè)器的電推進(jìn)系統(tǒng)方案，針對(duì)我國(guó)小行星探測(cè)對(duì)電推進(jìn)系統(tǒng)的任務(wù)需求，在現(xiàn)有電推力器的技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了5種電推進(jìn)系統(tǒng)方案，并進(jìn)行多維度對(duì)比，對(duì)最優(yōu)的方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)梳理。

1 國(guó)外小行星探測(cè)器電推進(jìn)系統(tǒng)介紹

1.1 美國(guó)“深空1號(hào)”離子電推進(jìn)系統(tǒng)[1-3]

1998年10月，美國(guó)“深空1號(hào)”航天器發(fā)射，其目標(biāo)是對(duì)1992KD小行星進(jìn)行接近探測(cè)，并對(duì)107PBorreiiy和19PWilson-Harrington彗星進(jìn)行探測(cè)。離子電推進(jìn)系統(tǒng)的主要使命是完成在航天器巡航階段的主推進(jìn)，同時(shí)承擔(dān)部分時(shí)期內(nèi)的俯仰和偏航控制任務(wù)。離子電推進(jìn)系統(tǒng)使航天器總速度增量達(dá)4.5 km/s，離子推力器累計(jì)工作時(shí)間超過(guò)16 246 h，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

DS-1離子電推進(jìn)系統(tǒng)由1臺(tái)30 cm離子推力器、1臺(tái)電源處理單元（Power Processing Unit, PPU）、1套氙氣供給子系統(tǒng)（Xenon Feeding Subsystem, XFS）和1臺(tái)數(shù)字控制與接口單元（Digital Control & Interface Units,DCIU）組成。離子推力器在XFS輸送的氙氣和PPU提供的電壓、電流條件支持下工作，XFS和PPU在DCIU控制下工作，同時(shí)DCIU接收和執(zhí)行衛(wèi)星計(jì)算機(jī)的指令，并將離子電推進(jìn)系統(tǒng)的遙測(cè)數(shù)據(jù)傳送給衛(wèi)星數(shù)據(jù)系統(tǒng)。為了與不同太陽(yáng)距離條件下太陽(yáng)帆板輸出功率的大小相匹配，離子推力器的工作功率范圍設(shè)計(jì)在525～2 300 W，為kaufuman型，口徑為30 cm，設(shè)計(jì)推力范圍為19～92 mN，對(duì)應(yīng)的比沖范圍為1 950～3 100 s，滿(mǎn)功率2.3 kW工作點(diǎn)的設(shè)計(jì)壽命為8 000 h。柵極組件為鉬材料雙柵結(jié)構(gòu)，加速電壓為1 280 V。

1.2 日本“隼鳥(niǎo)號(hào)”離子電推進(jìn)系統(tǒng)[4-5]

2003年5月，日本“隼鳥(niǎo)號(hào)”探測(cè)器發(fā)射，其任務(wù)是探測(cè)近地小行星25143Itokawa并獲取樣本返回。探測(cè)器重量510 kg。離子電推進(jìn)系統(tǒng)承擔(dān)的任務(wù)主要是巡航階段主推進(jìn)，此外，在某些階段還承擔(dān)軌道偏心修正、姿態(tài)控制和位置機(jī)動(dòng)保持等任務(wù)。

圖1 DS-1離子電推進(jìn)系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Ion electric propulsion system of SD-1

2014年底，日本“隼鳥(niǎo)2號(hào)”探測(cè)器發(fā)射，對(duì)近地小行星1999 JU3 進(jìn)行巖石取樣返回探測(cè)，要求離子電推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生的總速度增量約2.2 km/s。

“隼鳥(niǎo)號(hào)”離子電推進(jìn)系統(tǒng)由（如圖2所示）4臺(tái)μ10微波放電離子推力器、4臺(tái)微波功率放大器、3臺(tái)電源處理單元（Ion Power Processing Unit, IPPU）、一套推進(jìn)劑供給子系統(tǒng)、一臺(tái)推力矢量指向機(jī)構(gòu)和一臺(tái)離子推力器控制單元組成。系統(tǒng)干重59 kg，氙氣攜帶量66 kg，4臺(tái)離子推力器累計(jì)工作時(shí)間約4萬(wàn) h，用的最多的推力器累計(jì)時(shí)間達(dá)到1.5萬(wàn) h。4臺(tái)離子推力器以陣列形式安裝在同一個(gè)推力指向機(jī)構(gòu)上，3臺(tái)IPPU通過(guò)繼電器切換向4臺(tái)推力器供電，每次最多有3臺(tái)推力器工作。

圖2 推力器在航天器上的安裝Fig.2 Installation of thruster on the spacecraft

1.3 美國(guó)“黎明號(hào)”離子電推進(jìn)系統(tǒng)[6]

2007年9月，美國(guó)“黎明號(hào)”探測(cè)器發(fā)射，其科學(xué)目標(biāo)為了解太陽(yáng)系開(kāi)始形成時(shí)的條件和過(guò)程，測(cè)量灶神星和谷神星的質(zhì)量、形狀等。作為“黎明號(hào)”主推進(jìn)的離子推進(jìn)系統(tǒng)，提供發(fā)射后的速度增量，以滿(mǎn)足軌道轉(zhuǎn)移、捕獲等各個(gè)階段的任務(wù)要求?！袄杳魈?hào)”飛行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，離子推進(jìn)系統(tǒng)功能模塊如圖4所示。

圖3 “黎明號(hào)”飛行系統(tǒng)Fig.3 Dawn spacecraft

“黎明號(hào)”的初始干重為1 215 kg，離子推進(jìn)提供了將近11 km/s的速度增量ΔV。氙貯箱裝載了450 kg的氙推進(jìn)劑，“黎明號(hào)”離子推進(jìn)系統(tǒng)工作時(shí)間超過(guò)5.5萬(wàn) h（6年），這是其他航天器動(dòng)力飛行最長(zhǎng)時(shí)間的3倍。離子推進(jìn)系統(tǒng)能提供10 km/s以上速度增量。在任務(wù)周期內(nèi)，氙離子推進(jìn)系統(tǒng)的累計(jì)工作時(shí)間將近6年。此外，高可靠性要求“黎明號(hào)”的離子推進(jìn)系統(tǒng)具備單點(diǎn)故障冗余的安全設(shè)計(jì)。

1.4 小 結(jié)

通過(guò)分析國(guó)外小行星探測(cè)器電推進(jìn)系統(tǒng)構(gòu)成可得出如下結(jié)論：

1）小行星探測(cè)器使用離子電推進(jìn)系統(tǒng)不但用作姿態(tài)控制等，還可用作主推進(jìn)。

2）電推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，冗余設(shè)計(jì)非常重要，如“黎明號(hào)”推進(jìn)系統(tǒng)在PPU、DCIU、離子推力器等系統(tǒng)關(guān)鍵部件的配置上具備冗余備份功能[6]。

3）電推進(jìn)系統(tǒng)在巡航飛行時(shí)，一般都采用連續(xù)推進(jìn)方式，一次工作幾百甚至上千小時(shí)。

2 任務(wù)需求

電推進(jìn)系統(tǒng)的主要任務(wù)是為探測(cè)器從地球向主帶彗星轉(zhuǎn)移段提供必要的推力及為小行星交會(huì)、主帶彗星交會(huì)提供必要的制動(dòng)力。根據(jù)小行星探測(cè)任務(wù)的規(guī)劃和軌道設(shè)計(jì)優(yōu)化，電推進(jìn)系統(tǒng)的任務(wù)需求包含以下幾點(diǎn)：

1）速度增量需求：9 km/s（小行星探測(cè)器主帶彗星探測(cè)任務(wù)初始干重為1 200 kg）。

2）多點(diǎn)工作模式：為了與不同太陽(yáng)距離條件下太陽(yáng)帆板輸出功率的大小相匹配，電推進(jìn)系統(tǒng)功率須能在0.5～5 kW范圍內(nèi)進(jìn)行多點(diǎn)調(diào)節(jié)。

3）連續(xù)與脈沖工作模式：根據(jù)探測(cè)任務(wù)分析，電推進(jìn)系統(tǒng)除具備定時(shí)開(kāi)關(guān)機(jī)的脈沖工作模式外，還需要具備長(zhǎng)期連續(xù)開(kāi)機(jī)工作的能力。

4）矢量調(diào)節(jié)：推力器需要配置矢量調(diào)節(jié)裝置，以滿(mǎn)足任務(wù)過(guò)程中矢量調(diào)整的需求。

3 電推進(jìn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

結(jié)合國(guó)內(nèi)電推進(jìn)發(fā)展現(xiàn)狀，主要有離子推進(jìn)、霍爾推進(jìn)和電弧推進(jìn)可選。國(guó)內(nèi)已有技術(shù)基礎(chǔ)的主要包括5 kW離子、5 kW霍爾、1.6 kW離子、1.5 kW霍爾及2 kW電弧等5款電推進(jìn)產(chǎn)品可以考慮?？紤]到電弧推力器比沖僅600 s，與霍爾和離子相比，比沖太低，因此主要以離子和霍爾作為比較。主要指標(biāo)參數(shù)和現(xiàn)狀見(jiàn)表1。

圖4 “黎明號(hào)”離子推進(jìn)系統(tǒng)功能模塊圖Fig.4 Funciton module of Dawn Ion propulsion system

表1 推力器主要指標(biāo)參數(shù)Table 1 Main parameters of the thruster

以小行星探測(cè)器主帶彗星探測(cè)任務(wù)初始干重為1 200 kg，速度增量ΔV需求9 km/s為輸入?yún)?shù)，電推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案主要有5種：

方案一：配置2臺(tái)5 kW離子推力器，比沖2 580～3 900 s，推力20～180 mN。

方案二：配置3臺(tái)5 kW離子推力器，比沖2 580～3 900 s，推力20～180 mN。

方案三：配置2臺(tái)5 kW霍爾推力器，比沖2 300～2 400 s，推力134～237 mN。

方案四：配置4臺(tái)1.6 kW離子推力器，比沖3 000～3 500 s，推力40～60 mN。

方案五：配置4臺(tái)1.5 kW離子推力器，比沖1 800 s，推力80 mN。

上述5種方案比較結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

通過(guò)表2對(duì)比分析，離子電推進(jìn)系統(tǒng)由于比沖高，所需要消耗推進(jìn)劑最少，相比同等功率霍爾要少消耗100 kg以上推進(jìn)劑；另外，5 kW的LIPS300離子電推進(jìn)相比1.6 kW的LIPS200離子電推進(jìn)，在推進(jìn)劑消耗量、累計(jì)工作壽命、系統(tǒng)干重等方面都更具優(yōu)勢(shì)。目前，LIPS300離子推力器設(shè)計(jì)壽命達(dá)到2.1萬(wàn) h，壽命試驗(yàn)正在進(jìn)行，目前已完成1 800 h以上，預(yù)計(jì)在2021年前能完成壽命驗(yàn)證。因此系統(tǒng)配置兩臺(tái)LIPS300就能實(shí)現(xiàn)推力器的完全冷備份設(shè)計(jì)，可以保證系統(tǒng)的長(zhǎng)壽命使用可靠性。

綜上所述，電推進(jìn)方案選擇基于兩臺(tái)LIPS-300離子推力器的5 kW電推進(jìn)系統(tǒng)。

4 離子電推進(jìn)系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)梳理

4.1 離子電推進(jìn)系統(tǒng)組成

小行星探測(cè)器離子電推進(jìn)系統(tǒng)配置2臺(tái)離子推力器、2臺(tái)電源處理單元（PPU）、2臺(tái)矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（TPAM）和1套貯供單元，其中貯供單元由1個(gè)推進(jìn)劑存儲(chǔ)模塊（PSM）、1個(gè)壓力調(diào)節(jié)模塊（PRM）和2個(gè)流量控制模塊（FCM）組成，見(jiàn)圖5。

表2 不同方案綜合比較Table 2 Comprehensive comparison of different schemes

圖5 電推進(jìn)系統(tǒng)組成Fig.5 The composition of Ion electric propulsion system

離子推力器是電推進(jìn)分系統(tǒng)的推力輸出機(jī)構(gòu)，在其它單機(jī)和子系統(tǒng)的配合下，將進(jìn)入推力器的推進(jìn)工質(zhì)（氙氣）電離，并利用靜電場(chǎng)將Xe+加速?lài)姵?，以此產(chǎn)生推力。此外，離子推力器還實(shí)現(xiàn)流量控制模塊（FCM）氣路與離子推力器氣路間的電絕緣。

矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)TPAM是離子推力器的機(jī)械支持和調(diào)節(jié)裝置。在主動(dòng)段飛行期間，TPAM為推力器提供足夠的剛性支撐和力學(xué)保護(hù)。入軌后，還可實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的解鎖功能，并具有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)限位保護(hù)功能。在軌工作期間，TPAM可繞衛(wèi)星X軸和Z軸在一定范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)二維方向推力矢量的調(diào)節(jié)。

PPU是離子推力器的供電設(shè)備。PPU將100 V母線(xiàn)供電轉(zhuǎn)化為離子推力器所需的屏柵電源、加速電源等穩(wěn)壓電源，中和器、陰極加熱電源、觸持電源、陽(yáng)極電源等恒流電源，中和器、陰極點(diǎn)火電源等脈沖電源，具備供電輸入及各路供電輸出控制功能。在檢測(cè)到中和器滅弧后，PPU具備自動(dòng)關(guān)斷加速電源和屏柵電源的內(nèi)部互鎖功能。PPU還具備輸出保護(hù)及恢復(fù)功能。

貯供子系統(tǒng)是離子推力器的供氣設(shè)備，由1個(gè)推進(jìn)劑存貯模塊（PSM）、1套壓力調(diào)節(jié)模塊（PRM）、4套FCM組成。氙氣瓶用于貯存超臨界狀態(tài)的氙氣；PRM利用壓力控制電磁閥將上游高壓氙氣減壓，并為下游FCM提供相對(duì)穩(wěn)定的壓力輸入條件；流量控制模塊根據(jù)推力器需求，為推力器提供穩(wěn)定的氙氣供應(yīng)。

系統(tǒng)性能參數(shù)如下：

推進(jìn)劑填充量：≥ 300 kg；

最大功耗：≥ 5 300 W；

比沖：2 500～4 000 s；

單臺(tái)推力器推力：20～200 mN；

推力指向精度：≤ 0.02°；

工作壽命：15年。

4.2 關(guān)鍵技術(shù)梳理

電推進(jìn)系統(tǒng)雖然比沖高，但是推力小，僅百毫牛級(jí)，因此需要電推進(jìn)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作才能滿(mǎn)足任務(wù)的總沖要求，此次任務(wù)要求電推進(jìn)系統(tǒng)壽命達(dá)到近20 000 h。

小行星探測(cè)任務(wù)采用太陽(yáng)電池片發(fā)電，航天器的供電能力取決于探測(cè)器與太陽(yáng)之間的距離，航天器距離太陽(yáng)的距離隨時(shí)間變化，航天器的供電能力變化較大，因此電推進(jìn)系統(tǒng)還需要適應(yīng)航天器供電功率的變化，確保在不同的輸入功率下，電推進(jìn)系統(tǒng)均能可靠穩(wěn)定工作。

4.2.1 變功率高比沖離子推力器技術(shù)

1）長(zhǎng)壽命空心陰極關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及驗(yàn)證技術(shù)

推進(jìn)劑中微量雜質(zhì)與陰極管材料高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使陰極結(jié)構(gòu)和機(jī)械強(qiáng)度變差，引起結(jié)構(gòu)或絕緣失效。國(guó)外在軌飛行離子推力器試驗(yàn)結(jié)果顯示推力器工作過(guò)程中陰極和放電室耦合作用下陰極觸持極頂將受到放電室內(nèi)部等離子體的嚴(yán)重濺射刻蝕，該效應(yīng)長(zhǎng)期積累導(dǎo)致觸持極材料大片掉落，嚴(yán)重時(shí)引起失效，這極大影響推力器的運(yùn)行壽命。研究結(jié)果顯示，引起觸持極頂濺射刻蝕的最關(guān)鍵因素是在放電室內(nèi)部觸持極頂附近存在等離子體振蕩和高能等離子體，因此提高空心陰極運(yùn)行壽命，需在明晰高能等離子體的來(lái)源及其對(duì)觸持極頂轟擊濺射刻蝕機(jī)理的基礎(chǔ)上，突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用新技術(shù)開(kāi)展相關(guān)研究。

2）高比沖長(zhǎng)壽命柵極系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及驗(yàn)證技術(shù)

基于離子推力器工作機(jī)理，實(shí)現(xiàn)高比沖的最大技術(shù)問(wèn)題是必須引入高電壓，高電壓會(huì)帶來(lái)微小間隙絕緣防護(hù)難度和真空起弧放電問(wèn)題。另外，高壓使得加速柵受到兩柵之間產(chǎn)生的高能交換電荷離子轟擊濺射刻蝕的程度更嚴(yán)重。因此，要使推力器同時(shí)實(shí)現(xiàn)高比沖、長(zhǎng)壽命，就必須要解決高電壓下的真空弧放電與柵極材料濺射刻蝕問(wèn)題。

4.2.2 高精度多模式比例貯供技術(shù)

對(duì)于小行星深空探測(cè)任務(wù)，離子電推進(jìn)系統(tǒng)是變功率工作。在不同輸入功率條件下，離子推力器對(duì)推進(jìn)劑流率的需求隨功率變化而變化，GEO衛(wèi)星電推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)劑供給基本為固定的幾個(gè)流率工作點(diǎn)，無(wú)法滿(mǎn)足小行星探測(cè)任務(wù)變流率的工況需求，必須采用能夠?qū)崿F(xiàn)流率連續(xù)調(diào)節(jié)的比例貯供技術(shù)。比例貯供技術(shù)重點(diǎn)對(duì)比例閥的流率-電流增益特性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用電磁-流體聯(lián)合仿真的方式對(duì)比例閥的比例特性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后通過(guò)流率試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)流量的高精度控制，必須采用流量傳感器對(duì)輸出流率進(jìn)行精確測(cè)量。

4.2.3 高可靠電推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)

1）電推進(jìn)故障模式分析與對(duì)策研究

當(dāng)1臺(tái)電推力器發(fā)生故障時(shí)，需要調(diào)整點(diǎn)火策略。具體在策略方面，將遵循可靠和優(yōu)化統(tǒng)一考慮的原則，識(shí)別和確定電推進(jìn)系統(tǒng)工作的故障模式，建立嚴(yán)格的故障產(chǎn)生和傳遞模型，仿真分析研究各種故障模式對(duì)變軌、在軌姿軌控的影響，評(píng)估不同工況下的系統(tǒng)可靠度，通過(guò)開(kāi)發(fā)電推進(jìn)變軌仿真軟件研究故障對(duì)策。

2）電推進(jìn)系統(tǒng)高可靠設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

通過(guò)故障模式識(shí)別和分析、試驗(yàn)驗(yàn)證等手段的循環(huán)和迭代，進(jìn)行系統(tǒng)的長(zhǎng)壽命和可靠性設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)方案上進(jìn)行必要的冗余備份設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)小子樣壽命和可靠性評(píng)估試驗(yàn)方案，在確保滿(mǎn)足工程應(yīng)用的前提下，降低人力、物力和時(shí)間成本。

5 結(jié) 論

針對(duì)小行星探測(cè)任務(wù)的需求，本文介紹了國(guó)外小行星探測(cè)器的電推進(jìn)系統(tǒng)方案，并提出了5種離子推力器和霍爾推力器配置電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行綜合比較，選擇以?xún)膳_(tái)LIPS-300離子推力器的5 kW電推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用于小行星探測(cè)，同時(shí)對(duì)離子電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)并梳理了關(guān)鍵技術(shù)。