電推進(jìn)器相對(duì)于化學(xué)推進(jìn)器具有高比沖、小推力、長(zhǎng)壽命、能重復(fù)啟動(dòng)和高的控制精度等優(yōu)點(diǎn)而成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)。隨著世界范圍內(nèi)電推進(jìn)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，電推進(jìn)器已成為同步軌道(GEO)靜止衛(wèi)星的南北位置保持的標(biāo)準(zhǔn)配置。電推進(jìn)器在衛(wèi)星上的不同安裝策略對(duì)電推進(jìn)器與整星之間的兼容性有著重要影響，要保證電推進(jìn)器與GEO 靜止衛(wèi)星集成后兩者之間的可靠兼容。因此，研究電推進(jìn)器在GEO靜止衛(wèi)星上的安裝策略很有必要。本文研究了分別在三軸穩(wěn)定衛(wèi)星的太陽(yáng)電池陣列上和衛(wèi)星星體上安裝電推進(jìn)器時(shí)電推進(jìn)器的安裝布局，為GEO 靜止衛(wèi)星電推進(jìn)器的安裝布局提供解決策略，從而為衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

　　國(guó)外GEO 靜止衛(wèi)星已經(jīng)普遍采用電推進(jìn)器作為南北位置保持的標(biāo)準(zhǔn)配置，目前中國(guó)正在做以電推進(jìn)器作為GEO 靜止衛(wèi)星南北位置保持標(biāo)配系統(tǒng)的總體方案。由于離子推進(jìn)器和霍爾推進(jìn)器優(yōu)異的性能，使得兩者分別在美國(guó)和俄羅斯得到重要應(yīng)用。電推進(jìn)器和一般常規(guī)的化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)不同，普通化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)是靠化學(xué)推進(jìn)劑自身的燃燒反應(yīng)獲得能量以高速噴出產(chǎn)生推力，而電推進(jìn)器的推進(jìn)劑(惰性氣體氙氣Xe)自身并未產(chǎn)生能量，需要在衛(wèi)星電源供電系統(tǒng)的支持下電離并加速噴出，形成推力。

　　自旋穩(wěn)定衛(wèi)星的太陽(yáng)電池安裝在自身星體上，只有大約三分之一的太陽(yáng)電池產(chǎn)生電功率，在這種結(jié)構(gòu)配置下，每千克太陽(yáng)電池陣僅能產(chǎn)生9 W 的電功率，衛(wèi)星整體供電能力明顯不足，因此發(fā)展了對(duì)太陽(yáng)定向的帆板的自旋穩(wěn)定衛(wèi)星和三軸穩(wěn)定衛(wèi)星。其中，三軸穩(wěn)定衛(wèi)星已占據(jù)國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星發(fā)展的主流，其對(duì)太陽(yáng)定向的太陽(yáng)帆板能連續(xù)不斷地產(chǎn)生電功率，每千克太陽(yáng)電池陣可以產(chǎn)生55～65 W 的電功率，整體供電能力明顯提升。三軸穩(wěn)定衛(wèi)星的出現(xiàn)為電推進(jìn)器在衛(wèi)星上的安裝集成提供了強(qiáng)大功率，從而使得電推進(jìn)器得到了蓬勃發(fā)展。如20 cm 的LIPS-200 離子推進(jìn)器輸出推力40 mN， 需要1000 W 的功率供電，提供所需功率的三軸穩(wěn)定衛(wèi)星的太陽(yáng)電池陣對(duì)太陽(yáng)定向的部分大約占到了20 kg。

　　電推進(jìn)器在衛(wèi)星上的不同安裝策略對(duì)電推進(jìn)器與整星之間的兼容性有著重要影響，要保證電推進(jìn)器與GEO 靜止衛(wèi)星集成后兩者之間的可靠兼容，同時(shí)，航天器表面充放電亦會(huì)由于電推進(jìn)器合理的安裝而得到抑制。因此，研究電推進(jìn)器在GEO 靜止衛(wèi)星上的安裝策略很有必要。本文研究了分別在三軸穩(wěn)定衛(wèi)星的太陽(yáng)電池陣列上和衛(wèi)星星體上安裝電推進(jìn)器時(shí)電推進(jìn)器的安裝布局，為GEO 靜止衛(wèi)星電推進(jìn)器的安裝布局提供解決策略，從而為衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1、三軸穩(wěn)定衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣列上安裝電推進(jìn)器

　　在三軸穩(wěn)定衛(wèi)星的太陽(yáng)電池陣列上安裝電推進(jìn)器示意圖見圖1，這樣的布局安裝會(huì)使得電推進(jìn)羽流污染沉積問(wèn)題最小化。電推進(jìn)器在衛(wèi)星的南北兩邊的太陽(yáng)電池陣列上均可安裝。這樣的安裝布局可以使電推進(jìn)器每天在一個(gè)節(jié)點(diǎn)工作，也可使其在每天的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)工作。可考慮將推進(jìn)劑貯供系統(tǒng)和二次電源布局安裝在太陽(yáng)電池陣列的頂端， 在這種安裝布局下，推進(jìn)劑的管路、控制和供電電纜均不再需要通過(guò)太陽(yáng)電池陣列和衛(wèi)星星體之間的轉(zhuǎn)動(dòng)部分即可為電推進(jìn)器工作提供所需推進(jìn)劑和電力供給。

　　該安裝布局的優(yōu)勢(shì)在于在每顆衛(wèi)星的單個(gè)太陽(yáng)電池陣列上安裝一臺(tái)電推進(jìn)器即可滿足系統(tǒng)備份要求，大大減小了電推進(jìn)系統(tǒng)的重量限制，在每個(gè)電池陣列上安裝兩臺(tái)電推進(jìn)器，而每?jī)膳_(tái)電推進(jìn)器需要一套單獨(dú)的二次電源，這使得電推進(jìn)系統(tǒng)重量大大增加。同時(shí)，在太陽(yáng)電池陣列上安裝布局電推進(jìn)器, 不存在由于推進(jìn)劑消耗引起的衛(wèi)星質(zhì)量不平衡的問(wèn)題。電推進(jìn)器的安裝布局可以采用萬(wàn)向支架機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)抵消靜態(tài)角誤差和由于熱效應(yīng)引起的瞬態(tài)推力變化。

　　SERT-1 航天器上安裝了8 cm 的銫接觸式離子推進(jìn)器和10 cm 汞電子轟擊式離子推進(jìn)器各一臺(tái)，其中銫推進(jìn)器的設(shè)計(jì)工作性能為功率0.6 kW、推力5.6 mN、比沖8050 s，汞推進(jìn)器的設(shè)計(jì)工作性能為功率1.4 kW、推力28 mN、比沖4900 s。兩臺(tái)電推進(jìn)器對(duì)稱安裝在航天器的側(cè)面可展開臂上(見圖2)。

圖1 在三軸穩(wěn)定衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣列上安裝布局電推進(jìn)器示意圖

圖2 SERT-1 航天器太陽(yáng)電池陣列上安裝布局電推進(jìn)器示意圖

2、三軸穩(wěn)定衛(wèi)星星體上安裝電推進(jìn)器

　　2.1、星體上電推進(jìn)器布局

　　GEO 靜止三軸穩(wěn)定衛(wèi)星星體上安裝電推進(jìn)器布局如圖3 所示，一般有兩種位置，一種是電推進(jìn)器安裝在衛(wèi)星背地面，另外一種是電推進(jìn)器安裝在南北面，這兩種安裝布局示意圖如圖4 所示，分別為BSS-601HP 平臺(tái)[1]和Artemis 衛(wèi)星。

圖3 在三軸穩(wěn)定衛(wèi)星星體上安裝布局電推進(jìn)器示意圖

圖4 衛(wèi)星電推進(jìn)器背地面和南北面安裝布局示意圖

　　2.2、星體上電推進(jìn)器安裝角

　　在三軸穩(wěn)定衛(wèi)星星體上安裝電推進(jìn)器避免了同太陽(yáng)電池陣列的直接機(jī)械接口，但這要求衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣列具有高的展弦比(即高縱橫比)，并且要保證電推進(jìn)器向外傾斜，使得電推進(jìn)羽流污染最小。當(dāng)衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣列轉(zhuǎn)動(dòng)到電推進(jìn)器安裝平面時(shí)，電推進(jìn)羽流污染最嚴(yán)重。研究表明，為了減小電推進(jìn)羽流污染，降低各種類型的電推進(jìn)器的束流發(fā)散角，可以改善束流離子對(duì)航天器的污染程度，尤其能降低其對(duì)GEO 靜止衛(wèi)星太陽(yáng)電池帆板的濺射污染。還可以選擇電推進(jìn)器的安裝傾角，以降低電推進(jìn)束流對(duì)航天器的污染程度，各種類型的電推進(jìn)器在衛(wèi)星星體上的安裝布局均應(yīng)保證電推進(jìn)羽流視場(chǎng)不會(huì)直接碰撞到航天器部件，從而有效減小電推進(jìn)羽流污染。對(duì)于南北位置保持用離子推進(jìn)器的安裝傾斜角至少等于或大于30°，先進(jìn)的肼電弧推進(jìn)器安裝傾角為17°，霍爾推進(jìn)器安裝傾角為45°，脈沖等離子體推進(jìn)器安裝傾角為40°。對(duì)于離子推進(jìn)器，可在離子推進(jìn)器的出口安裝一個(gè)束屏蔽罩。深空一號(hào)航天器上安裝的離子推進(jìn)器安裝在了-Z 面上，其軸線與航天器的-Z 軸重合，這樣的布局安裝與深空一號(hào)的使命有關(guān)，深空一號(hào)是用來(lái)對(duì)1992KD 小行星和107PBorreiiy 及19PWilson-Harrington 彗星進(jìn)行深空探測(cè)的一顆航天器。離子推進(jìn)器安裝在了一個(gè)屏蔽罩環(huán)內(nèi)( 見圖5)，屏蔽罩主要用來(lái)加裝熱控組件和阻擋交換電荷離子。

圖5 離子推進(jìn)器在深空一號(hào)上的布局圖

　　由于電推進(jìn)器安裝的傾斜角，從而使得電推進(jìn)器工作時(shí)產(chǎn)生的推力在垂直軌道面和軌道面內(nèi)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)法線方向存在分量。其中軌道面內(nèi)法向分量會(huì)造成衛(wèi)星軌道偏心率漂移，升降交點(diǎn)對(duì)稱工作也正好抵消(真近點(diǎn)角相差180°)偏心率漂移影響。GEO 靜止衛(wèi)星應(yīng)用電推進(jìn)系統(tǒng)作為南北位置保持時(shí)選用的標(biāo)準(zhǔn)配置為4 臺(tái)電推進(jìn)器、2 臺(tái)電源處理單元(PPU)、1 套推進(jìn)劑貯供子系統(tǒng)、1 臺(tái)控制單元等，系統(tǒng)是全冗余備份系統(tǒng)，可靠性較高。

　　2.3、星體上電推進(jìn)器安裝位置

　　電推進(jìn)器是應(yīng)當(dāng)安裝在包含衛(wèi)星—地球矢徑的平面(即俯仰—偏航軸面平面，它產(chǎn)生徑向推力分量)內(nèi)，還是應(yīng)當(dāng)安裝在與它垂直的平面(即俯仰—滾動(dòng)軸平面，它產(chǎn)生周向推力分量)內(nèi)。這兩種安裝方式之間的主要不同在于由于推力矢量的角誤差、推力的變化和推進(jìn)器的失效對(duì)軌道造成的干擾。一般情況下，南北推力器組(對(duì))安裝在衛(wèi)星的俯仰—偏航平面內(nèi)。由于電推進(jìn)器推力矢量角誤差和推力大小的變化造成的軌道干擾可以忽略不計(jì)。同時(shí)，由于電推進(jìn)器的失效(一臺(tái)電推進(jìn)器失效，在衛(wèi)星南面或背面的兩臺(tái)電推進(jìn)器中只有一臺(tái)可以工作)造成的軌道干擾也可以忽略。而當(dāng)電推進(jìn)器安裝在俯仰—滾動(dòng)軸平面內(nèi)，由于上述原因造成的軌道干擾很大甚至是不可接受的，必須消耗化學(xué)推進(jìn)器對(duì)軌道干擾進(jìn)行消除。因此，電推進(jìn)器應(yīng)當(dāng)安裝在俯仰—偏航軸平面內(nèi)，這樣安裝布局提供了較大的冗余備份，還減少了化學(xué)推進(jìn)劑的消耗量。

3、結(jié)論

　　電推進(jìn)器已經(jīng)成為GEO 靜止衛(wèi)星南北位置保持的標(biāo)準(zhǔn)配置，三軸穩(wěn)定衛(wèi)星由于整個(gè)太陽(yáng)電池陣列在整個(gè)時(shí)間內(nèi)均有效，因此在提供電推進(jìn)器和有效載荷功率方面更加容易，而且能以較少的成本提供所需的功率。各種類型的電推進(jìn)器在衛(wèi)星星體上的安裝布局均應(yīng)保證電推進(jìn)羽流視場(chǎng)不會(huì)直接碰撞到航天器部件，從而有效減小電推進(jìn)羽流污染。自旋穩(wěn)定衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣列上安裝電推進(jìn)器，會(huì)經(jīng)常改變電推進(jìn)器和衛(wèi)星星體坐標(biāo)之間的關(guān)系，但如此安裝布局的電推進(jìn)系統(tǒng)安裝布局簡(jiǎn)單、系統(tǒng)重量較輕，但實(shí)際上排除了電推進(jìn)器在GEO 靜止衛(wèi)星除南北位置保持功能以外的其它推進(jìn)用途。最后，電推進(jìn)器應(yīng)當(dāng)安裝在俯仰—偏航軸平面內(nèi)，這樣安裝布局提供了較大的冗余備份，還減少了化學(xué)推進(jìn)劑的消耗量。