現(xiàn)代小衛(wèi)星的微推進(jìn)系統(tǒng)

林來興

(北京控制工程研究所,北京 100080)

1 引言

現(xiàn)代小衛(wèi)星包括:幾百千克的小衛(wèi)星,百千克量級的微型衛(wèi)星;十千克量級的納型衛(wèi)星,以及1 千克量級的皮型衛(wèi)星。近十年來幾乎每隔4～5年時間,各種類型小衛(wèi)星就發(fā)生升級替代;即過去由大衛(wèi)星承擔(dān)的空間任務(wù)改由小衛(wèi)星承擔(dān);由小衛(wèi)星承擔(dān)的空間任務(wù)改為微型衛(wèi)星承擔(dān),由微型衛(wèi)星承擔(dān)的空間任務(wù)改為納型衛(wèi)星承擔(dān)。[1-2]它們不僅能進(jìn)行姿態(tài)控制和軌道控制,而且還可以進(jìn)行軌道機(jī)動,且具有軍事應(yīng)用的價值。

但是目前現(xiàn)有的推進(jìn)系統(tǒng)和推進(jìn)器很難滿足現(xiàn)代小衛(wèi)星的任務(wù)要求,必須開發(fā)研制微推進(jìn)系統(tǒng)和微推進(jìn)器。

本文首先研究分析現(xiàn)有各種類型推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)性能,然后較系統(tǒng)提出四種微推進(jìn)系統(tǒng)類型,近20個典型微推進(jìn)器,分析比較它們技術(shù)性能,最后給出設(shè)計微推進(jìn)系統(tǒng)和選擇微推進(jìn)器的原則和建議。

2 小衛(wèi)星對推進(jìn)系統(tǒng)的要求和微推進(jìn)系統(tǒng)[3-4]

2.1 對推進(jìn)系統(tǒng)的要求

各種類型小衛(wèi)星可以概括地對推進(jìn)系統(tǒng)提出一些共性的要求:

1)低的推力水平,寬的推力范圍,以便應(yīng)付各種類型小衛(wèi)星的應(yīng)用要求;2)推力精確,重復(fù)性好,推力前沿與后沿穩(wěn)定;3)速度增量(ΔV)變化范圍寬,不同應(yīng)用要求ΔV 有所不同;

4)最小推力沖量(又稱沖量元)要小,可以預(yù)報、精度高、重復(fù)性好,以便滿足控制系統(tǒng)高精度要求;

5)能長時間安全地在軌工作,推進(jìn)劑無泄漏;

6)推進(jìn)系統(tǒng)重量輕、體積小;

7)易于與各種類型微推進(jìn)器組合,構(gòu)成大的推進(jìn)系統(tǒng),從而使推進(jìn)系統(tǒng)具有極高的比沖;

8)低功耗,即使對電推進(jìn)器也希望功耗小,或者適中。

2.2 微推進(jìn)系統(tǒng)

隨著現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)快速發(fā)展,特別是小衛(wèi)星編隊(duì)飛行和小衛(wèi)星軌道機(jī)動的要求,迫切需要發(fā)展微推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)和微推進(jìn)器。

微推進(jìn)系統(tǒng)是近十年才發(fā)展起來的,微推進(jìn)系統(tǒng)主要特點(diǎn)是推力水平小,而且變化范圍寬,推進(jìn)器尺寸小,重量輕,要比現(xiàn)有推進(jìn)器尺寸和質(zhì)量有較大的降低;在技術(shù)上采用微米機(jī)電系統(tǒng)(MEM S)和納米機(jī)電系統(tǒng)(NEM S),與此同時也要開發(fā)新的推進(jìn)器(例如,場效應(yīng)推進(jìn)器,數(shù)字固體微推進(jìn)器等)。

3 冷氣微推進(jìn)器

3.1 加壓氣體

加壓推進(jìn)劑(任何氣體,通常為氮?dú)?,通過電磁閥和噴咀排出,產(chǎn)生推力。其特點(diǎn)如下:

1)推力水平,4.5mN～105N,相應(yīng)重量10g～0.4kg,功耗1～50W(僅電磁閥需要);

2)比沖65s,最少沖量5×10-5N s;

3)系統(tǒng)簡單、可靠、技術(shù)成熟;

4)成本低,沒有污染;

5)推進(jìn)器干重高,有高壓氣瓶。

表1列出了目前冷氣推進(jìn)器技術(shù)性能。對微推力器來說,推力范圍4.5mN～2N 就足夠,推進(jìn)器質(zhì)量小于幾十克[5]。

表1列出的推進(jìn)器都已經(jīng)通過飛行驗(yàn)證,技術(shù)上是成熟的。冷氣推進(jìn)器適合作為小衛(wèi)星微推進(jìn)系統(tǒng)。

表1 冷氣推進(jìn)器技術(shù)性能Table1 Technology performances of cold gas thrusters

3.2 蒸發(fā)液體

把一種容易氣化的液體推進(jìn)劑(例如丁烷,丙烷)加熱蒸發(fā)變成高溫高壓氣體,然后經(jīng)電磁閥或壓電閥和噴咀排出,產(chǎn)生推力。

由NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)研制的丁烷蒸發(fā)微推進(jìn)器技術(shù)性能:推力10～25mN,質(zhì)量30g,比沖70s,功耗1W(取決于推力提升速度),維持功耗10μW。適用于立方體星、納星的姿態(tài)控制。

電磁閥已經(jīng)通過航天飛機(jī)進(jìn)行的空間飛行演示驗(yàn)證。壓電閥也在JPL 微推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行過試驗(yàn)。

4 化學(xué)微推進(jìn)器

4.1 單組元微推進(jìn)器

1)一般單組元(肼)微推進(jìn)器

(1)推力水平:0.5～22N;

(2)最小沖量:5mNs;

(3)比沖:160～230s;

(4)系統(tǒng)較簡單,可靠、技術(shù)成熟;

(5)成本較低,可長期貯存(已有12年貯存記錄);

(6)催化劑壽命有限,有中等程度污染。

表2列出了現(xiàn)有各種肼推進(jìn)器的技術(shù)性能[6]。這些單組元肼推進(jìn)器已應(yīng)用于航天器(包括小衛(wèi)星)。

表2 美國肼推進(jìn)器技術(shù)性能Table2 Technology performances of US hydrazine thruster

2)肼毫牛頓推進(jìn)器(HmN T)[5]

HmN T 推進(jìn)器最近由JPL 研制成功,2007年已完成地面真空環(huán)境試驗(yàn),2008年完成點(diǎn)火試驗(yàn)。HmN T 與現(xiàn)有肼推進(jìn)器(M R103H)技術(shù)性能比較如下:

通過上述比較,新研制肼毫牛頓推進(jìn)器(HmN T)推力降低到1/45,體積減小到1/10,質(zhì)量減到1/5,最少沖量降低到1/10,由此說明,新微推進(jìn)器非常適用于小衛(wèi)星。

4.2 雙組元微推進(jìn)器

1)一般雙組元推進(jìn)器

(1)推力水平:4～30N;

(2)最小沖量:5×10-2Ns;

(3)比沖280～300s;

(4)系統(tǒng)復(fù)雜、成本高,有污染;

(5)適用于幾百千克小衛(wèi)星。

2)數(shù)字雙組元微推進(jìn)器

(1)由美國麻薩諸塞州理工學(xué)院(MIT)近期研制;

(2)推力水平:100～1 000mN;

(3)推進(jìn)器芯片長18mm,寬13.55mm,厚2.9mm ,質(zhì)量1.29g ,燃燒室100mm3;

(4)比沖:200s;

(5)最小沖量:0.5～5mNs。

3)MEM S 雙組元推進(jìn)器

(1)由美國斯坦福大學(xué)研制,現(xiàn)處在研制階段;

(2)高推力/質(zhì)量比,推進(jìn)器功耗較低;

(3)系統(tǒng)較復(fù)雜,制造較難。

5 電微推進(jìn)器

5.1 真空電弧推進(jìn)器

真空電弧推進(jìn)器(Vacuum Arc Thruster,VAT )的工作原理是液態(tài)肼在燃燒室分解為肼分解產(chǎn)物,然后進(jìn)入電弧推進(jìn)器,在電弧反應(yīng)過程中被加熱,通過噴咀膨脹被加速排出,產(chǎn)生推力。推進(jìn)器的電弧是由兩個通過絕緣柱分開的同心極中的陰極端處產(chǎn)生的。其特點(diǎn)是:

1)具有極高精度的推力,最小沖量和良好脈沖推力特性;

2)推進(jìn)器為模塊化設(shè)計,結(jié)構(gòu)緊湊。

由JPL 研制的VAT 推進(jìn)器技術(shù)性能如下:

推力0.125mN,質(zhì)量40g ,比沖1 000s,功耗10W;適用小衛(wèi)星星座或編隊(duì)飛行姿態(tài)控制,由于速度增量(ΔV)有限,難于用在軌道控制。

5.2 脈沖等離子體微推進(jìn)器

脈沖等離子體微推進(jìn)器(PPT)的工作原理是在推進(jìn)器內(nèi)電弧燒蝕一定質(zhì)量的固體推進(jìn)劑(聚四氟乙烯),形成等離子體,然后經(jīng)電磁場加速后排出而產(chǎn)生推力。其特點(diǎn)如下:

1)固體推進(jìn)劑輸送是靠彈簧力把推進(jìn)劑推向推進(jìn)器的陽極,無需復(fù)雜的氣液推進(jìn)劑輸送系統(tǒng)。

2)推進(jìn)器是固有脈沖式的,而且攜帶有燃料模塊;

3)結(jié)構(gòu)較簡單,質(zhì)量小,適用于小衛(wèi)星。

各種PPT 推進(jìn)器技術(shù)性能見表3,部分已用于空間飛行[6]。Dawgstar 推進(jìn)器將來也會應(yīng)用于深空探測器。

表3 脈沖等離子體推進(jìn)器技術(shù)性能Table3 Technology performances of PPT Thrusters

5.3 離子微推進(jìn)器

離子推進(jìn)劑一般采用氙。氙在推進(jìn)器的放電室內(nèi)被電子轟擊下成為帶電子離子,然后在靜電場被加速后排出,產(chǎn)生推力。其特點(diǎn)是:比沖高(3 000s),推進(jìn)劑效率＞70%,功率效率＞40%,沒有污染。

由美國JPL 研制的微型氙離子推進(jìn)器(型號為MiXi)。技術(shù)性能如下:

推力0.01～0.5mN,質(zhì)量0.2kg,推進(jìn)器直徑3cm ,比沖2 500～3 000s,功耗13～15W。

此推進(jìn)系統(tǒng)非常適用質(zhì)量在30～100kg 的微型衛(wèi)星,也適用當(dāng)前小衛(wèi)星在低軌的星座和編隊(duì)飛行 的軌道控制;由于比沖高,可獲得較大速度增量(ΔV),適合軌道機(jī)動;因推力小,變軌為螺旋軌跡。

5.4 霍爾推進(jìn)器(穩(wěn)態(tài)等離子體推進(jìn)器)

霍爾推進(jìn)器又稱為穩(wěn)態(tài)等離子體推進(jìn)器(SPT),它利用霍爾效應(yīng)產(chǎn)生推力,也就是說,推進(jìn)劑氙被電離成離子,離子加速穿過磁場來產(chǎn)生推力。其特點(diǎn)是氙推進(jìn)劑沒有污染。

SPT 推進(jìn)器首先由俄羅斯研制成功,現(xiàn)在幾乎所有地球同步軌道衛(wèi)星都采用氙推進(jìn)器。

SPT 推進(jìn)器推力小、功耗大,今后若能降低功耗,則適用于小衛(wèi)星。

5.5 場效應(yīng)電推進(jìn)器

場效應(yīng)電推進(jìn)器(FEET)屬于靜電式電推進(jìn)器,它的結(jié)構(gòu)組成和工作原理如下:推進(jìn)器結(jié)構(gòu)主要由發(fā)射器、吸極、中和器等組成。固體推進(jìn)劑(一般采用銫)儲存在發(fā)射器儲腔中,工作時加熱儲腔,使推進(jìn)劑液化。由于毛細(xì)作用,使得推進(jìn)劑流向發(fā)射器出口的狹縫。在發(fā)射器出口和吸極間施加高壓電場,使金屬離子化,在高壓電場作用下離子克服表面張力脫離金屬表面,由電場加速從吸極飛出,從而產(chǎn)生推力。

場效應(yīng)電推進(jìn)器最早(1972年)由歐洲航天技術(shù)與試驗(yàn)中心(ES TEC)首先提出,在以后很長一段時間,技術(shù)上沒有什么發(fā)展,最近由于小衛(wèi)星和編隊(duì)飛行軌道控制需要才得到較快發(fā)展。

場效應(yīng)推進(jìn)器特點(diǎn):推力水平小且精確,最小沖量很小,工作時推進(jìn)劑消耗少。唯一缺點(diǎn)是功耗大。

由歐洲航天局負(fù)責(zé)研制的新場效應(yīng)微推進(jìn)器,準(zhǔn)備用于2014年發(fā)射“激光干涉天線空間探路者”(LISAPathfinder)編隊(duì)飛行的軌道控制,其技術(shù)性能如下:推力水平1～150mN,最小沖量＜0.1μN(yùn)·s,壽命5年,功耗40～50W,總沖4 000Ns。

6 數(shù)字固體微推進(jìn)器

6.1 概述

常規(guī)固體推進(jìn)器具有結(jié)構(gòu)簡單,沒有運(yùn)動部件,運(yùn)行可靠,成本低,技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn),但缺點(diǎn)是推力很大,只能一次點(diǎn)火。這些缺點(diǎn)使它無法應(yīng)用在小衛(wèi)星控制。

是否有可能把常規(guī)固體推進(jìn)器優(yōu)點(diǎn)保留下來,而同時又能克服它存在缺點(diǎn),讓它變?yōu)樾⌒l(wèi)星微推進(jìn)器?

這個問題在1997年首先由法國國家科研中心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與分析研究所(LAAS—CNRS)提出“數(shù)字固體微推進(jìn)器”方案,并且成功地研制了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī),從而獲得解決[7]。在以后一段時間,先后獲得國際上多家研究機(jī)構(gòu)響應(yīng),進(jìn)行深入詳細(xì)研究,從而使數(shù)字固體微推器技術(shù)獲得較大發(fā)展。

6.2 數(shù)字固體微推進(jìn)器結(jié)構(gòu)組成

數(shù)字固體微推進(jìn)器由若干個2 維面陣元組成,每個2 維面陣元又由若干個基本單元組成,例如10×10(100 基本單元),512×512(262 144 基本單元),1 024×1 024(1 048 576 基本單元),一般來說,一個完整數(shù)字固體推進(jìn)器由幾個到幾十個的2 維面陣元組成(變?yōu)槿S立體陣元)。由多少基本單元組成推進(jìn)器完全取決于需要提供多少總沖以及推力水平變化范圍。

圖1為數(shù)字固體微推進(jìn)器一個基本單元結(jié)構(gòu)組成圖。

圖1 數(shù)字固體推進(jìn)器單元結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Schematic of a single unit of digital solid micro thruster

每個基本單元由下列四部分組成:

1)噴咀芯片,安裝在結(jié)構(gòu)頂端;

2)由多晶硅電阻組成微機(jī)械點(diǎn)火器;

3)貯存推進(jìn)劑(固體火藥)的燃燒室;

4)密封件。

固體火藥貯存在燃燒室,類似把原來固體推進(jìn)器中的火藥柱分開成許多非常細(xì)小的推進(jìn)劑,一般僅有幾微克質(zhì)量。

圖2表示由10個基本單元組成一個列陣,整個2 維面陣元由10×10 基本單元組成。

一個2 維面陣元所有基本單元(相當(dāng)一個細(xì)小固體推進(jìn)器)可以獨(dú)立完成工作,相互沒有關(guān)連,由計算機(jī)來控制。

圖2 由10個基本單元組成一維列陣元Fig.2 Cross-section of a chip

圖3表示固體推進(jìn)器的點(diǎn)火裝置,它是由加熱燈絲PN 結(jié)組成,這些燈絲只加熱,提高溫度但不發(fā)光。點(diǎn)火裝置完全由計算機(jī)編程來控制。

圖3 2 維尋址燈絲加熱點(diǎn)火器線路原理圖Fig.3 Schematic of a 2D addressed matrix of resistors

圖4 點(diǎn)火試驗(yàn)實(shí)況Fig.4 Ignition test

6.3 數(shù)字固體微推進(jìn)器點(diǎn)火試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述數(shù)字固體微推進(jìn)器組成結(jié)構(gòu),從中抽出16個基本單元組成點(diǎn)火試驗(yàn)樣機(jī)。

具體點(diǎn)火技術(shù)狀態(tài)如下:

1)推力水平100μN(yùn);

2)點(diǎn)火功率150mW;

3)點(diǎn)火加熱面積 0.518mm2(0.75mm ×0.75mm);

4)點(diǎn)火功率密度289mW/mm2;

5)點(diǎn)火遲延時間(平均值)400ms;

6)點(diǎn)火能量(平均值)69mJ;

7)點(diǎn)火能量密度(平均值)134mJ/mm2;

8)點(diǎn)火成功概率100%。

圖4為點(diǎn)火試驗(yàn)現(xiàn)場實(shí)況。

6.4 大容量數(shù)字固體微推進(jìn)器

在推進(jìn)器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)制成功以后,國際上不斷有新的研究成果出現(xiàn),這里僅舉兩例:一個早期實(shí)例,另一個近期實(shí)例。

1)早期實(shí)例[11]

1999年完成研制的512×512 二維面陣數(shù)字固體推進(jìn)器。這個推進(jìn)器有25 萬個基本單元,這些基本單元被布置在間隔51μm 二維面陣上,每個基本單元有獨(dú)立的加熱絲,加熱絲按同軸方式排列在注有燃料的空腔上方,并與經(jīng)過空間環(huán)境鑒定過的電路集成為一體,從而使每個推進(jìn)器都有獨(dú)立尋址的功能,通過計算編程控制點(diǎn)火,產(chǎn)生推力。

通過點(diǎn)火試驗(yàn)驗(yàn)證后,512×512 二維面陣元固體推進(jìn)器技術(shù)性能如下:

(1)每個基本單元燃料質(zhì)量0.5～8μg;

(2)二維面陣(512×512)面積33mm×33mm;

(3)二維面陣質(zhì)量(含燃料)2.4g;

(4)比沖200～300s

(5)基本單元最小沖量0.5～20μN(yùn) s;

(6)點(diǎn)火功耗10mW;

(7)點(diǎn)火能量100μJ。

數(shù)字固體推進(jìn)器可由上述數(shù)個二維面陣組成;若由10個面陣組成一個三維立體推進(jìn)器將有250萬個基本單元,質(zhì)量大約在30g 左右,體積大約在10mm×33mm×33mm。這種推進(jìn)器非常適用于微星和納星的軌道控制。

2)近期實(shí)例

2007年美國Honeyw ell 公司成功研制的數(shù)字固體微推進(jìn)器,已經(jīng)達(dá)到100萬基本單元(1 024×1 024)。采用收斂酸鉛(Lead Styphnate)作固體推進(jìn)劑。每個基本單元點(diǎn)火功率為50μW,推力為10μN(yùn),最小沖量為3μN(yùn)s。整個數(shù)字固體推進(jìn)器可以由若干個面陣組成,例如由10個面陣組成,則該推進(jìn)器將有1 000萬個基本單元,其體積相當(dāng)于一個大火柴盒。

6.5 關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字固體微推進(jìn)器出現(xiàn)至今已有十來年歷史,至今尚有下列關(guān)鍵技術(shù)和問題,等待人們?nèi)ラ_發(fā)研究,尋找更加合理的解決方案:

1)推進(jìn)器基本單元多少受二維面陣硅片尺寸的限制。例如1 024×1 024 二維面陣硅片面積要求60cm2,若要求更多基本單元,硅片面積還要加大,這是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

2)固體火藥填裝和安全密封。一般在填裝過程可能會產(chǎn)生氣泡或封裝產(chǎn)生縫隙。填裝與密封是另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

3)每個基本單元推力和點(diǎn)火時間要求相同,并且要有一定重復(fù)性和穩(wěn)定性,需保證推進(jìn)器技術(shù)指標(biāo)的質(zhì)量。

4)點(diǎn)火裝置要達(dá)到高可靠的性能,要求100%點(diǎn)火概率。每個基本單元要求相互獨(dú)立,互不關(guān)連。完全由計算機(jī)編程尋址來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火,產(chǎn)生所需要推力。

5)完整數(shù)字固體微推進(jìn)器是三維陣元,也就是由若干個2 維面陣組成,點(diǎn)火用完一個面陣自動脫落,并且成功排出,不影響小衛(wèi)星安全運(yùn)行。這項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是安全脫落和二維面陣個數(shù),2 維面陣個數(shù)越多,推力總沖越大,但技術(shù)難度也越高。

6)目前推進(jìn)器成本很高,這與低成本廉價的小衛(wèi)星不相適應(yīng)。為此必須降低成本,才能得到廣泛應(yīng)用。

7)據(jù)了解,目前數(shù)字固體微推進(jìn)器尚未進(jìn)行空間飛行。為此急需進(jìn)行空間飛行演示驗(yàn)證,才能使推進(jìn)器技術(shù)達(dá)到應(yīng)用水平。

7 微推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用

設(shè)計小衛(wèi)星微推進(jìn)系統(tǒng),選擇微推進(jìn)器類型,首先要估算小衛(wèi)星空間飛行任務(wù)所需要的總沖量(Ns),也就是小衛(wèi)星單位質(zhì)量的速度增量(ΔV),其次要了解推進(jìn)劑比沖和推力水平及最小沖量,這些與小衛(wèi)星控制精度有關(guān)。最后就是考慮推進(jìn)器功耗和質(zhì)量,尤其是推進(jìn)器的功耗,因?yàn)樾⌒l(wèi)星所能提供的功耗是有限的。

圖5 ΔV與和Ⅰssp 關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curve of ΔV and Ⅰssp

對一般小衛(wèi)星來說,若要求小衛(wèi)星具有較大的速度增量(ΔV),筆者提出一個“3-3”制小衛(wèi)星總體設(shè)計原則[12]:即小衛(wèi)星平臺(不包括推進(jìn)系統(tǒng))質(zhì)量占1/3,有效載荷質(zhì)量占1/3,推進(jìn)系統(tǒng)(含燃料)質(zhì)量占1/3。由圖5可得:若采用冷氣推進(jìn)系統(tǒng),則小衛(wèi)星的ΔV為100～160m/s;若采用單組元,ΔV為500～700m/s,若采用雙組元,ΔV為900～1 200m/s。這樣就可以滿足相當(dāng)大軌道機(jī)動的需要。目前對小衛(wèi)星開發(fā)水平已經(jīng)達(dá)到有效載荷占整星總質(zhì)量50%左右,國外已有占60%～70%。為此“3-3”制中對小衛(wèi)星平臺占整星33%是可以實(shí)現(xiàn)的。至于有效載荷總量占整星1/3,對部分用途的小衛(wèi)星來說也是可以滿足的。

為確保小衛(wèi)星“3-3”制總體設(shè)計原則的順利實(shí)施,需要開展下列一些關(guān)鍵技術(shù)研究。

1)小衛(wèi)星平臺要輕量化,微型化,降低平臺質(zhì)量,途徑是提高小衛(wèi)星平臺各分系統(tǒng)的功能密度;

2)減少推進(jìn)器干重使推進(jìn)器輕型化。目前燃料與推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量之比:冷氣為0.72;單組元為0.8;雙組元為0.9。

小衛(wèi)星編隊(duì)飛行對速度增量ΔV 要求比較高,一般,近地軌道小衛(wèi)星編隊(duì)飛行初始軌道建立和長期飛行的隊(duì)形保持(即軌道位置保持),需要特別大的速度增量ΔV,以致有時小衛(wèi)星編隊(duì)飛行難于實(shí)現(xiàn)。圖6表示小衛(wèi)星編隊(duì)飛行在深空探測(例如TPF ,LISAPathfinder 等探測器)推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量(推進(jìn)器與推進(jìn)劑)和飛行任務(wù)時間的關(guān)系。飛行任務(wù)時間一般與推進(jìn)系統(tǒng)提供的總沖量有關(guān),也就是速度增量ΔV 乘上小衛(wèi)星質(zhì)量。推進(jìn)系統(tǒng)總沖量與飛行時間幾乎成正比,這里假設(shè)每個軌道周期所需要ΔV是常數(shù),這與實(shí)際基本上符合。

分析圖6,可以得出如下結(jié)論:

1)不同推進(jìn)劑提供總沖量(或ΔV)所需要推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量差異很大。例如冷氣推進(jìn)系統(tǒng)與肼推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量之比平均為3 ∶1,冷氣推進(jìn)系統(tǒng)與PPT系統(tǒng)質(zhì)量之比為5 ∶1,而且隨總沖量增加,兩者質(zhì)量之比越來越大。為此,當(dāng)小衛(wèi)星需要大的總沖量,選擇肼或電推進(jìn)系統(tǒng)比較合適。

2)場效應(yīng)電推進(jìn)器(FEET)有一個突出優(yōu)點(diǎn),它提供總沖量與推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量幾乎無關(guān),也就是說,它的推進(jìn)劑消耗非常小,但是功耗比較大。

3)各類小衛(wèi)星能提供給推進(jìn)系統(tǒng)的質(zhì)量是有限的,一般占整星質(zhì)量的10%～30%。為此,圖6所示各種推進(jìn)系統(tǒng)比較適用微小衛(wèi)星(幾百千克)和微型衛(wèi)星(百千克量級),而比較難應(yīng)用于納星。

圖6 小衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)重量與各種推進(jìn)器的空間飛行時間(總沖量)關(guān)系Fig.6 Relationship between small satellite propulsion system w eight and space flight time(total impulse)relatioNship

8 結(jié)論

現(xiàn)代小衛(wèi)星質(zhì)量從幾百千克,到幾千克,它們的推進(jìn)系統(tǒng)和推進(jìn)器各不相同,但是下列一些原則性意見還是具有普遍意義的。

1)氮冷氣和肼微推進(jìn)器,特別是肼毫牛頓推進(jìn)器(HmNT)應(yīng)該作為小衛(wèi)星微推進(jìn)器首選。

2)當(dāng)上述推進(jìn)器不能滿足飛行任務(wù)要求,同時小衛(wèi)星又能提供一定功率,則可選用脈沖等離子體推進(jìn)器(PPT)。

3)數(shù)字固體微推進(jìn)器若經(jīng)過空間飛行演示驗(yàn)證,確認(rèn)合格后,成本又有較大降低,它將成為小衛(wèi)星的一個比較理想的微推進(jìn)器。

4)當(dāng)小衛(wèi)星需要較大速度增量(ΔV)時,可采用“3-3”制的小衛(wèi)星總體設(shè)計原則,即小衛(wèi)星平臺質(zhì)量,有效載荷質(zhì)量,化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)濕重,三者各占1/3,可提供ΔV為100～1 200m/s。

5)目前還處在研制試驗(yàn)階段的一些新微推進(jìn)器,有望將來成為小衛(wèi)星常規(guī)微推進(jìn)系統(tǒng),例如JPL研制真空電弧推進(jìn)器(VAT)、氙離子推進(jìn)器(型號為Mixi)和歐洲航天局研制的場效應(yīng)電推進(jìn)器(FEE T)。當(dāng)然這些推進(jìn)器都有自己的特長,應(yīng)用場所也會有所不同。

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