黃永杰，楊福全，賈艷輝

（蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000）

基于T5離子推力器無(wú)拖曳飛行技術(shù)

黃永杰，楊福全，賈艷輝

（蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000）

GOCE是世界上首次應(yīng)用無(wú)拖曳飛行技術(shù)的科學(xué)測(cè)量衛(wèi)星，用于測(cè)量地球重力場(chǎng)和穩(wěn)態(tài)海洋環(huán)流。大氣阻尼補(bǔ)償系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)無(wú)拖曳飛行的重要技術(shù)支撐，其核心單元是T5離子推力器?；赥5離子推力器無(wú)拖曳飛行，論述了從入軌測(cè)試到執(zhí)行任務(wù)的技術(shù)特點(diǎn)、運(yùn)行及性能。并對(duì)T5離子推力器在大氣阻尼補(bǔ)償系統(tǒng)中的應(yīng)用做了總結(jié)，提出了離子推力器發(fā)展應(yīng)用的建議。

GOCE；大氣阻尼補(bǔ)償；T5離子推力器

0 引言

航天器的無(wú)拖曳飛行需要高精度地控制推力輸出，對(duì)推力控制系統(tǒng)提出了很高的要求。航天器的阻尼補(bǔ)償是利用推力控制系統(tǒng)消除全部的非重力擾動(dòng)力，從而使衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)無(wú)拖曳飛行，即沿純粹重力軌道做自由落體運(yùn)動(dòng)[1]。一般情況下衛(wèi)星在軌運(yùn)行受到眾多擾動(dòng)因素影響，對(duì)于低軌道衛(wèi)星受到的主要擾動(dòng)為大氣阻尼，其他因素包括地球磁場(chǎng)效應(yīng)、太陽(yáng)輻照產(chǎn)生的光壓或力矩以及季節(jié)變化和晝夜交替等。

電推進(jìn)系統(tǒng)（IPA）是衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)無(wú)拖曳飛行的主要手段，為無(wú)拖曳飛行衛(wèi)星提供了低擾動(dòng)的環(huán)境。通過(guò)合理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了除重力之外，對(duì)其他作用力的高度解耦。離子推力器具有高比沖、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，并能夠節(jié)約推進(jìn)劑。離子推力器推力的精確可調(diào)節(jié)特點(diǎn)，是最適宜于在衛(wèi)星阻尼補(bǔ)償中應(yīng)用。阻尼補(bǔ)償要求IPA具有快速響應(yīng)、寬范圍高分辨率推力調(diào)節(jié)和低推力噪聲的特點(diǎn)，因此傳統(tǒng)的化學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法滿足要求。

GOCE[2-9]衛(wèi)星是歐空局（ESA）于2009年3月發(fā)射的地球重力場(chǎng)科學(xué)測(cè)量衛(wèi)星[10-12]。能夠測(cè)量地球重力場(chǎng)和穩(wěn)態(tài)海洋環(huán)流，并提供高精度和高分辨率的地球重力場(chǎng)和大地水準(zhǔn)面模型。由于GOCE衛(wèi)星的飛行軌道為近似圓形的太陽(yáng)同步軌道，高度約為250 km，這導(dǎo)致衛(wèi)星受到的大氣阻尼在一個(gè)繞軌飛行內(nèi)有很大的變化范圍。

1 T5離子電推進(jìn)無(wú)拖曳的應(yīng)用

英國(guó)的T5離子推力器應(yīng)用于GOCE衛(wèi)星的非保守力補(bǔ)償，該推力器的主要性能特征包括：（1）高比沖3 000 s；（2）推力調(diào)節(jié)范圍大0.6～20.6 mN；（3）穩(wěn)態(tài)工作條件下推力矢量穩(wěn)定度高±0.02°；（4）推力噪聲小。

GOCE衛(wèi)星總共搭載了兩套IPA作為主備份，分別為主系統(tǒng)A和備份系統(tǒng)B。在整個(gè)任務(wù)運(yùn)行過(guò)程中，除了在試車(chē)階段啟動(dòng)B系統(tǒng)，其余工作時(shí)間只啟動(dòng)A系統(tǒng)?？傁到y(tǒng)包括2臺(tái)T5離子推力器（ITA）、2套控制系統(tǒng)（IPCU）、2套氙氣比例供給系統(tǒng)（PXFA）和1個(gè)氙氣罐（XST）。以下分別從系統(tǒng)組成、入軌測(cè)試以及工作運(yùn)行等方面對(duì)該推力器進(jìn)行總結(jié)。

1.1 系統(tǒng)組成

英國(guó)對(duì)離子電推進(jìn)的研究開(kāi)始于1967年，主要是Kaufman型離子推力器，研發(fā)離子推力器主要以通信衛(wèi)星的南北位保和飛行IPA為應(yīng)用目標(biāo)[13-14]。英國(guó)QinetiQ公司針對(duì)重力測(cè)量衛(wèi)星大氣阻尼補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用需求，從上世紀(jì)90年代末開(kāi)始，在QinetiQ T5mkV推力器基礎(chǔ)上發(fā)展了推力可連續(xù)精細(xì)調(diào)節(jié)的離子推力器。其推力調(diào)節(jié)范圍可以穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)0.6～20.6 mN之間，最佳工作點(diǎn)處的比沖3 500 s。研制初期，推力器的柵極系統(tǒng)為鉬材質(zhì)的三柵極結(jié)構(gòu)，后來(lái)針對(duì)GOCE衛(wèi)星應(yīng)用，研制了C/C材料加速柵的雙柵結(jié)構(gòu)，如圖1所示。T5離子推力器設(shè)計(jì)為發(fā)散場(chǎng)，磁場(chǎng)源為6個(gè)螺線管電磁鐵。柵極口徑為10 cm，離子光學(xué)系統(tǒng)由屏柵和加速柵組成?？紤]到任務(wù)對(duì)推力器性能和壽命的要求，對(duì)柵極進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)：加速柵采用抗濺射的石墨材料；屏柵為沖壓和熱處理的鉬材料；空心陰極為3 mm鋇鎢陰極，推力器性能參數(shù)如表1所列。

圖1 T5離子推力器三柵和雙柵設(shè)計(jì)

IPCU模塊集成了電源處理單元和控制單元，主要功能是向ITA和PXFA提供各種要求的電源、實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星通訊和數(shù)據(jù)接口、執(zhí)行推力調(diào)節(jié)控制等。為了保證實(shí)現(xiàn)推力的快速調(diào)節(jié)IPA設(shè)計(jì)的工作頻率為100 Hz，主要技術(shù)指標(biāo)如表2所列。

PXFA模塊[15-16]由荷蘭的Bradford研制。在此模塊中同樣采用主備份設(shè)計(jì)，兩單元?dú)饴分g的切換由電磁閥完成。兩單元都采用比例流率控制方式為ITA準(zhǔn)確地提供三路推進(jìn)劑流率。推進(jìn)劑比例流率調(diào)節(jié)組件由壓力控制和流率控制兩部分組成。主流率的調(diào)節(jié)是由一個(gè)流量調(diào)節(jié)閥和熱測(cè)量原理的流量傳感器組合的子系統(tǒng)來(lái)完成的，并且采用了閉環(huán)控制調(diào)節(jié)。實(shí)現(xiàn)了在0.01～0.63 mg/s范圍內(nèi)的流率調(diào)節(jié)。流率需求指令采集頻率為10 Hz，執(zhí)行器的控制指令為100 Hz。PXFA主要技術(shù)參數(shù)如表3所列。

1.2 在軌飛行

GCOE衛(wèi)星的首次入軌高度為283 km，在大氣阻尼的作用下，降到273 km。入軌后進(jìn)行了ITA點(diǎn)火測(cè)試和重力梯度儀校準(zhǔn)，然后進(jìn)行了無(wú)拖曳飛行[17]。通過(guò)首次無(wú)拖曳飛行測(cè)試數(shù)據(jù)描述了IPA入軌測(cè)試和在軌運(yùn)行。

表1 T5離子推力器性能參數(shù)[14]

表2 IPCU主要技術(shù)指標(biāo)[14]

表3 PXFA主要技術(shù)參數(shù)[14]

1.2 .1 入軌測(cè)試

推力器點(diǎn)火測(cè)試開(kāi)始于2009年4月，首先對(duì)主推力器A的推力進(jìn)行了調(diào)節(jié)，分別為1 mN、3 mN和8.3 mN三個(gè)典型推力。備份推力器B輸出推力為20 mN。測(cè)試過(guò)程中采用開(kāi)環(huán)控制。測(cè)試表明主備份推力器均工作正常，工作參數(shù)的遙測(cè)數(shù)據(jù)與地面測(cè)試一致。

GOCE衛(wèi)星的首次無(wú)拖曳飛行在2009年5月5日啟動(dòng)，并在隨后的5月～6月間在無(wú)拖曳狀態(tài)下進(jìn)行了重力梯度儀校準(zhǔn)。IPA工作狀況如圖2所示，從圖中較平直線段可以看出，由于IPA系統(tǒng)工作把軌道維持在恒定高度。無(wú)拖曳飛行過(guò)程中的推力輸出最小為0.6 mN，最大為2.5 mN。由于太陽(yáng)活動(dòng)低于預(yù)計(jì)水平，因此衛(wèi)星受到較小阻尼。

在無(wú)拖曳飛行測(cè)試過(guò)程中，主要分析了IPA工作參數(shù)的遙感數(shù)據(jù)，包括勵(lì)磁電流、陽(yáng)極、主陰極、中和器、柵極和推力器的性能參數(shù)，并與ITA和IPA在地面上的測(cè)試數(shù)據(jù)做了對(duì)較[19]。ITA地面測(cè)試電源由地面支持設(shè)備（GSE）提供而不是IPCU模塊。

圖2 GOCE衛(wèi)星前期軌道高度[18]

經(jīng)過(guò)測(cè)試，勵(lì)磁電流數(shù)據(jù)與地面測(cè)試數(shù)據(jù)基本吻合，尤其是在1 mN附近散布了很多數(shù)據(jù)點(diǎn)，顯示出系統(tǒng)噪聲的影響。由于IPA在地面測(cè)試了3個(gè)推力點(diǎn)，因此繪制的勵(lì)磁電流為直線。另外在軌測(cè)試各推力點(diǎn)上保持時(shí)間較短，系統(tǒng)未達(dá)到熱平衡，而1 mN和8 mN推力點(diǎn)保持時(shí)間稍長(zhǎng)，更比較接近地面測(cè)試數(shù)據(jù)。1～2 mN之間的高電流是因?yàn)轭A(yù)設(shè)在控制系統(tǒng)里的增益，但未設(shè)置在地面測(cè)試系統(tǒng)里。主陰極的觸持極和中和器的觸持極電壓遙測(cè)數(shù)據(jù)與地面測(cè)試基本一致，也顯示出低推力段的噪聲以及各推力測(cè)試點(diǎn)保持時(shí)間較短的特點(diǎn)。需要指出的是中和器的觸持電壓的遙測(cè)數(shù)據(jù)低于地面測(cè)試，這可解釋為在空間環(huán)境下中和器產(chǎn)生的電子與羽流耦合而引起等離子體阻抗降低。這種效應(yīng)有增加趨勢(shì)并與推力成函數(shù)關(guān)系。陽(yáng)極電壓在軌數(shù)據(jù)顯示與地面測(cè)試基本一致，但總體看來(lái)低于地面測(cè)試數(shù)據(jù)。加速柵電流遙測(cè)數(shù)據(jù)也與地面測(cè)試數(shù)據(jù)一致，其中在4.8 mN與8.3 mN推力上停留了較長(zhǎng)時(shí)間。柵間距因溫度上升而變化，進(jìn)而引起柵電流變化。而在地面測(cè)試中，數(shù)據(jù)測(cè)量是在熱平衡之后，因此曲線比較平滑。推力與加速柵電流近似為線性關(guān)系。主推力器A的功耗與地面測(cè)試非常吻合。但是兩臺(tái)推力器的在軌功耗都小于設(shè)計(jì)指標(biāo)。

從以上的在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)看（勵(lì)磁電流、觸持極電壓、陽(yáng)極電壓、加速柵電流以及功耗）都比較接近地面測(cè)試結(jié)果，系統(tǒng)一致性較好。由于在推力測(cè)試點(diǎn)上保持時(shí)間較短，系統(tǒng)未達(dá)到熱平衡，實(shí)際工作性能更好。

1.2 .2 正式運(yùn)行

重力場(chǎng)測(cè)量高度為254.9 km，同時(shí)IPA系統(tǒng)啟動(dòng)用于維持此測(cè)量高度。分別從放電參數(shù)、柵極參數(shù)、束流故障以及ITA性能等方面進(jìn)行分析。

放電參數(shù)：隨著系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行，推力器性能會(huì)下降（下降的因素包括柵極腐蝕和溫度變化），而閉環(huán)控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)地增加勵(lì)磁電流以保持性能穩(wěn)定。柵極腐蝕會(huì)降低放電室中性體密度進(jìn)而降低電離效率。而溫度變化主要是濺射堆積引起的，在地面測(cè)試時(shí)尤為明顯，但在軌道環(huán)境下此效應(yīng)較小。

如圖3所示，給出2 mN推力與勵(lì)磁電流關(guān)系。從圖中可以看出此階段勵(lì)磁電流變化不大，說(shuō)明引起推力器性能下降的因素比較微小。

通過(guò)分析5個(gè)時(shí)間段上選取的2次繞軌記錄的勵(lì)磁電流數(shù)據(jù)與推力關(guān)系，發(fā)現(xiàn)除了在1.5 mN推力上電流較大外，在軌數(shù)據(jù)與地面測(cè)試吻合。這個(gè)較大的電流是由于在IPCU里設(shè)置的增益f2，不同推力增益也不同。需要指出的是在2 mN推力散布眾多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，是推力器在低推力時(shí)噪聲和快速勵(lì)磁電流調(diào)制引起（100 Hz）。

圖3 2 m N推力與勵(lì)磁電流關(guān)系

觸持極電壓預(yù)計(jì)在最初工作時(shí)應(yīng)該逐漸下降。從總體表現(xiàn)看，中和器的觸持電壓要優(yōu)于地面測(cè)試。通過(guò)分析五個(gè)時(shí)間段上選取的2次繞軌記錄的中和器的觸持電壓數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)中和器的觸持電壓隨推力增大而明顯下降，這點(diǎn)與在軌測(cè)試的結(jié)果一致。相比于勵(lì)磁電流，陽(yáng)極電壓在1.5～2.5 mN段沒(méi)有突出變化。從長(zhǎng)期看陽(yáng)極性能沒(méi)有衰退的跡象。

柵極參數(shù)：2 mN推力所對(duì)應(yīng)的加速柵電流比較恒定，但其變化范圍有擴(kuò)大的趨勢(shì)，而且發(fā)現(xiàn)其在關(guān)機(jī)重啟后有微小變化，這個(gè)現(xiàn)象也與地面測(cè)試一致。由于高真空環(huán)境，遙測(cè)數(shù)據(jù)低于地面測(cè)試值。也沒(méi)有跡象表明系統(tǒng)性能在退化或者由柵極腐蝕引起的柵極高電流。由于系統(tǒng)一直在小推力范圍工作（2～3 mN），累積沖量?jī)H為1.1×105Ns，占設(shè)計(jì)值的很少一部分，所以GOCE任務(wù)得以延長(zhǎng)。

束流引出故障：一般由多方面因素引起，系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一旦探測(cè)到束流引出故障，控制系統(tǒng)能立即重新啟動(dòng)。而且從遙感信號(hào)里能夠區(qū)分放電室等離子體消失和柵極上多余物引起的故障類型。設(shè)計(jì)要求是系統(tǒng)能在2 s之內(nèi)恢復(fù)推力輸出。如果未恢復(fù)，系統(tǒng)自動(dòng)記錄并標(biāo)記在IPCU遙感信號(hào)里，并把所有參數(shù)都記錄在數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)里。

1.3 IPA總體性能

通過(guò)分析可知功耗需求與推力輸出成線性關(guān)系，遙測(cè)數(shù)據(jù)顯示實(shí)際功耗比地面測(cè)試稍低（最多100 W）。通常在一定推力下，由于柵極腐蝕，比沖應(yīng)該隨運(yùn)行時(shí)間增加而逐漸下降。但對(duì)于GOCE需求，其比沖盡可能保持恒定，推力器性能的衰退是通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來(lái)補(bǔ)償。

在初始階段推力輸出大都在2 mN，在這一低推力上受到大量噪聲影響，因此需求的推力與實(shí)際輸出的誤差比較大，偏差主要集中在±5%。對(duì)于高于3 mN的推力，誤差在±1%以內(nèi)。推力輸出明顯增加，達(dá)到20.6 mN的系統(tǒng)極限值，如圖4所示。

圖5 大氣阻尼與F10.7和AP指數(shù)關(guān)系

1.4 T5離子推力器經(jīng)驗(yàn)總結(jié)與啟示

從T5推力器在GOCE的運(yùn)行情況看，在軌性能非常穩(wěn)定。主要系統(tǒng)參數(shù)都在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，并且與地面測(cè)試一致，其中一些參數(shù)甚至優(yōu)于地面測(cè)試。在無(wú)拖曳飛行過(guò)程中，推力器工作可靠，具體工作情況：

（1）對(duì)于推力輸出，在主要科學(xué)測(cè)量階段，推力值變化在1～7 mN之間，主要集中在2～3 mN推力上。需求推力跟實(shí)際輸出誤差＜0.1 mN；

（2）從遙測(cè)的工作電參數(shù)分析，推力器工作穩(wěn)定，性能要優(yōu)于地面測(cè)試，與初始設(shè)計(jì)一致；

（3）對(duì)于束流引出故障分析，主要是由于放電室內(nèi)等離子體消失或柵極污染物的原因?？偟膩?lái)看，故障發(fā)生率較低，而且束流在8 s內(nèi)自動(dòng)恢復(fù)故障前推力輸出水平。

總之，Kaufman型離子推力器在低軌大氣IPA系統(tǒng)上的長(zhǎng)期應(yīng)用，運(yùn)行穩(wěn)定。加之低事故發(fā)生率、優(yōu)良的性能說(shuō)明該系統(tǒng)適用于未來(lái)同類型任務(wù)。T5離子推力器的成功應(yīng)用得到的啟示是：對(duì)于高精度推力連續(xù)可調(diào)節(jié)，離子電推進(jìn)有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)；維持衛(wèi)星無(wú)阻尼飛行的離子電推進(jìn)系統(tǒng)的推力連續(xù)可調(diào)節(jié)技術(shù)，需要聯(lián)合技術(shù)能力較強(qiáng)的專業(yè)單位對(duì)各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行前期攻關(guān)研究，尤其對(duì)于控制算法要進(jìn)行多輪迭代優(yōu)化；推力連續(xù)可調(diào)節(jié)離子電推進(jìn)的控制過(guò)程復(fù)雜，需要進(jìn)行大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)建立控制方程，因此前期的試驗(yàn)要充分有效，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)要根據(jù)空間應(yīng)用條件進(jìn)行充分全面的驗(yàn)證。

2 無(wú)拖曳控制離子電推進(jìn)的發(fā)展

重力梯度測(cè)量衛(wèi)星等無(wú)拖曳飛行航天器已經(jīng)列入發(fā)展計(jì)劃，針對(duì)應(yīng)用需求的大氣阻尼補(bǔ)償系統(tǒng)、離子電推進(jìn)系統(tǒng)的研究正處于需求論證。針對(duì)無(wú)拖曳控制需求，提出幾點(diǎn)建議想法：

（1）離子電推進(jìn)已經(jīng)有良好的技術(shù)基礎(chǔ)，在成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合前期研制的10 cm離子推力器原理樣機(jī)性能試驗(yàn)，進(jìn)行推力控制算法的試驗(yàn)和理論研究，制定推力控制方案，結(jié)合推力器性能試驗(yàn)進(jìn)行比例推進(jìn)劑流量技術(shù)和高精度高穩(wěn)定性電源技術(shù)研究。推力調(diào)節(jié)方案采用電參數(shù)快速調(diào)節(jié)機(jī)制和流率慢速調(diào)節(jié)機(jī)制實(shí)現(xiàn)，推力連續(xù)可調(diào)并保持電推進(jìn)的高性能優(yōu)勢(shì)；

（2）無(wú)拖曳離子電推進(jìn)的研制，應(yīng)緊密結(jié)合地球重力場(chǎng)測(cè)量衛(wèi)星需求和中低軌道航天器阻尼補(bǔ)償應(yīng)用需求，在型號(hào)應(yīng)用牽引下發(fā)展技術(shù)、研制產(chǎn)品，并通過(guò)航天器應(yīng)用產(chǎn)生效益；

（3）鑒于國(guó)外在無(wú)拖曳控制離子電推進(jìn)技術(shù)方面的先進(jìn)水平和成功經(jīng)驗(yàn)，有許多成果和經(jīng)驗(yàn)可以借鑒和繼承，必要時(shí)對(duì)國(guó)內(nèi)很難突破的瓶頸技術(shù)可以開(kāi)展對(duì)外合作和技術(shù)引進(jìn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

大氣阻尼補(bǔ)償系統(tǒng)在GOCE衛(wèi)星上的成功應(yīng)用，使離子電推進(jìn)作為航天器無(wú)拖曳控制推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)得到充分體現(xiàn)。以重力梯度測(cè)量衛(wèi)星為代表的無(wú)拖曳控制航天器的發(fā)展和應(yīng)用將成為新的空間技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之一。在借鑒國(guó)外成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合科學(xué)探測(cè)規(guī)劃目標(biāo)，及早開(kāi)展無(wú)拖曳控制離子電推進(jìn)的研制。

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SPACECRAFT DRAG-FREE FLIGHT BASEDON T5 ION THRUSTER

HUANG Yong-Jie，YANG Fu-Quan，JIAYan-Hui
（Scienceand Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institu te of Space Technology Physics，Lanzhou Gansu 730000，China）

GOCE is the first satellite in theworld using air drag compensation technology for scientificmeasurement mission，to bemore specific is for Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorerm ission.The British T5 ion thruster is the key unit in air drag com pensation system.Thanks to its excellent performance，it flaw lessly carried out the mission.It depicts the technical characteristics，working conditions and performance of T5 ion thruster from very beginning of orbit insertation until the end of themission，and summarizes theapplication of T5 ion thruster in air darg compensation system，eventually proposing suggestions for the developementand applicationsof air drag compensation system.

GOCE；air drag compensation；T5 ion thruster

V439+.4

A

1006-7086（2014）05-0272-06

10.3969/j.issn.1006-7086.2014.05.006

2014-05-10

黃永杰（1981-），男，山東萊州人，MSc.碩士，從事離子推力器推力控制及其關(guān)鍵組件研究。

E-mail：bazooka270@gmail.com