楊　軍，仲小清，裴勝偉，李　峰

（中國空間技術研究院 通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京　100094）

電推進軌道轉移效益與風險

楊軍，仲小清，裴勝偉，李峰

（中國空間技術研究院 通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京100094）

電推進作為一種先進的推進技術，具有比沖高的突出優(yōu)勢，是提升衛(wèi)星性能的重要技術，在國外高軌軍事衛(wèi)星平臺和商業(yè)衛(wèi)星平臺上均得到了廣泛應用。當前我國已突破電推進單機技術，并得到在軌飛行驗證。隨著電推進單機技術和應用技術成熟，電推進任務正逐步深化。國外在使用電推進完成靜止軌道南北位保的基礎上，已逐步深化至使用電推進實施軌道轉移。但是電推進實施軌道轉移效益與風險并存。首先定量分析電推進實施軌道轉移的效益，然后給出電推進軌道轉移的風險，最后給出電推進軌道轉移在我國航天應用的建議。

電推進；軌道轉移；效益；風險；靜止軌道衛(wèi)星

0　引言

電推進作為一種先進的推進技術，具有比沖高的突出優(yōu)勢［1-8］。例如離子型電推進系統比沖可達3 000 s，霍爾型電推進系統可達1 600 s；而化學推進的比沖一般為3 00 s左右。高比沖可以帶來三個相互聯系的效益：（1）延長工作壽命，在運載和填裝推進劑量不變的情況下，應用高比沖電推進節(jié)省的推進劑消耗量可以延長衛(wèi)星服役壽命；（2）增加有效載荷，在運載條件和使命需要的速度增量不變的情況下，應用高比沖電推進可以減少推進劑需求量，這些節(jié)省的推進劑質量可以用于增加航天器的有效載荷；（3）減輕發(fā)射重量，在最終送入工作軌道航天器質量和使命需要的速度增量不變的情況下，應用高比沖電推進節(jié)省的推進劑消耗量使得航天器發(fā)射重量能夠減輕，從而降低發(fā)射成本。

鑒于上述優(yōu)點，電推進在國際先進衛(wèi)星上得到廣泛的應用，BSS-702、LS-1300、A2100、E3000、SB4000和AlphaBus等國際主流高軌衛(wèi)星平臺均配置電推進系統，其中美國BSS-702HP平臺已實現了100%使用電推進。在美國“寬帶、窄帶、抗干擾和中繼”四大軍事衛(wèi)星通信體系中，最新部署的“寬帶”和“抗干擾”衛(wèi)星均使用電推進。國內在2008年中國空間技術研究院通信衛(wèi)星平臺發(fā)展途徑規(guī)劃中，明確提出了下一代通信衛(wèi)星平臺必須使用電推進技術［1］。

電推進系統技術復雜，并且又承擔至關重要的推進任務。國外在電推進應用方面均采取了較為謹慎的路線?？傮w而言，在承擔的任務方面由單一到多樣，在應用的復雜性方面由簡單到復雜。無論是任務還是應用，升級換代的核心是確保應用可靠。針對上述問題，從效益和風險分析的角度對電推進軌道轉移這一深化應用進行分析，進而給出電推進軌道轉移在我國航天器應用上的建議。

1　國內外研究與應用現狀

1.1電推進發(fā)展歷程

分析國外高軌衛(wèi)星平臺電推進應用歷程可以看出，電推進的應用可分為在軌試驗、南北位保、位保+部分軌道轉移、位保+全部軌道轉移等四個階段［2-10］。這四個階段電推進在軌任務逐漸增強，應用逐漸復雜。電推進在軌任務的增強也是伴隨著電推力器產品性能的提升。

第一階段：在軌試驗階段。驗證電推進的在軌性能、在軌任務等仍全部或部分由化學推進完成。早在20世紀60年代，美國和俄羅斯就開展了電推進在軌試驗。比如美國波音公司（時為休斯公司）在1968年就開始在HS-306平臺的ATS-4和ATS-5衛(wèi)星上進行電推進應用試驗，取得了成功；

第二階段：完成衛(wèi)星平臺的南北位保任務。從90年代末開始，電推進逐漸被商業(yè)衛(wèi)星用于南北位保。南北位保任務單一、應用較為簡單，而應用效益相對可觀，推進劑（含化學推進系統和電推進系統）所占比例可以降低約10%。國外的BSS-601、E3000、LS1300、SB4000、Alphabus等現役衛(wèi)星平臺均使用電推進完成南北位保任務。當前，南北位保仍然是高軌商業(yè)衛(wèi)星使用最多的方式。對于南北位保任務，典型的電推力器包括XIPS-13離子推力器和SPT-100霍爾推力器，電推進工作功率為1 000 W量級；

第三階段：在軌位保+部分軌道轉移任務。在南北位保任務的基礎上，電推進還完成部分軌道轉移的任務，軌道轉移主要為軌道轉移最后階段的軌道提升。利用電推進完成軌道轉移，進一步增加了電推進的任務量，從而也進一步節(jié)省推進劑，提高衛(wèi)星性能。與此對應的設計和應用復雜程度也相應提高。BSS-702HP平臺、A2100M平臺（AEHF衛(wèi)星基于該平臺）均已使用電推進進行軌道轉移。此階段電推進工作達到或接近10 000 W量級，一般使用2臺5 000 W量級的推力器同時工作實現；

第四階段：位保+全部軌道轉移，即全電推進衛(wèi)星。衛(wèi)星取消了復雜的雙組元化學推進系統，采用高比沖的電推進系統完成衛(wèi)星的全部軌道轉移、在軌位置保持、姿態(tài)控制及離軌等任務［11］。美國波音公司2013年3月推出的BSS-702SP平臺就是此類用法。德國OHB公司、美國軌道科學公司、歐洲泰雷茲·阿萊尼亞航天公司近期也相繼推出各自的全電推衛(wèi)星平臺。

1.2電推進軌道轉移應用現狀

從電推進發(fā)展歷程可以看出，在以南北位保為代表的電推進初期在軌應用技術穩(wěn)定后，電推進實施軌道轉移是其深化應用的主要途徑。然而正如后續(xù)分析，電推進軌道轉移對大系統、整星、分系統等各個層面均提出使用需求，這使得設計和應用風險較高。為此，各衛(wèi)星研制商在電推進軌道轉移應用的步調并不一致。當前國際上地球同步軌道衛(wèi)星電推進實施軌道轉移情況統計如下表1所列。

表1　地球同步軌道衛(wèi)星電推進實施軌道轉移情況統計

美國波音公司和洛克西德馬丁在電推進軌道轉移應用方面較為迅速。美國波音公司在其BSS-601平臺使用電推進南北位保的基礎上，在緊隨其后的BSS-702HP平臺上就把電推進任務擴展到完成部分軌道轉移任務（變軌最后階段的軌道圓化）。應用近15年后，又推出了全電推平臺BSS-702SP。洛克西德馬丁公司在使用電弧型電推進獲得成功后，在其基于A2100M平臺的AEHF衛(wèi)星（先機極高頻衛(wèi)星）上使用4臺霍爾型電推力器完成軌道轉移和在軌位保。2010年8月，第一顆先機極高頻衛(wèi)星AEHF-1在衛(wèi)星遠地點發(fā)動機失效的情況下，使用電推進成功實現衛(wèi)星救援，并獲得成功，成為當年航天領域的大事之一。隨后的AEHF-2、AEHF-3等均把電推進軌道轉移作為標準應用。

然而，歐洲在電推進軌道轉移應用方面采取了相對較為保守的路線。歐洲空中客車集團（原阿斯特留姆公司母公司）和法國泰雷茲·阿萊尼亞公司在21世紀初各自成功實現了電推進南北位保后，在聯合研制的歐洲當前最先進在役靜止軌道衛(wèi)星AlphaBus平臺上，仍然采取了“低風險路線”的策略，仍使用電推進完成南北位保任務［12］。

2　電推進變軌策略分析

對于靜止軌道衛(wèi)星，綜合運載、運載上面級（運載提高近地點高度）、化學推進、電推進等方式，其入軌方式可分為三大類，如下圖1所示。

圖1　三類靜止軌道轉移方案

（1）GTO（同步轉移軌道）、Sub GTO（亞轉移軌道）或Super GTO（超同步軌道）方式；

（2）GTO+近地點高度（10 000～36 000 km）方式；

（3）MEO（軌道高度低于36 000 km的圓軌道）方式。

結合圖1軌道轉移方案，參考BSS-702平臺和A2100M平臺電推進軌道轉移策略，當使用化學推進和電推進聯合變軌時，首先利用化學推進遠地點變軌發(fā)動機使衛(wèi)星進入GTO+軌道，且衛(wèi)星傾角近似為0，然后從GTO+軌道利用電推進使衛(wèi)星進入GEO軌道，該階段電推進工作又可以分為兩個主要階段：第一階段：電推進每圈點火幾十分鐘至幾小時，使衛(wèi)星傾角為0并抬升近地點使得軌道周期為24 h；第二階段：電推進連續(xù)點火，抬升近地點、降低遠地點，實現衛(wèi)星GEO軌道注入。設置GTO+軌道參數，可以調整化學推進和電推進的任務分配比例。當GTO+軌道與GEO軌道重合時，軌道轉移任務將全部由電推進完成。

上述方案的主要特點：（1）提高效率，電推進壓傾角效率較低，盡可能使用化學推進完成此任務，降低地面支撐；（2）電推進軌道轉移時，軌道周期為24 h，理論上一個地面站就可以支持測控任務。

3　電推進軌道轉移效益分析

3.1電推進軌道轉移優(yōu)勢分析

電推進實施軌道轉移的特點和優(yōu)勢：

（1）整星干重不增加或增加較少。對于電推進軌道轉移，一般設計是和位保電推進使用同一套系統；一套電推進系統適應兩種用法。相對于僅完成位保任務的電推進系統，系統增量增加較少；

（2）不占用整星功率預算。因為軌道轉移階段衛(wèi)星載荷尚未工作，電推進工作可以使用整星預算中載荷工作的功率，無需額外增加；

（3）進一步提高有效載荷重量或降低衛(wèi)星發(fā)射重量。在發(fā)射重量不變的條件下，使用電推進可以增加衛(wèi)星入軌質量（可等價為有效載荷質量的提升）；

（4）降低對遠地點發(fā)動機的需求。在發(fā)射重量不變的條件下，完成了部分軌道轉移任務，降低對遠地點發(fā)動機總沖的需求。

3.2電推進變軌承載能力提升分析

質量提升與電推進變軌時間、電推進比沖、電推進推力等相關，計算如式（1）：

式中：dm/dt為入軌重量增加隨變軌時間的變化率；η為電推進變軌△V效率（一般取為0.5）；T為電推力器推力；Isp-c為化學推進比沖；Isp-e為電推進比沖。

分析離子、霍爾和電弧三類電推力器，設定離子總推力360 mN、比沖3 200 s，霍爾總推力580 mN、比沖1 800 s，電弧總推力1 385 mN、比沖585 s。對于離子推力器，每天變軌可以提升約4.05 kg入軌重量；對于霍爾推力器，每天變軌可以提升約5.28 kg入軌重量；由于電弧比沖較低，電弧變軌不會增加入軌重量，反而降低1.43 kg/天。如圖2所示為三種電推力器變軌時間與入軌重量提升（有效載荷重量提升）關系。

3.3為化學系統提供備份和整星可靠性

圖2　電推進變軌時間與入軌重量提升關系圖

對于同時配置化學推進和電推進的衛(wèi)星，當電推進具備變軌能力時，將與衛(wèi)星的遠地點發(fā)動機形成功能備份，這將極大提高衛(wèi)星的可靠性。在變軌發(fā)動機失效情況下，使用姿控推力器和電推進實施軌道救援是電推進應用的一個重要方向。軌道救援方案如表2所列。

表2　電推進軌道救援方案

通過合理的推進劑裝填方案，利用表2所示軌道救援方案可以保證在化學推進劑發(fā)動機失效情況下，不影響衛(wèi)星壽命。

4　電推進軌道轉移風險分析

從大系統、整星和分系統三個層面分析電推進軌道轉移的風險，在設計中該風險可轉化為電推進軌道轉移設計約束。

4.1大系統風險

由于電推進推力較小，使用電推進變軌時的一個特點是變軌時間長。由此帶來三個方面的約束：

（1）空間輻射影響風險。地球輻射帶的高能粒子會影響太陽電池陣使得衛(wèi)星能源供給能力降低。地球輻射帶分為內輻射帶和外輻射帶。地球內輻射帶高度為600～10 000 km，中心位置高度為3 000～5 000 km，在南北緯40°以內。內輻射帶主要由質子和電子組成，另有少量的重離子。地球外輻射帶高度為10 000～60 000 km，中心位置高度為20 000～25 000 km，在南北緯70°以內。外輻射帶主要由電子組成，另有一些能量較低的質子。內輻射帶能量更高，質子的能量從幾十千電子伏到幾百兆電子伏，相應的影響更大。內輻射帶是GTO至GEO經歷的區(qū)域，也是設計重要分析的方面。使用遠地點發(fā)動機變軌時，衛(wèi)星由GTO至GEO的變軌時間一般小于一周；而對于電推進變軌，變軌時間長達幾個月，甚至半年，由此帶來空間輻照的影響是系統設計中必須解決的一個問題。根據電推變軌過程進行仿真分析，結果表明在GTO至GEO轉移軌道運行半年的總輻射劑量最高達到相當于GEO軌道運行半年總輻射劑量的約5倍；

（2）安全性降低風險。電推進變軌一般采用超同步軌道，此時衛(wèi)星軌道演變過程為遠地點高度逐漸降低，近地點高度逐漸抬高。這導致衛(wèi)星將頻繁穿越靜止軌道。此時，衛(wèi)星與軌道上已有的衛(wèi)星，尤其是未知的衛(wèi)星、碎片等碰撞的幾率增加。由此增加了衛(wèi)星變軌過程中的風險；

（3）軌道轉移成本增大風險。長時間變軌產生的成本代價，包括地面測控站費用、晚入軌而產生的利息、保險費用增加等。

4.2整星風險

電推進發(fā)動機雖具有高比沖的優(yōu)點，但其推力很小，單臺發(fā)動機推力在百毫牛量級，GTO向GEO的變軌飛行時間長達半年甚至更多（根據實際推力加速度不同而不同），使得常規(guī)的基于遠地點發(fā)動機的變軌策略不再適用。小推力變軌當前還是航天動力學領域的一個研究熱點，其目前研究狀態(tài)可簡單概括為“理論完整，求解不易，工程實施難”。體現在衛(wèi)星設計和研制方面，主要體現在三個方面：第一方面，星上控制系統需要具備同時保證太陽翼對日指向（保證星上能源）、點火姿態(tài)（保證軌道控制效果）等的能力；第二方面，變軌過程必須自主，電推進需要長期（幾十天至上百天）點火，如此長的飛行期間內若仍采取常規(guī)地面控制為主的飛行控制手段，需要耗費大量的人力物力資源；第三方面，星上設備適應超同步軌道要求，比如地敏視場必須適應超同步軌道要求。

衛(wèi)星熱控風險。電推進長時間點火，以電推進10 000 W功率點火計算，電推進工作時星內供電設備散熱超過500 W，整星需要具備相應的熱控能力。此外，衛(wèi)星長期處于GTO+軌道，整星需要具備相應的熱控手段保證星上載荷等設備的安全。

在整星設計方面，還涉及大功率電推進應用產生的高電壓、大電流等帶來的元器件和原材料方面的難題。

4.3電推進系統風險

電推進實施軌道轉移后，電推進系統研制將存在兩方面的風險。

第一方面：電推進系統需要具備多模式工作的能力。電推進應同時適應軌道轉移和在軌位保的能力。兩種任務對電推進需求不同，軌道轉移對推力要求相對較高，而在軌位保對比沖要求相對較高。一般任務，對于軌道轉移任務，電推進工作功率一般應達到萬瓦級。

第二方面：電推進系統壽命驗證要求。國外電推進在軌故障表明，電推進系統在軌故障主要體現在系統壽命能力方面。電推進實施在軌位保和軌道轉移后，系統工作時間大幅延長，達到上萬小時的量級，相應地壽命驗證難度較大。需要綜合降低技術風險、優(yōu)化試驗成本和周期、降低試驗條件保障等多方面因素設計出壽命驗證方案。

5　小結

電推進軌道轉移，可以較大幅度的增加載荷承載能力或者降低發(fā)射重量，但是電推進軌道對大系統、衛(wèi)星設計、單機設計方面均提出了新的需求。針對電推進實施軌道轉移效益和風險并存的實際狀況，建議我國首先在高軌衛(wèi)星上實現南北位置保持，積累電推進工程應用基礎；在此基礎上，深化電推進設計和應用研究，擴展至電推進和化學推進聯合變軌，并逐步實現包括在軌位置保持、GTO至 GEO軌道全部軌道轉移等在內的全電推型應用。

［1］周志成，王敏，李烽，等.我國通信衛(wèi)星電推進技術的工程應用［C］//2011年航天器延壽技術及可靠性研究討論會論文集，寧波：中國航天科技集團公司科技委，2011：1-9.

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ANALYSIS OF BENEFITS AND RISKS OF ORBIT RAISING USING ELECTRIC PROPULSION

YANG Jun，ZHONG Xiao-qing，PEI Sheng-wei，LI Feng
（Institute of Telecommunication Satellite，ChinaAcademy of Space Technology，Beijing100094，China）

As an advanced propulsion technology，electric propulsion is widely used in GEO satellite.The primary reason for electric propulsion application was the high specific impulse that can reduce propellant mass.In China，key technologies of electric propulsion have been broken through and been tested in orbit.Recently，the application of electric propulsion has expanded in station orbit keeping.However，both benefits and risks exist in orbit raising by using electric propulsion.An analysis has been performed to determine the benefits and risks of orbit raising by using electric propulsion in this paper.

electric propulsion；orbit raising；benefits；risks；GEO satellite

V43

A

1006-70862015）01-0001-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.01.001

2014-10-22

楊軍（1979-），男，安徽毫州人，高級工程師，碩士，主要從事通信、導航等高軌衛(wèi)星總體設計工作。E-mail：hitzxq@ 126.com。