滿梓峰，吳延龍，范 丹，張永安，仲小清

（1.中國(guó)空間技術(shù)研究院 a.通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094）

0 引言

隨著航天活動(dòng)的日益頻繁，空間安全環(huán)境日趨復(fù)雜，空間航天器數(shù)量不斷增加、空間碎片快速產(chǎn)生、電磁頻譜糾紛越發(fā)頻繁，網(wǎng)絡(luò)攻擊、動(dòng)能攻擊、定向能攻擊等概念頻繁出現(xiàn)。彈性空間系統(tǒng)是美國(guó)等國(guó)家從提升空間資產(chǎn)安全性角度提出的系統(tǒng)理念[1]。相對(duì)于一味的提高空間系統(tǒng)能力維護(hù)空間安全，彈性空間系統(tǒng)采用的是一種截然不同的邏輯，其通過(guò)把空間能力的分解和分散，實(shí)現(xiàn)局部節(jié)點(diǎn)的損害不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)能力喪失。這一思路是基于一定的論斷：無(wú)論空間能力多么強(qiáng)大，只要存在空間依賴性的短板，對(duì)方必然會(huì)發(fā)展非對(duì)稱的空間攻擊能力，并能造成致命一擊。

電推進(jìn)作為一種先進(jìn)的推進(jìn)技術(shù)，具有比沖高的突出優(yōu)勢(shì)[2]，是提升航天器性能的重要途徑。如離子型電推進(jìn)系統(tǒng)比沖可達(dá)3 000 s以上，霍爾型電推進(jìn)系統(tǒng)可達(dá)1 600 s以上；而化學(xué)推進(jìn)的比沖一般為300 s左右。高比沖可以帶來(lái)三個(gè)相互聯(lián)系的效益：（1）延長(zhǎng)工作壽命，在運(yùn)載和填裝推進(jìn)劑量不變的情況下，應(yīng)用高比沖電推進(jìn)節(jié)省的推進(jìn)劑消耗量可以延長(zhǎng)衛(wèi)星服役壽命；（2）增加有效載荷，在運(yùn)載條件和使命需要的速度增量不變的情況下，應(yīng)用高比沖電推進(jìn)可以減少推進(jìn)劑需求量，這些節(jié)省的推進(jìn)劑質(zhì)量可以用于增加航天器的有效載荷；（3）減輕發(fā)射質(zhì)量，在最終送入工作軌道航天器質(zhì)量和使命需要的速度增量不變的情況下，應(yīng)用高比沖電推進(jìn)節(jié)省的推進(jìn)劑消耗量使得航天器發(fā)射質(zhì)量能夠減輕，從而降低發(fā)射成本。

關(guān)于電推進(jìn)應(yīng)用的研究，前期主要集中在具體某一類型航天器，而彈性空間系統(tǒng)的發(fā)展使得這一研究范圍需要擴(kuò)展到空間航天器體系。一方面，相對(duì)于具體航天器，彈性空間系統(tǒng)對(duì)電推進(jìn)的適應(yīng)性和通用性要求更高；另一方面，相對(duì)于具體航天器，系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)研制模式等需求也將發(fā)展根本性的變化。結(jié)合彈性空間系統(tǒng)特點(diǎn)，對(duì)電推進(jìn)這一重要且復(fù)雜技術(shù)在空間系統(tǒng)中的應(yīng)用問(wèn)題進(jìn)行了研究。

1 彈性空間系統(tǒng)

1.1 彈性空間系統(tǒng)概念

按照美國(guó)國(guó)防部2012版空間政策的描述[1，3]，彈性空間是一個(gè)體系在敵對(duì)或不利條件下，支持提高任務(wù)成功概率所需功能、縮短能力恢復(fù)時(shí)間。彈性空間系統(tǒng)具有六個(gè)方面的特點(diǎn)：

（1）分散：將不同的功能分散到不同的平臺(tái)和有效載荷上，例如將戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略防護(hù)衛(wèi)星通信分離，減少危機(jī)或沖突中非受控風(fēng)險(xiǎn)的擴(kuò)大；

（2）分布：利用大量的節(jié)點(diǎn)，作為一個(gè)單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)執(zhí)行相同的任務(wù)或功能，典型的例子就是全球定位系統(tǒng)（GPS）；

（3）多樣化：以多種方式為相同的任務(wù)服務(wù)，使用不同平臺(tái)、不同的軌道，以及商業(yè)、民用或國(guó)際合作伙伴的能力；

（4）防護(hù)：包括主動(dòng)和被動(dòng)措施，干擾防護(hù)、抗核加固等傳統(tǒng)措施，還可以擴(kuò)展到機(jī)動(dòng)性、內(nèi)部搭載誘餌和其他星上對(duì)抗措施等；

（5）擴(kuò)散：部署大量相同的平臺(tái)、有效載荷或相同類型的系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行相同的任務(wù)，例如在寬帶全球衛(wèi)星通信衛(wèi)星（WGS）星座中部署大量WGS衛(wèi)星，或者增加下行和數(shù)據(jù)處理設(shè)備的數(shù)量；

（6）欺騙：在位置、功能、運(yùn)行狀態(tài)、任務(wù)類型等方面，混淆或誘導(dǎo)敵人所采取的措施。

1.2 彈性空間的主要途徑

彈性空間實(shí)現(xiàn)的主要途徑包括五種：

（1）結(jié)構(gòu)分解：是由多個(gè)相互作用的模塊提供單一系統(tǒng)的功能。具體說(shuō)，分解是將一個(gè)系統(tǒng)分化成多個(gè)相互作用的模塊，提供原有單一型系統(tǒng)的能力，分解通過(guò)多個(gè)子部分在軌道上相互作用，整體實(shí)現(xiàn)單一型衛(wèi)星的能力；

（2）功能分散：是將一顆衛(wèi)星上的多個(gè)載荷分散到多個(gè)衛(wèi)星上。具體說(shuō)，功能分散是將以前一個(gè)系統(tǒng)上的多個(gè)傳感器，截然不同的子系統(tǒng)分散到多個(gè)獨(dú)立的平臺(tái)上；

（3）多軌道分散：是利用多個(gè)軌道平面來(lái)提高彈性。例如把衛(wèi)星部署在不同傾角的同步軌道上，增加對(duì)系統(tǒng)的攻擊難度；

（4）多域分散：是將能力分散于海、陸、空、天、網(wǎng)多域，相互冗余和備份；

（5）搭載有效載荷：是將有效載荷和任務(wù)搭載在其他衛(wèi)星上。搭載有效載荷不需要自己獨(dú)立的衛(wèi)星平臺(tái)，而是利用主星的電源、處理、熱控和姿態(tài)控制等能力。

2 電推進(jìn)系統(tǒng)的特點(diǎn)

2.1 比沖高、推力小

相對(duì)于化學(xué)推進(jìn)，電推進(jìn)最突出的優(yōu)勢(shì)是比沖高，高比沖可以大幅減少推進(jìn)劑攜帶量，進(jìn)而為航天器性能提升提供解決途徑[4～7]。然而，電推進(jìn)推力較小這給應(yīng)用帶來(lái)諸多約束。以使用電推進(jìn)實(shí)施靜止軌道衛(wèi)星軌道轉(zhuǎn)移為例，這些約束可歸結(jié)為三個(gè)方面[9-10]：

（1）安全性降低風(fēng)險(xiǎn)。電推進(jìn)變軌一般采用超同步軌道，此時(shí)衛(wèi)星軌道演變過(guò)程為遠(yuǎn)地點(diǎn)高度逐漸降低，近地點(diǎn)高度逐漸抬高。這導(dǎo)致衛(wèi)星將頻繁穿越靜止軌道，此時(shí)衛(wèi)星與軌道上已知的衛(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(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)；

（2）空間輻射影響風(fēng)險(xiǎn)。使用化學(xué)推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)變軌時(shí)，衛(wèi)星變軌時(shí)間一般小于一周；而對(duì)于電推進(jìn)變軌，變軌時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月，甚至半年，由此帶來(lái)空間輻照的影響是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須解決的一個(gè)問(wèn)題。根據(jù)電推變軌過(guò)程進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明在GTO至GEO轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)行半年的總輻射劑量最高達(dá)到相當(dāng)于GEO軌道運(yùn)行半年總輻射劑量的約5倍；

（3）軌道轉(zhuǎn)移成本增大風(fēng)險(xiǎn)。長(zhǎng)時(shí)間變軌產(chǎn)生的成本代價(jià)，包括地面測(cè)控站費(fèi)用、晚入軌而產(chǎn)生的利息、保險(xiǎn)費(fèi)用增加等。

2.2 整星兼容性復(fù)雜

電推進(jìn)的應(yīng)用與整星之間存在較為復(fù)雜的兼容性設(shè)計(jì)問(wèn)題：

首先，電推進(jìn)羽流和電磁兼容性設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。電推進(jìn)羽流碰撞太陽(yáng)翼表面，會(huì)對(duì)整星造成干擾力矩影響；高能粒子碰撞太陽(yáng)翼表面太陽(yáng)電池玻璃蓋片，造成刻蝕效應(yīng)，會(huì)引起透光率下降，造成太陽(yáng)翼功率損失；羽流粒子沉積在太陽(yáng)翼表面太陽(yáng)電池玻璃蓋片表面造成污染，會(huì)引起透光率下降，造成太陽(yáng)翼功率損失；羽流粒子沉積在熱控涂層、光學(xué)鏡頭表面造成污染，會(huì)引起熱控性能衰退或者光學(xué)探測(cè)性能衰退。電推進(jìn)工作功率輸出大，電推力器的離子束引出可能導(dǎo)致衛(wèi)星整星電位的變化；電推進(jìn)本身產(chǎn)生的等離子體放電和等離子體的環(huán)境，使得星上設(shè)備容易發(fā)射藕合或相互干擾。

其次，對(duì)衛(wèi)星需求更高。一般而言，衛(wèi)星必須具備自主控制電推進(jìn)工作的能力，電推進(jìn)需要長(zhǎng)期、頻繁點(diǎn)火（例如位置保持任務(wù)，每天點(diǎn)火兩次，每次點(diǎn)火數(shù)小時(shí)；軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)，需要幾個(gè)月連續(xù)點(diǎn)火），若仍采取常規(guī)地面控制為主的飛行控制手段，需要耗費(fèi)大量的人力物力資源；電推進(jìn)工作必須依賴衛(wèi)星的大功率供電，而且涉及到幾百伏甚至上千伏的高電壓，這將對(duì)整星供電安全提出更高的要求；衛(wèi)星熱控問(wèn)題突出，電推進(jìn)長(zhǎng)時(shí)間點(diǎn)火，衛(wèi)星需要保障星內(nèi)電推進(jìn)供電設(shè)備的散熱還必須保證星外推力器的散熱。

再次，整星試驗(yàn)與測(cè)試模式變化。相對(duì)于現(xiàn)有航天器試驗(yàn)，電推進(jìn)的點(diǎn)火等測(cè)試均必須在真空系統(tǒng)中才可以實(shí)施；而對(duì)于航天器，尤其是大型航天器，在真空系統(tǒng)中開展測(cè)試存在測(cè)試手段、測(cè)試設(shè)備等現(xiàn)實(shí)矛盾。

3 彈性空間系統(tǒng)電推進(jìn)應(yīng)用研究

3.1 彈性空間系統(tǒng)推進(jìn)應(yīng)用模型

對(duì)于單顆衛(wèi)星，推進(jìn)任務(wù)主要包括軌道轉(zhuǎn)移、在軌位置保持、壽命末期離軌以及在軌姿態(tài)控制等。而對(duì)于彈性空間系統(tǒng)，推進(jìn)任務(wù)還包括在軌期間的軌道調(diào)整，在軌調(diào)整能力直接決定了彈性空間系統(tǒng)的性能。在軌期間軌道調(diào)整包括同一軌道平面內(nèi)的調(diào)整，所需的速度增量由軌道調(diào)整消耗時(shí)間決定；也包括不同軌道面間的調(diào)整，所需的速度增量由軌道傾角變化的大小決定[8]。單顆衛(wèi)星和彈性空間系統(tǒng)推進(jìn)特點(diǎn)比較如表1所列。

表1 單顆衛(wèi)星與彈性空間系統(tǒng)推比較Table1 Propulsion mission of a satellite and disaggregated space architecture

由于在軌軌道調(diào)整需求的引入，使得彈性空間系統(tǒng)對(duì)星上推進(jìn)系統(tǒng)的需求發(fā)生了較大變化。對(duì)于單顆衛(wèi)星而言，軌道轉(zhuǎn)移、在軌位置保持和壽命末期離軌的總速度增量基本確定；而對(duì)于彈性系統(tǒng)，在軌調(diào)整的速度增量隨運(yùn)行次數(shù)增加而增加，運(yùn)行次數(shù)能力越大，系統(tǒng)性能越優(yōu)。

鑒于單顆衛(wèi)星和彈性空間系統(tǒng)對(duì)軌道轉(zhuǎn)移需求基本相同，并且軌道轉(zhuǎn)移涉及效益、風(fēng)險(xiǎn)等多種因素[9-10]，針對(duì)在軌段進(jìn)行分析。記位置保持每年速度為ΔVsk，在軌壽命為l，軌道調(diào)整每次速度增量為ΔVpc，軌道調(diào)整次數(shù)為N，那么彈性空間系統(tǒng)衛(wèi)星的在軌速度增量需求如式（1）：

為便于比較，把在軌次數(shù)調(diào)整等效為在軌壽命的增加Δl，那么由式（1）可以得到彈性空間系統(tǒng)在軌階段的應(yīng)用模型，如式（2）：

3.2 電推進(jìn)應(yīng)用效益模型

對(duì)于確定推進(jìn)系統(tǒng)，可以分析不同推進(jìn)方案的使用效果。主要比較分析電推進(jìn)和化學(xué)推進(jìn)，進(jìn)一步分析相對(duì)于單顆衛(wèi)星彈性空間系統(tǒng)的需求特點(diǎn)。

假設(shè)入軌后衛(wèi)星的質(zhì)量為M0，其中衛(wèi)星平臺(tái)除電推進(jìn)外的干重為Mf，電推進(jìn)分系統(tǒng)干重以及電源、熱控等相應(yīng)增加質(zhì)量的和記為Me（電推進(jìn)應(yīng)用需要增加電推進(jìn)系統(tǒng)，且還需要配置電源、熱控等防護(hù)質(zhì)量），推進(jìn)劑攜帶量為Mc，每年位置保持速度增量為ΔVsk。如果僅使用化學(xué)推進(jìn)（不配備電推進(jìn)分系統(tǒng)），衛(wèi)星壽命Lc如式3所示：

如果使用電推進(jìn)，那么衛(wèi)星的壽命Le滿足式（4）的關(guān)系：

式（3）和式（4）中，η為考慮姿態(tài)和誤差散布修正的系數(shù)，Ispc和Ispe分別表示化學(xué)推進(jìn)和電推進(jìn)所對(duì)應(yīng)的比沖，ηc和ηe分別表示化學(xué)推進(jìn)和電推進(jìn)的使用效率。定義電推進(jìn)應(yīng)用效益B如式（5）：

當(dāng)B大于1電推進(jìn)具有使用效益，B越大效益越高。

3.3 彈性空間系統(tǒng)電推進(jìn)應(yīng)用分析

首先定量給出彈性空間系統(tǒng)在軌軌道調(diào)整的速度增量需求。對(duì)于同一軌道平面內(nèi)的調(diào)整，單次速度增量需求主要取決于要求的軌道調(diào)整的時(shí)間需求；對(duì)于不同軌道平面的調(diào)整，單次調(diào)整速度增量主要取決與調(diào)整傾角的大小，表2和表3分別給出了幾種典型情況下的速度增量數(shù)據(jù)。

表2 同一軌道平面內(nèi)調(diào)整速度增量需求Table2 Velocity increment of orbit adjustment in the orbital plane

表3 傾角調(diào)整速度增量需求Table3 Velocity increment of orbit inclination adjustment

從表2和表3結(jié)果可以看出，彈性空間系統(tǒng)在軌調(diào)整的速度增量需求較大，尤以傾角調(diào)整突出。如實(shí)施一次10°的傾角調(diào)整，相當(dāng)于消耗11.7年位置保持的推進(jìn)劑。當(dāng)前長(zhǎng)壽命高軌衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命一般為15年，一次傾角調(diào)整實(shí)施就消耗了超過(guò)3/2壽命的推進(jìn)劑。

其次，分析相同推進(jìn)劑攜帶條件下，使用電推進(jìn)和化學(xué)推進(jìn)時(shí)的衛(wèi)星壽命。分析中衛(wèi)星入軌質(zhì)量設(shè)定為4 000 kg，每年位置保持速度增量ΔVsk為46 m/s，化學(xué)推進(jìn)比沖Ispc為285 s，電推進(jìn)系統(tǒng)比沖為3 000 s。仿真結(jié)果如圖2所示，從圖中可以看出，隨著在軌等效壽命（包括在軌時(shí)間和軌道調(diào)整次數(shù)）的增加，推進(jìn)劑消耗量急劇減少；且在軌等效壽命越長(zhǎng)，效益越明顯。

圖1 不同在軌壽命時(shí)的電推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量與電推進(jìn)效益關(guān)系曲線圖Fig.1 Efficiency of electric propulsion of satellite with different lifetime

從圖1仿真結(jié)果看出，相對(duì)于單顆衛(wèi)星，彈性空間系統(tǒng)對(duì)在軌速度增量更大，電推進(jìn)應(yīng)用效益更加顯著。從電推進(jìn)和化學(xué)推進(jìn)比較也可以看出，推進(jìn)系統(tǒng)比沖越高，效益越顯著。

3.4 彈性空間系統(tǒng)對(duì)電推進(jìn)的其他需求

上述從推進(jìn)劑消耗角度分析了彈性空間系統(tǒng)相對(duì)于單顆衛(wèi)星對(duì)衛(wèi)星的特殊需求，繼續(xù)分析彈性空間系統(tǒng)對(duì)電推進(jìn)的其他需求。

（1）對(duì)電推進(jìn)小型化需求更高。使用應(yīng)用效益模型，比較不同衛(wèi)星入軌質(zhì)量和不同電推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量下的電推進(jìn)應(yīng)用效益，圖2給出了電推效益為1時(shí)的曲線。

圖2 不同衛(wèi)星入軌質(zhì)量、不同電推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量與電推進(jìn)效益關(guān)系曲線Fig.2 Efficiency of electric propulsion of satellite with different weight

從圖2可以看出，衛(wèi)星入軌質(zhì)量越大，電推進(jìn)使用效益越顯著，電推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量越小，電推進(jìn)使用效益越顯著。因此，相對(duì)于單顆衛(wèi)星，彈性空間系統(tǒng)在電推進(jìn)系統(tǒng)減重等方面的需求更高。

（2）整星兼容性要求更高。如電推進(jìn)系統(tǒng)的特點(diǎn)部分所言，電推進(jìn)與整星間存在較為復(fù)雜的力、熱、污染、電磁等影響，對(duì)于單一載荷類型衛(wèi)星而言，影響的側(cè)重點(diǎn)是不同的。對(duì)于通信類載荷，主要需要考慮電推進(jìn)大功率電源以及電推進(jìn)羽流的電磁輻射對(duì)通信信號(hào)的影響，還需要考慮通信信號(hào)穿過(guò)羽流后幅值、相位的變化等。對(duì)于光學(xué)類載荷，還需要考慮電推進(jìn)羽流對(duì)光學(xué)器件本身的污染、刻蝕等效應(yīng)，如圖3所示。

彈性系統(tǒng)的一個(gè)重要途徑就是同一功能載荷分散到不同衛(wèi)星中，這樣對(duì)于單顆衛(wèi)星而言，衛(wèi)星可能同時(shí)承載不同類型的載荷。因此，對(duì)于彈性系統(tǒng)應(yīng)用而言，一個(gè)重要的需求就是電推進(jìn)系統(tǒng)的兼容性設(shè)計(jì)更加嚴(yán)格，需要同時(shí)滿足多種載荷的應(yīng)用需求，這對(duì)電推進(jìn)本身的推力器、電源等設(shè)計(jì)均提出了更高的要求。

圖3 電推進(jìn)對(duì)衛(wèi)星的影響框圖Fig.3 Influence of electric propulsion system on the satellite

（3）電推進(jìn)系統(tǒng)可靠性要求更高。對(duì)于彈性空間系統(tǒng)而言，其特點(diǎn)是局部載荷失效時(shí)，通過(guò)衛(wèi)星軌道的調(diào)整可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的不損失，其前提是衛(wèi)星具備軌道調(diào)整的能力。從這一角度分析，相對(duì)于單顆衛(wèi)星而言，彈性空間系統(tǒng)對(duì)單顆衛(wèi)星的可靠性要求更高。

4 彈性空間系統(tǒng)電推進(jìn)設(shè)計(jì)需求

4.1 模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

對(duì)于彈性空間系統(tǒng)，電推進(jìn)應(yīng)用對(duì)象是一批衛(wèi)星而不是一顆衛(wèi)星，模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)就顯得尤為重要，這涉及產(chǎn)品和試驗(yàn)兩個(gè)方面：

（1）電推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)品本身模塊化，供氣、供電、推力器等均實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，電推進(jìn)系統(tǒng)與整星機(jī)械接口、供電接口、信息接口的標(biāo)準(zhǔn)化；

（2）電推進(jìn)系統(tǒng)的功能和性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，從單機(jī)到系統(tǒng)再到整星、從研制廠房到發(fā)射基地，不同階段的測(cè)試方法和項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)化。

4.2 型譜化、批產(chǎn)化

電推進(jìn)作為衛(wèi)星平臺(tái)推進(jìn)系統(tǒng)可以借鑒通信、導(dǎo)航等衛(wèi)星中通用產(chǎn)品的研制經(jīng)驗(yàn)[11]，一方面，完善型譜產(chǎn)品，適應(yīng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)需求；另一方面，采用批產(chǎn)化的研制思路，縮短研制周期、降低研制成本。

4.3 面向在軌可更換設(shè)計(jì)

彈性空間系統(tǒng)作為研究中的一種新型體系方案，電推進(jìn)的應(yīng)用應(yīng)考慮當(dāng)前航天器的在軌可維修性發(fā)展趨勢(shì)。結(jié)合電推進(jìn)系統(tǒng)特點(diǎn)，可以基于現(xiàn)有供氣、供電、推力器組成模式，研究單機(jī)更換；也應(yīng)該結(jié)合供氣密封、高壓供電等特點(diǎn)研究整機(jī)模塊更換的可行性。

5 結(jié)論

彈性空間系統(tǒng)是面向提升空間系統(tǒng)安全性的一種新型空間系統(tǒng)，電推進(jìn)是提升航天器性能的一種有效技術(shù)。彈性空間系統(tǒng)的特點(diǎn)可以更好地發(fā)揮電推進(jìn)比沖高的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也要求電推進(jìn)具有更高的性能、更好的兼容性。相對(duì)于單顆衛(wèi)星應(yīng)用，彈性空間系統(tǒng)在模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、型譜化、批產(chǎn)化等方面提出新的研制要求，并且作為一種新興系統(tǒng)還要求電推進(jìn)適應(yīng)航天器在軌維護(hù)等發(fā)展需求。

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