滿梓峰，吳延龍，范 丹，張永安，仲小清

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

0 引言

隨著航天活動的日益頻繁，空間安全環(huán)境日趨復雜，空間航天器數(shù)量不斷增加、空間碎片快速產生、電磁頻譜糾紛越發(fā)頻繁，網絡攻擊、動能攻擊、定向能攻擊等概念頻繁出現(xiàn)。彈性空間系統(tǒng)是美國等國家從提升空間資產安全性角度提出的系統(tǒng)理念[1]。相對于一味的提高空間系統(tǒng)能力維護空間安全，彈性空間系統(tǒng)采用的是一種截然不同的邏輯，其通過把空間能力的分解和分散，實現(xiàn)局部節(jié)點的損害不會導致系統(tǒng)能力喪失。這一思路是基于一定的論斷：無論空間能力多么強大，只要存在空間依賴性的短板，對方必然會發(fā)展非對稱的空間攻擊能力，并能造成致命一擊。

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[2]，是提升航天器性能的重要途徑。如離子型電推進系統(tǒng)比沖可達3 000 s以上，霍爾型電推進系統(tǒng)可達1 600 s以上；而化學推進的比沖一般為300 s左右。高比沖可以帶來三個相互聯(lián)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)射質量，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)射質量能夠減輕，從而降低發(fā)射成本。

關于電推進應用的研究，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展到空間航天器體系。一方面，相對于具體航天器，彈性空間系統(tǒng)對電推進的適應性和通用性要求更高；另一方面，相對于具體航天器，系統(tǒng)應用對研制模式等需求也將發(fā)展根本性的變化。結合彈性空間系統(tǒng)特點，對電推進這一重要且復雜技術在空間系統(tǒng)中的應用問題進行了研究。

1 彈性空間系統(tǒng)

1.1 彈性空間系統(tǒng)概念

按照美國國防部2012版空間政策的描述[1，3]，彈性空間是一個體系在敵對或不利條件下，支持提高任務成功概率所需功能、縮短能力恢復時間。彈性空間系統(tǒng)具有六個方面的特點：

（1）分散：將不同的功能分散到不同的平臺和有效載荷上，例如將戰(zhàn)術和戰(zhàn)略防護衛(wèi)星通信分離，減少危機或沖突中非受控風險的擴大；

（2）分布：利用大量的節(jié)點，作為一個單獨的節(jié)點執(zhí)行相同的任務或功能，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服務，使用不同平臺、不同的軌道，以及商業(yè)、民用或國際合作伙伴的能力；

（4）防護：包括主動和被動措施，干擾防護、抗核加固等傳統(tǒng)措施，還可以擴展到機動性、內部搭載誘餌和其他星上對抗措施等；

（5）擴散：部署大量相同的平臺、有效載荷或相同類型的系統(tǒng)來執(zhí)行相同的任務，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)處理設備的數(shù)量；

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

1.2 彈性空間的主要途徑

彈性空間實現(xiàn)的主要途徑包括五種：

（1）結構分解：是由多個相互作用的模塊提供單一系統(tǒng)的功能。具體說，分解是將一個系統(tǒng)分化成多個相互作用的模塊，提供原有單一型系統(tǒng)的能力，分解通過多個子部分在軌道上相互作用，整體實現(xiàn)單一型衛(wèi)星的能力；

（2）功能分散：是將一顆衛(wèi)星上的多個載荷分散到多個衛(wèi)星上。具體說，功能分散是將以前一個系統(tǒng)上的多個傳感器，截然不同的子系統(tǒng)分散到多個獨立的平臺上；

（3）多軌道分散：是利用多個軌道平面來提高彈性。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搭載在其他衛(wèi)星上。搭載有效載荷不需要自己獨立的衛(wèi)星平臺，而是利用主星的電源、處理、熱控和姿態(tài)控制等能力。

2 電推進系統(tǒng)的特點

2.1 比沖高、推力小

相對于化學推進，電推進最突出的優(yōu)勢是比沖高，高比沖可以大幅減少推進劑攜帶量，進而為航天器性能提升提供解決途徑[4～7]。然而，電推進推力較小這給應用帶來諸多約束。以使用電推進實施靜止軌道衛(wèi)星軌道轉移為例，這些約束可歸結為三個方面[9-10]：

（1）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)星變軌過程中的風險；

（2）空間輻射影響風險。使用化學推進發(fā)動機變軌時，衛(wèi)星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(tǒng)設計中必須解決的一個問題。根據(jù)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；

（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。

2.2 整星兼容性復雜

電推進的應用與整星之間存在較為復雜的兼容性設計問題：

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

其次，對衛(wèi)星需求更高。一般而言，衛(wèi)星必須具備自主控制電推進工作的能力，電推進需要長期、頻繁點火（例如位置保持任務，每天點火兩次，每次點火數(shù)小時；軌道轉移任務，需要幾個月連續(xù)點火），若仍采取常規(guī)地面控制為主的飛行控制手段，需要耗費大量的人力物力資源；電推進工作必須依賴衛(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，這將對整星供電安全提出更高的要求；衛(wèi)星熱控問題突出，電推進長時間點火，衛(wèi)星需要保障星內電推進供電設備的散熱還必須保證星外推力器的散熱。

再次，整星試驗與測試模式變化。相對于現(xiàn)有航天器試驗，電推進的點火等測試均必須在真空系統(tǒng)中才可以實施；而對于航天器，尤其是大型航天器，在真空系統(tǒng)中開展測試存在測試手段、測試設備等現(xiàn)實矛盾。

3 彈性空間系統(tǒng)電推進應用研究

3.1 彈性空間系統(tǒng)推進應用模型

對于單顆衛(wèi)星，推進任務主要包括軌道轉移、在軌位置保持、壽命末期離軌以及在軌姿態(tài)控制等。而對于彈性空間系統(tǒng)，推進任務還包括在軌期間的軌道調整，在軌調整能力直接決定了彈性空間系統(tǒng)的性能。在軌期間軌道調整包括同一軌道平面內的調整，所需的速度增量由軌道調整消耗時間決定；也包括不同軌道面間的調整，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)推進特點比較如表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

由于在軌軌道調整需求的引入，使得彈性空間系統(tǒng)對星上推進系統(tǒng)的需求發(fā)生了較大變化。對于單顆衛(wèi)星而言，軌道轉移、在軌位置保持和壽命末期離軌的總速度增量基本確定；而對于彈性系統(tǒng)，在軌調整的速度增量隨運行次數(shù)增加而增加，運行次數(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)對軌道轉移需求基本相同，并且軌道轉移涉及效益、風險等多種因素[9-10]，針對在軌段進行分析。記位置保持每年速度為ΔVsk，在軌壽命為l，軌道調整每次速度增量為ΔVpc，軌道調整次數(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)在軌階段的應用模型，如式（2）：

3.2 電推進應用效益模型

對于確定推進系統(tǒng)，可以分析不同推進方案的使用效果。主要比較分析電推進和化學推進，進一步分析相對于單顆衛(wèi)星彈性空間系統(tǒng)的需求特點。

假設入軌后衛(wèi)星的質量為M0，其中衛(wèi)星平臺除電推進外的干重為Mf，電推進分系統(tǒng)干重以及電源、熱控等相應增加質量的和記為Me（電推進應用需要增加電推進系統(tǒng)，且還需要配置電源、熱控等防護質量），推進劑攜帶量為Mc，每年位置保持速度增量為ΔVsk。如果僅使用化學推進（不配備電推進分系統(tǒng)），衛(wèi)星壽命Lc如式3所示：

如果使用電推進，那么衛(wèi)星的壽命Le滿足式（4）的關系：

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分別表示化學推進和電推進所對應的比沖，ηc和ηe分別表示化學推進和電推進的使用效率。定義電推進應用效益B如式（5）：

當B大于1電推進具有使用效益，B越大效益越高。

3.3 彈性空間系統(tǒng)電推進應用分析

首先定量給出彈性空間系統(tǒng)在軌軌道調整的速度增量需求。對于同一軌道平面內的調整，單次速度增量需求主要取決于要求的軌道調整的時間需求；對于不同軌道平面的調整，單次調整速度增量主要取決與調整傾角的大小，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 同一軌道平面內調整速度增量需求Table2 Velocity increment of orbit adjustment in the orbital plane

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

從表2和表3結果可以看出，彈性空間系統(tǒng)在軌調整的速度增量需求較大，尤以傾角調整突出。如實施一次10°的傾角調整，相當于消耗11.7年位置保持的推進劑。當前長壽命高軌衛(wèi)星設計壽命一般為15年，一次傾角調整實施就消耗了超過3/2壽命的推進劑。

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

圖1 不同在軌壽命時的電推進系統(tǒng)質量與電推進效益關系曲線圖Fig.1 Efficiency of electric propulsion of satellite with different lifetime

從圖1仿真結果看出，相對于單顆衛(wèi)星，彈性空間系統(tǒng)對在軌速度增量更大，電推進應用效益更加顯著。從電推進和化學推進比較也可以看出，推進系統(tǒng)比沖越高，效益越顯著。

3.4 彈性空間系統(tǒng)對電推進的其他需求

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

（1）對電推進小型化需求更高。使用應用效益模型，比較不同衛(wèi)星入軌質量和不同電推進系統(tǒng)質量下的電推進應用效益，圖2給出了電推效益為1時的曲線。

圖2 不同衛(wèi)星入軌質量、不同電推進系統(tǒng)質量與電推進效益關系曲線Fig.2 Efficiency of electric propulsion of satellite with different weight

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

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

彈性系統(tǒng)的一個重要途徑就是同一功能載荷分散到不同衛(wèi)星中，這樣對于單顆衛(wèi)星而言，衛(wèi)星可能同時承載不同類型的載荷。因此，對于彈性系統(tǒng)應用而言，一個重要的需求就是電推進系統(tǒng)的兼容性設計更加嚴格，需要同時滿足多種載荷的應用需求，這對電推進本身的推力器、電源等設計均提出了更高的要求。

圖3 電推進對衛(wèi)星的影響框圖Fig.3 Influence of electric propulsion system on the satellite

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

4 彈性空間系統(tǒng)電推進設計需求

4.1 模塊化、標準化設計

對于彈性空間系統(tǒng)，電推進應用對象是一批衛(wèi)星而不是一顆衛(wèi)星，模塊化和標準化設計就顯得尤為重要，這涉及產品和試驗兩個方面：

（1）電推進系統(tǒng)產品本身模塊化，供氣、供電、推力器等均實現(xiàn)模塊化設計，電推進系統(tǒng)與整星機械接口、供電接口、信息接口的標準化；

（2）電推進系統(tǒng)的功能和性能測試標準化設計，從單機到系統(tǒng)再到整星、從研制廠房到發(fā)射基地，不同階段的測試方法和項目標準化。

4.2 型譜化、批產化

電推進作為衛(wèi)星平臺推進系統(tǒng)可以借鑒通信、導航等衛(wèi)星中通用產品的研制經驗[11]，一方面，完善型譜產品，適應系統(tǒng)的優(yōu)化設計需求；另一方面，采用批產化的研制思路，縮短研制周期、降低研制成本。

4.3 面向在軌可更換設計

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

5 結論

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)，電推進是提升航天器性能的一種有效技術。彈性空間系統(tǒng)的特點可以更好地發(fā)揮電推進比沖高的優(yōu)勢，同時也要求電推進具有更高的性能、更好的兼容性。相對于單顆衛(wèi)星應用，彈性空間系統(tǒng)在模塊化、標準化、型譜化、批產化等方面提出新的研制要求，并且作為一種新興系統(tǒng)還要求電推進適應航天器在軌維護等發(fā)展需求。

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