保持卫星位置的离子推进系统_李双庆

保 卫持星 位置 的离 子 推进 系

在 统 地球 步同通 信 卫 星的 南 北位 置 保持十 年 的 最 代 初标 目 用 是核一 电推 进 的 人载航天 器 探索 太 阳

系一,

( N SSK ) 方面

,

人们 正 在 寻求 比前目 用使

,

后

来 一 1这 标缩小 为 阳太

。

的更 有 和 更 效经济 的推 系进 统目标

的 重要 第的 一 步

。

正研在 制的

电能推 进 统 系S E P (S) 计 划

一

该计 划 旨

在

进 先 的高比 离 户推 进冲 系 可统 是能实 现 这

由个于离 子 的束 度 速是

,

七 年代 用 十太 阳能 电 进 推无 人 驶驾 航 天

器进

行星 行 探

。索

就 连这 样 的一 个 计 在 1 划98 1 ”

倍0化 学 火箭 排 气速 的 1

度因 此

离 推 子进器

年 也 被放

弃

. 是 ’ jr二

,

。

所 耗用的 进推k 量J可 以 减到 学 推 进 所化耗 用 l 的十分 一之左右 到

。 。

这种

。

“

未 来的

技术

在

实验 研究 。

此 外在 代现通信 卫 星 上

,

,

阶 段徘徊 了多

年

足但现

在

‘

,

离子 推进 系 统

,:

离

子推进 所器需 的 能电堪 本 不 花上钱 便 可 得

日在食 间

,期

。

J从 用 J 仃r 北位 置保 持 日

子的f能 即 将 到

来

,

,

当

星且 太的 阳电 池帆 板 不址

上 电蓄池 足 以保证 信通系

仁 年 代

中美期 航j 局款拨研 制 的 进 推 器 七在

能时 十能 生产l

包

,中

有

种一 径

_江

5

厘 米

的 进推 S 器T 一I

5

它。

统

正 卜作

常实 际 L 就 为是 了满 预 定 的 姿 态 足 控 和 制位

置步 司卫星 南 北 的置位 保 持 旨 在 修正 地1

球

保 持要 求而 设的计随 着 卫 本星 愈身来愈 大

,

星卫 在轨 时 阳 和 太月 对亮 的它引 力 扰动 当 种这 扰动出 现

,。

每

必就 加 须以修 正

,

。

为 了

使

。卫

星 保持在 正 的 赤确道 道 轨

上 少至 每 个

星

期 要 用 都推小 力 卫 星对进 行 几次 位 置 修

保正持 卫 的星南 北位 置 要 求推进 统 平均系 推 低力 总而 冲

高这

一

,

子 离推 进系 统的 性能 正 符好合l

.长要

。

一

一

、

2

5

年

回的顾

卜

月 一」 匕、

尸 门

美一国 对 r 离 推进装 置 行进 工 业 研性制 已

2 5 有年段

。

,

这 种技但术 迄 今 未进入 实 际 用 阶

应,

高

磁导 保磁 器

率六 十 代 年初

美

国曾许诺 要 六 在 十 年代

,

,

把 末 人送 上 月 球 这个 许 明 确 地 诺告 诉 人 们在 不 太遥 的远 来将前

,

, 切地确说 在 。

19

8

4年

以 国美 就 会 利 离用 子推 进 装置 使其 航 器

1天 69 2

遨 游于月 球 以 远 太的 空 了

,l

年

,美 国

研

制- 了 径直 5 1 米厘 的水 银 离子 推

进 器S E TR

随后

,

,

在 19 69 年研 又制了 直 径3 厘0 米的

推进器

器

。

打

用算 作 为 它 星 际行 行航 的主 推 进

,

但是一

38

初期 愿望 的际实 并 上未实

现。

六

图

1

情 性气体 离

子 推 器进 的基 本部件 极 接负 地屏蔽及 和 中

器、

一

一 据 根 I T 5S 的设 计进 行修 改 将 推进 器 的 直

,增径 大到 S

T

一I

厘米

,

8

名命 为 ITS

、

一。

后

来

、

二,

、

离 推子进 的经 济

性

8

离推子进 器 构 件 与 推 进剂箱

,

万向

由于离 子推 进 系 统的 比 冲 是 学 化推 进系

统比 冲 1 0 倍的

,

架

、

电 源 调装 节

数置 控字制 接 口 装 置和 组”

离 辅子 助推进 系

统因 此

在 执 行同样任 务时

。

,

,

前合 在一

起‘

成构。

“

者

所 的需推进 不 剂到 者 的后十 分 之 一例如

(

A I S )

P这 个 系 统

休 斯 公 是 根司据 美 与航,

一

若 对际国 通 信卫 星 砚 别级 的航 天器 用 离子

i之

局 刘 易斯 研 究 中 心 签 的 订一 项合 同

行飞试 验而 研 制的 ,

为

专。

推

进统 系 行 南北进 置 位保 持

化学 推 刘 进( 比 冲 0 72秒 寿 命初) 始 B ( O ) 质 L堵 从’

, 么那即 保 使 留也能 使 航 器 的

旨在 天向潜 在 的 户用 们

证

学化推 进 系统的 全 部 硬件 而 仅 仅 去除 多 余的,

电 明推 进用 于卫 星 控制 完备的性 和 成 熟 性

192

’

年

87

月

,

休斯 司把公 能 完美 工作 的 I

,A

2

500 0

公 减斤 少到。

l

S 付交给 了 航 天承器包 商

・

他

们 将 它 装到

2

01 0公 斤左

(儿 右减 乎少 40

斤公

)质

量

的

技个术 住址 上

。。

不

,久

它 将 这 随 卫星 颗进气

减少 转 使航而天 飞 机 净的 q发费 l于 j降 约 i

15低00

入 地

球 低 道轨

美 万 (元按 天 航飞 发 机附 l 斤 有效公 荷

载

。

I 人P S包 括两 个 银 水 离J 推进器 分 系

统进

入 地 同 步轨球 道 费 旧 为的 50 0 00丈 , 以 1

)和

个 一诊断 分 系 统( D SS )

。统

这种 推 器 分进系 食

”

荆 价 之红” 健 叮 叱汀

,使 1 能 0 00

斤的 地 公 球 步同 卫 星 1在 0年 期间

。

保

南持北位置

诊 分 系统断 括 包 置 配 在 个梅

一)

。 速, 。 增{ ; 韵 ;{ !

1

、

’

, 离子 进 推 周器围 的 四种 传 感装置 ( 离即 收 集器

、

子东 泥妞

一 .

五、{

’

・

t ;: 米

秒

(l !){

二

勺

1

日

(1

凡.

.

/

冲比

太 阳

电能池

。、

石

晶 体微 量 英 天 平 电和

工

3化学推

进 剂 (、PI二 30 0 、秒

势

探针 ) 它 所提 们供的 各 种数 据 可用来 确 定 在离 子推 进 器 和 航天器 之 间 子粒 相 作互用 性质 的 程和

度

。

(

.

)( )

2.

设

在加 州马 利布 的 休 斯 研 实

,究

冲

5 1l匕0

.

l

银水 进推齐 1 :毛】( 0 0)

秒

】

二

一验

室 空 模间拟 寿命试 验 中

心 环 境空中的 开

、机

己经对 I APS

。

1

O(

) 推进 和 器 源 电 子电 装 的 工置程 模型 行进 了 真关 机 循环试 验

、!

2

3

11t

到1 模该型 图

2

,

J

]心 台航天 器 寿 命 ) 质

线

坡

(

吨

、的8

,

时

.

8公

斤水银 推进 刘耗尽

循

环试 验 终

7止 小1 时

离

子束 喷射时 累 计间为8 4 开次 机 机 循 环关、

完

化成 学 推进 器 和水银离 子推 进器 行进南 北置 深持位 所需 的 推 进 剂质 最

卫与星 质量 的关 系曲线

了 59

。

表

1

卫 在星 轨道 上 机 所 姗 的 动 学化推 进 剂t

质动液 化体学 推 迸 剂质量 ( 公 斤

( ) 星 加卫 上液 体推进 荆 的 质t 约为 2

旅 稚

自,

s 吨

)占 部全 在 轨推进 剂 质 的鼠百 分 (比形

)定

机

种

类布

旋 自 稳

定一

三 轴稳 定

}

}{

L

三轴 稳

定东

西位 置 保 持

议

:…

… ……

:,}

・

8

南 北

位 置保 姿态 持控

其 合制

电

3。 ‘‘

…

}

・3

8

2

6

・

“

9

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3・

o

他

计.

.

2・

‘

…

}

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S

.6

5

!

6

1 00

。

“ 2 2

“1

翌上一一一‘

假 定

稳定方 式 变不

一

3

9

一

图

从2,

和表

保持 来。说

宽

中可

以 看 对 出 南 北位 置旧 离 子 推进 替化代学 推 进 具有 较

卫星 可 加 上更多 的 通信 发

,转

l

,

还 一有种 案 是

方

0 年, 在 寿 信卫通 的星 1。

命期间

,

用 离

子推 进 系统使 星 的该不 工 作的

1 的 吸 大1力

备份 卫 星保持 在合 适 的 轨 道L

,

对 于需 要

使

一 另方面

用备 份 卫 星 的通 信 系 统说来

,

用

子离 推 进

系。

器 (有效

载 增 加 荷 5 %)

1

且而 全质部量 仍

能

0统 将 备 份 卫 星 入 工推作 状 态并接 工 着作1

进入 地 球同步 道轨 有可能 大大 加增按

6。

。

因此 颗 卫 星每的 收 益将

7

,年

将

能 获得 高极的 经 济效 益

、

三

获 所得的 经济 益利相 当 于

颗

卫 星的 钱 价可 买

,

到

颗卫

星,

。

另一

种

不

花钱的 足充 电

源方

案 是利 用 离子 推 器 来进 延长 卫 星 在轨道 的 上寿命

通信卫 星需 要足够 的 电 源 以 保 证 大 2 每4

使卫 星 继续 作工 若 年干。

从

而 获

得小

工 作

时

为了。满 足这 一要 求

,,

卫星 要带

携更

的多收 益

具有 充 分能量 的 电 蓄池

足以 提供 连续广

播娜

、‘

权一 l日 帆

能板 可 统 软二 牡旋的 构

结,

图

3三轴 稳 定卫 星的 南 位北里 持 保需 只 台两 子 推离进

器

台一 作

工,

一台份

备7

分 钟2 的 电源

。在 每 年 9

6 次 日期食当

中。

,

较 大推 的 力推进 器( 果 如直 接用 星太卫阳 电

池 阵的有 输 出限供 电 这

样,

最 长的 一

长次 7 2达 钟分型 寿 命 1为 年0工 9作6 0

。

天现 代 通

信 星 的卫

,

典,

这只 有 可 能是 已 )

,

而。

,

0

年中 在这1

星

上电池只

需

就可以 选 择 较 大 的推 力

。

值使其全 部

这

还 未远 充分 利现 用 电 代 池技

。

工

作时 缩 短 到 5间 00 时 小(一 年地面 试 鉴

术验

,现

代 电池技 术 能 蓄使电 池 以 7 % 的0放电 用 电蓄为 离池 推子 分 进 统 系供 电 有许 多一

定 所得到 值的) 以下 者有极大 的 价值

进 器 的能性,

这

能 对可 航天 设 器计

深度

放 电5 0 00

次

,

因

这 为充 分 发能挥 离子 推

使并 能 它 象 星 卫 系 统 其的他元

处

好。

除

了 济经上 的 原 以 外因,

,

由

于 蓄 所

电

,

一样 件

验

,

在 同 。一 间 范时 围内 进 行 续连 行运

试 能的 释 能放快 它 的 蓄 积

因于此

可以 使

用表,:

2

一 用颐太 阳 能 和 载 星 电 ,池为 子 推 进离 系统 供电 的 三轴稳 定 星卫 的 关 健 计 特 性 设之比

较性

…

2

设

计

实

例

3

4

5

使

用 星蓄载电 池 推 力 (毫牛顿

比) (冲 秒

)不用

31

0

用

1不3 00002 2 340

1 用033000 2

0 9

0用

1

30 20 0 0 3 42

0

用533 00 0 ,5

…

7l

“

用

5

3{

1{

3000

2

90

200 0 0 725 5 33

总

率 (瓦功 蓄)池电率 功瓦( )加附太阳 电池帆板 功 的率 瓦 )

推 进(剂质 (公盆 斤) 推 进 器 分系 统硬 质 最件 ( 公 〕 斤 附加 太 阳 电池 板 帆质 量的(公 斤 质)量净 减 (少斤 公)

200

02

0 00 3 406

134 74

2

90

40 212 13

266

12403 631

4

9004 42

1 2

15 3 一325

2

1月{

2一。 366: 5270

s,9 253

1

1

5l

17

5

l

296

0

2 1

9

仅} 指每年 “2 的天 北南 位 置 持 6保4 米 秒 4 脉冲式/ 速度 增 量 V△ 2 一459 公斤 星 (量 ) 质卫寿命 初 始 一一 工 个作推 进 分器系 统 一 个备推份 进器分 系

统

附—功加卞 用只太阳 电池 板 帆0 3 化秒学 推 进剂 比冲 7 2斤 公 4去 除 的学 推 化进

—剂

化

学 推进 硬 减件 少 2 可用的 蓄 电量

—

公斤 ——千瓦 小时

—6.

。

一

行准 的备四

,、

因 此可以 充 分 用 利在 制 这研 些部。

在通信 卫 星上 的 应用

件时 获 得 所 试 的 验经验 和 成熟的 制造技 术

主要 变 的 动是 在放 室电

,

为

了 发 挥 先 进 离 子推的进 技 术的 优 越

新 设 计仿

照 了 所谓 )形状

。

性

,

休

研斯 实究验 正室 在研 制一 种 型 新高 效,

的

“钟

顶”

(

i g

r

n

。一

s

u

p

休 斯公司和

惰 性

气体 离 子 推进 器推进器 “ ,

这

一 种是 大有前 途

的刘

斯 研 究 中 心 易目都前在 研究 这 种 几何 形

状的 放电

。室

它 将 用于 5 200 公 斤级通 信 卫 星 的 南 。

该设 计 有具推 进 刘效 率9 为0 时%。

北

位 保置

持正在 设 计的 这 种推进 器 用板 作

一

可 获 较得 高推 力功 率 比 (5 0毯 牛顿 / 千瓦 )

准进

剂

瓦。

,

它的 力推F

毯 牛5 顿

6,

比冲

I‘

,

潜的 力

这 , 确 是定 述上设 计的 土要 素 五

因

、= 300 0秒,

0推 力 功率 比F / 尸~5 。

毫 牛

顿/千

1 0 0 0

预 0计 这推 进 器种能 叮地锥工 作 并

,且

小电

源 调 节装 t 研的制

,

时而寿 命 还不 完会结

阴极 和 离 子 抽,

,

在

研 制 佩 推进器 的 时同

1 PA 比S较 )。

休

斯 公 司 还正

眨 米推进 器 的 同 相引组 的件 设计几 乎 与30 少

研 在 制大 简大 化了 电的 源调 装节置 ( 与 于用 南北位 置保 持 推 的进 器分 一41

后 者 在 是 S E P S计 划中研 制的

现

已 做 好飞

一

阳

光

飞

图4

飞

行备就准绪 水的银 子离推进 器

其中 大最的 个 直一 径为 3 匣米0

,

系统 只 需 要 有 种 工 两作 状态

:

推 进

非和 进

(即 推 开机 和关 机) 的大

即小

围 可工内作

,

。

。在 这里 推 的 力确精调

节

并, 不是 十重分要 的

,

只 要 能合理 地 预 测 推

力对 推 进 器

电压 和 电 流 调 节的

。唯

一

要 求 要 保是证 离 子 推 进在 其 器正 常工 范 作 这 而个范围是 比 较 宽的 因

此

。,

拟

用 的电源 节 调 置 装具有 启动 能推进 器 并 使

之在模 拟 控 下制 工 作 的最 单 简的电 路

A I S P电 源 节调 装置 (P UP 是 )前技 术期

水平的 一个范 及例接 分口装置

统

系,。

。

它 两 部由分 组

成,

,

一部

图分

是 电 5 源子 电分装 置 ,

一 部 分是字 数 制控

IA器 I5 F PU

一 个是 试验性 ,

有

许多 安 装点 和遥 测信道

因在此 研

。

究离 子 推的 进 能 时力 可以 从 地 面上对 离 子 推 系进统 工 作的 情 况进 行严 监密

但是视

,

如

果把离 子 进推系 统 装安 通在信

,卫

星 上作 为 民 用

那 么IA P SP P U然仍比

预。 期的 甚 至 必 的 装需置 更为 复杂

因

此

,休

离 推子 进器的 作工 原理它 只肮 靠 器 的天太 电 阳阵池 供 电 自来电池阵 的始 原电能 由 电能 节调 器 换转成电 离 加和 速 所需 要 电的 流 和电 压 气当化 的水 银 或 氨 注入放 电 并室有 一 阴极 个射发电 子轰 水 击银 氮原或 子时 离 子 推 器 就 开始 工进作了 在 轰下 击这 些

原 失 去最子 外层 子 而电 被 离电 时 排这 放 的口两个多 孔 属金 电 极产生 个 一强 场 带电正 电的 子离 被就 个强 电这 场抽 和引 速加 这 些获 得t能的 离 子 通过 负电 极的 孔 喷洞 射 出 形去 成一股 由多密许集的带 位电 子 组束 成。 。。英 里 喷的 射流速 度 几乎达 每到小 时5 。 (。约 2 2 35 米 。 / 秒〕这 个速 度 转又为 推力

化。 。.

。

。

,

,,

。

,

。

,

。

斯,公 司 根据 航 由 宇 局款拨的 一项 计 研 制 了

划

化 简的电 路

,

并把 它 安们装 在 公 本司 拨 研款。

磅

/英 寸 压 的力

,

这时

。

,,

的密氮 儿 乎 度与 它

制 的

化 简 电的源 调节装 中置

的 半

一,

这简种化 装

置 液 态 存贮 的 一 样 高时,

压

力调 节器 把 氮气降

(S

PP U ) 的体 积 不 到 I A P SP P U总体积

0 磅

/英 寸 的 压力 后 供 给 进 推 分系器 约 到

1零

数 件 急也剧减 少 到后 的 十 者 分之

,

统

。流量 则由 一 能个 适 当节流 的 气 流控 制 阻 。

尼

器来 控制

推进 剂 输 系 统送的 设 计将 利 用

,

装上 推 进 剂贮 箱和流 量 控 制装置 以后

就形 成 完 了 整的离 子 推进 系分统 。

现

有的 气体输 送 部 件 推学 系进统 中去

。

这些 部 件曾用在 斯

休 初设 计

步公

的 航司天 器上将 贮存 的 压 氦 缩气输 送 化到 们它已经 受经了 空 间 飞

行中

定规

用氮气 充 , 入 个一 高压 容 器 达4到2 0 0

考 验的

。 及 有法关设 备

,

早 。 期的 子 推离 进器 用 银 水 推作 进 剂

而

。・

惰性

气体 不冷 凝的 质 性使推 进 器 本

,

墓

北 位南 保置 离持子 推 进 系 是统 用在氮 气 作 推 进 的 剂堪础 上研 制 的 就 推进 器 的 效 率 而 对言 工其作性能 只 有 微小 的 影 响 改 换 进推 卉」 定决 改换 推进 k J 类种 是基于 其 它 多 种因 素 l包

:括

。・

上 够能 瞬 启时动 和 闭

,

而 关 不且会对 航 天

器,

,

造

污 染 (成即使采用 水银 推 剂进

J

污染〔也

三。n 飞巧行 带 来一 系 好列处 极 小 )从 而给 ‘

,

六

、

子离 推 进 器 前 的

途

{ 性气 体可 直 接 地 从的球大气 层 ! 得什

「

,,

将

离 子推 进 技术应 用 于 地 球 同步 信通 星卫的 北位 置 南 保 可持使 推力 大小 间 、

到

,

在 航 天器作 球轨地 道机 动时。

惰

气性体 ,

、

推

进时

所

造 成 的生 态危 址 害小 轨

,

时特

别 在是航 天 器升 在这 场种 合

。功率

水

平、

_

星 卫蓄电 池能虽 的 可 度用和

。

推进 剂 耗消 得

多

・

选择,

, 寿等命 性能要 求 同 协 一

致

此外

,这 种 先

进,

价 的廉 氢气 作 进推剂 就更 为 适宜

推进方案 的经 济效 益也 已为 人 们 所 识

认也 促使人 们抓 紧 对它 进 详行 尽研 的

究D

e

。

这由

于 情 性 气体 不 冷会凝 在材 料表面

此因 避免 了 放 电室 的 湿浸以 及 对抽 引格 栅

的

长时 间 烘烤 (水银 离 推子进器 则 能可产 这

生efn

.

e

s

El

e

e

tr

on

i

se

,

1

8 9

4.

种

情况 ) 由 于 避 免 了 上 述麻烦

。

,

因

此可望大

PP

55

~

6 8译

张遐 沂校

大 简推 化进 自 器 工主作 时所需 要 的 控制 运

算李双庆

法

、

德

制A

,研

NS 反舰 弹导推 进装 置

产的 IT L轻 发射 型置装 经过 装 可改 用以 来 发射A SN 弹导

‘

国法 和西 德 正 头分为他 们 合作 研 的制新 一 代 反 舰 导 弹研 制推 进 系 统 然后从 两 发

A种 N 导S

。

动

中选机 择一 种作为生 型

力产装置 。

的动弹

.

尤J 的 合间法 国 j 公 航司 与 西 M德 B 公B I

作 计根划 法 国据与 德西政府 定 签 凉 解的备 忘 录 在执正 行

商。 。

国法 宇 公 司航正 在 鉴定 一 种液体 燃 料整

体式

火 箭冲 压 动发机 制

择 。

,

而

西 德正 在对 一 种掺

法国宇 公航 是 司A N S异 的弹L 承要包

l御 的 体燃 固料整 体 火 箭式冲压 发 动 机进 行研

预计 19 8 6 年将 在这 两 种发 机动 中 出 选

A作N S 的 大射 程 估 最计为 20 公 里 ,

作为 导弹 展发 工作的 部分一

,

国法在已。

。

朗德 试验 中 心研究 室 对战斗 部进 行 r 价评

动 为 35 0

机

。带 有

战斗 的试 验 弹部 以每 秒 约 8 0 米 的 速 度

导从轨上发 出射

,去

能 力 0预计 过 1超,

9

。

攻

击一 艘退 舰 役艇

,

,

。以

导弹的 直 与径毫米

“

飞鱼

”

的 相同

“

,定 A 测N S 导弹 对 船体 穿的透 和 破 坏 程度

A

绕着 弹

身 有四 个中心 锥 式进 气 道 飞鱼

”

W

&ST

1

859 34

.

.

尸,16

.

法一国 宇航 公 司 为 MM 4 0

导

弹生

徐绍捷

译

李

忍 忠

校