电推进技术在通信卫星领域工程化应用综述

田栋 温正 魏鑫 苏宏博

(1 北京理工大学,北京 100081)(2 中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部,北京 100094)

我国自从2012年首次开展电推进空间飞行验证任务后,便开始加紧推动电推进技术的工程应用。2020年6月,银河航天公司研制的低轨宽带通信卫星首次采用霍尔电推进系统实现在轨应用,卫星采用电推进技术执行入轨调整、大范围轨道转移、长期轨道保持及离轨等任务,电推进系统额定功率215W,额定推力10mN,系统采用模块化设计,具有集成度高、质量小、成本低等特点。2020年7月,离子电推进系统实现首个地球同步轨道(GEO)高通量卫星的商业化应用,电推进系统用于执行卫星15年的南北位置保持任务,同时兼顾轨道机动的救援能力、轨道位置调整及卫星末期离轨任务。该电推进系统额定功率1000W,额定推力40mN,额定比冲3000s,采用多冗余可调推力矢量设计方案,具有比冲高、运行寿命长、自主位置保持、自主故障检测及处理等特点。目前,越来越多的高低轨卫星采用电推进作为其主要的动力系统,标志着电推进已经进入到一个大规模工程应用阶段。

电推进具有高比冲、高总冲优势,而且可以满足位置保持、轨道转移、大气阻力补偿等几乎所有空间动力需求。因此,配置电推进系统已经成为衡量通信卫星先进性的重要指标之一。卫星任务剖面的不同,以及卫星平台功率的差异,对电推进系统的推力、比冲等的需求是不同的。主流的霍尔电推进与离子电推进相比,具有推功比高、供电电压低、绝缘耐压设计及电路模块设计相对简单、整体系统结构相对简单、系统质量较小、卫星布局相对灵活等特点,适用于全电推进卫星轨道机动及维持,以及轻量级低轨卫星星座轨道保持等任务。主流离子电推进具有推重比高、比冲高、寿命长、微推力精确调姿、效率高等特点,比较适用于具有长寿命要求的大承载比GEO卫星的姿态控制、轨道维持和轨道转移、位置保持等任务;对于提升卫星的承载能力及通信载荷精确指向控制等方面具有很好的优势,同样也适用于全电推进卫星及低轨卫星平台。目前,霍尔及离子电推进的技术发展型谱很广,能覆盖从百瓦至几十千瓦功率需求的通信卫星在轨应用。

本文重点结合高低轨通信卫星任务特点,从卫星载荷对平台配置的需求、空间任务定位、离子和霍尔电推进技术产品特点、高低轨空间环境差异等角度分析了电推进技术发展和应用重点应该考虑的设计要素。在此基础上,结合国内发展,提出有我国电推进规模化应用的发展建议。

1 通信卫星的电推进应用特点

按照轨道高度的不同,卫星可以分为:低地球轨道(LEO)卫星,轨道高度300～2000km;中地球轨道(MEO)卫星,轨道高度2000～36000km;GEO卫星,轨道高度为36000km。导航卫星大都运行在MEO,运转周期在2～24h,导航卫星定点之后对位置保持和姿态精度的要求不高,对轨道维护的需求相对较小。虽然导航卫星上也有采用电推进执行轨道转移等任务的案例,但暂不在本文讨论范畴。本文重点分析运行在GEO和LEO的通信卫星任务需求。表1统计了近几年电推进技术在相应通信卫星平台上的典型应用情况。

表1 电推进技术在通信卫星平台上的典型应用情况Table 1 Typical applications of electric propulsion technology on communications satellite platforms

1.1 GEO通信卫星电推进应用特点

通信卫星按频段大致可分为宽带通信卫星和窄带通信卫星。宽带卫星具备全球覆盖区域内的大容量、高速率通信能力,可提供C频段、X频段、Ku频段及Ka频段的高质量语音、图像、视频、数据等通信传输服务,实现高速双向通信和信息广播服务。窄带通信卫星可支持话音和数据移动通信,实现移动通信终端手持化。该类卫星一般配置大型可展开多波束天线,通过星地一体化实现全球覆盖,多个终端用户通过极高频(UHF)向卫星发送信号,地面站则采用Ka频段与卫星通信。目前,商业市场主打Ku频段或Ka频段的高通量卫星,这是未来扩大卫星带宽资源的重要手段,其带宽超过吉比特每秒吞吐量量级,每个终端通量超过百兆比特每秒量级。GEO通信卫星通信的全球性、多频段、多用途、多系统、星间组网是未来卫星通信系统发展的主要方向,可全面用于不同海陆空各类固定和移动终端的大容量双向通信和信息广播服务。可见,载荷多任务特点对卫星承载能力及平台姿态稳定性提出了更高要求。电推进技术在提升卫星平台载干比及精确指向调节方面具有很大的优势。

在GEO通信卫星领域,依据卫星平台系统配置的不同,主要分为采用混合推进的平台配置和采用全电推的平台配置2类。其中:混合推进平台卫星发射质量一般在5～6t,载荷质量较大且功能全面。采用混合推进的卫星全生命周期内的位置保持任务一般是由电推进来完成的。相对以往采用纯化学推进方式的卫星平台,这种混合推进模式可以有效提升卫星的载荷质量,且对卫星微振动影响很小,能满足激光终端等各类复杂载荷工作和长期在轨稳定运行的要求;而全电推进卫星平台发射质量一般在2～5t,最大的优点是大功率、高承载比、轻量化,即卫星平台质量降低,载荷质量可以大幅提升。相对于化学推进系统,采用全电推进系统可将卫星干质量占比提升至75%,有效载荷质量还能进一步提升,而且卫星平台可以小型化,实现一箭多星。如Eutelsat-172B采用全电推进,整星质量仅为3551kg;若采用化学推进,质量至少为6000kg。因此,全电推进使得卫星发射质量减少40%以上,发射成本降低约30%,卫星总的研制费用降低近10%。据不完全统计,在2017年之后,2～5t在轨应用的主流全电推进卫星就超过了30颗,占比日益提升,而混合推进模式通信卫星占比则有逐渐减少的趋势。目前,比较成熟的全电推进卫星平台包括:中国的东方红三号E;美国Boeing公司的BSS-702SP;欧洲ADS公司的Eurostar-3000 EOR;俄罗斯ISSR公司的Express-1000,2000;法国TAS公司的Spacebus-NEO;德国OHB公司的SGEO[1-5]。另外,日本三菱公司的工程试验卫星-9(ETS-9)也是全电推进卫星。全电推进卫星的应用近几年还有一个显著特点,那就是初始变轨的轨道高度随着运载能力的增强而不断得到提高,全电推进卫星的快速入轨时间日趋缩短。GEO通信卫星方面,本文将重点针对全电推进卫星的系统设计及应用进行阐述和分析。

1.2 LEO通信卫星电推进应用特点

LEO通信卫星星座是多颗卫星组成的具有广播功能、以互联网应用为服务对象的互联网卫星群。星座具有通信覆盖广、容量大、不受地域影响、传输延时短、路径损耗小、频率复用更有效等特点,作为地面通信的补充手段实现用户接入互联网,可有效解决偏远山区、海上、空中等用户的互联网服务问题。

LEO通信卫星星座带来了一系列的颠覆性技术变革及商业变革,不仅带动了物联网接入等地面产业链的快速发展,还促进了军事海事通信、航空机载、无人机等隐形市场的技术突破。同时,引入的模块化轻量化集成、商用现货(COTS)元件应用、智能装配应用等智能制造技术,进一步降低了LEO通信卫星的研制成本和商业门槛。这些技术变革也影响了电推进技术发展路线的转变,需要更快适应星座规模化的需求,真正实现电推进系统商业化。

以Starlink卫星星座为例,近期的卫星配置为:每颗卫星配备Ku频段和Ka频段有效载荷,且包含多副高通量相控阵天线,采用激光星间链路和数字处理技术,使信号能够在轨道上的卫星之间高速传输,且每颗Starlink卫星上的所有Ku频段下行链路点波束都可以实现在地球覆盖区的独立调整,即便多颗损毁也不影响全局通信,这为卫星的军事应用提供了极大的便利。此外,LEO通信卫星星座在军事导航增强、多目标跟踪功能、频率复用能力及多用户支持、生存能力等方面优势也很显著。在全面部署后预计可提供高达约±57°纬度的信号覆盖区域,加上极地轨道上的卫星,可轻松实现低成本全球覆盖。由此可见,LEO通信卫星星座可以实现经济、有效、快速的部署。Starlink卫星最主要的动力系统是采用300～500W功率的霍尔电推进执行轨道提升及离轨等操作。LEO通信卫星星座投产数量巨大,需要在短时间内部署很多颗卫星,这就对电推进系统批产化提出了很高的要求。对于电推进而言,需要简化试验、降低成本,提高产品的模块化、集成化设计水平,还需要有很高的可靠度和成熟度。目前,除了Starlink卫星星座技术迭代快、相对成熟外,其他星座仍在解决批产化及低成本制造问题。截至2023年年初,Starlink卫星在轨总量已超过3000颗。LEO空间环境具有大气阻尼大且波动范围广、原子氧浓度高等特点,电推进系统设计需要综合考虑全任务周期内的自主大气阻尼补偿、超精细定向和高精度控制等要求。

2 电推进系统设计思路

根据上述通信卫星任务特点,电推进系统设计应重点考虑以下几个环节。

2.1 任务剖面匹配性设计

2.1.1 GEO通信卫星飞行任务剖面分析

从图1的全电推进GEO通信卫星飞行任务剖面来看,可以从3个角度展开分析。

图1 GEO通信卫星飞行任务剖面Fig.1 GEO communications satellite flight mission profile

(1)星箭分离点设计很关键,需要在运载包络允许的整星质量和体积约束的前提下去设计电推进入轨周期,早期任务设计受限于运载能力,更多地考虑全周期从LEO至GEO的轨道转移策略。这种策略往往变轨时间周期较长(8～10个月),这就带来一定的设计防护负担,比如太阳翼为了降低范艾伦辐射带损伤所额外的加固设计,以及功率衰减预算等多因素变量的设计。随着上面级技术的日趋成熟及运载能力的提升,近几年的轨道转移策略更多通过上面级送至地球静止转移轨道(GTO)或者更高的轨道高度,再通过电推进实现从GTO至GEO的变轨任务,大大缩短了卫星入轨周期并降低了系统设计的复杂度。例如:2020年俄罗斯一箭双星发射的Express-80和Express-103,通过上面级将卫星送至近地点16600km、远地点54900km的超GTO,随后通过电推进将卫星送至目标轨道[6]。

(2)不管采用哪类电推进系统,其功耗基本正比于推力器推力和比冲的乘积。卫星能提供给电推进的功率是有限的,这就要求在进行卫星电推进系统设计时,必须在推力和比冲之间进行权衡。全电推进卫星在执行大范围轨道转移期间载荷不工作,而卫星需要在轨道高度较低的区域尽可能短的时间内穿越范艾伦辐射带,减少质子等高能粒子冲击,同时开展低轨碰撞规避的测轨保障设计,前期的抬升半长轴就需要通过大推力高功率工作模式进行长期工作来实现。通常来说,2t以上卫星的上述任务需要采用5千瓦量级的多模式电推进系统,目前国际上的全电推进卫星平台可采用的主流推力器包括离子推力器XIPS-25和LIPS-300,以及霍尔推力器XR-5、PPS-5000[7]或SPT-140[8]。轨道转移期间不仅需要电推进系统在非地影期具备持续工作的能力,而且因为很多不可见弧段轨道的存在,还需要电推进系统具有自主测定轨、自主飞行的能力。

(3)在抬升半长轴、调整轨道倾角期间,卫星需要经历不同的光照环境及轨道空间环境,电推进系统长期自主飞控和姿态调整还需要依据整星功率变化,以实现连续变推力补偿,通过流率、电流组合调节实现宽范围、高精度推力连续调节;卫星定点前,电推进系统还需要执行偏心率调整、漂星、轨道位置调整等任务,卫星在定点后长期的位置保持及动量卸载等任务也需要电推进来完成,而且整星功率大部分分配给星上载荷,需要电推进系统工作在低功率、高比冲模式,以降低功率需求并最大程度地节约推进剂。

2.1.2 LEO通信卫星飞行任务剖面分析

LEO通信卫星飞行任务剖面如图2所示。从任务剖面看,在星箭分离后,卫星需要通过电推进系统进行轨道抬升(含半长轴、偏心率偏差修正)和倾角修正。随后,进入停泊轨道,卫星开始进行在轨测试和自主健康诊断。在完成测试后,再次通过电推进执行轨道机动任务,直至进入工作轨道,期间卫星经历相位调整、轨道抬升、倾角修正、升交点赤经修正和位置捕获等。卫星在工作轨道上还需要通过电推进执行占位保持,即保证每颗卫星在一定精度范围内保持沿参考轨道运行,从而保证整个星座构型不变;或者根据任务需求通过半长轴偏置实现对相位角偏差的控制,进而实现同轨道面卫星相位维持;或者通过倾角偏置实现对升交点赤经偏差的控制,从而实现异轨道面卫星相位维持。最后,到任务末期,对轨道的近地点高度和远地点高度进行调整,采用电推进降低卫星的轨道高度,实现卫星离轨再入大气层烧毁。

LEO空间环境具有大气阻尼大且波动范围广、原子氧浓度高等特点,轨道高度200km与300km相比,大气密度大将近2个数量级,大气阻尼差异明显,而且同一轨道高度波动也较大,地磁风暴造成不同时刻阻尼特性差异,这就需要动力系统的响应敏感,而且具备一定的可变推力调整能力及闭环控制能力。采用电推进系统配置,可以满足卫星任务全过程的大气阻尼补偿、超精细定向和高精度控制等要求,显著增加有效载荷质量,延长卫星寿命。

由于卫星任务剖面复杂多样,只有充分了解全周期使用场景,识别所有的可能工况和环境条件变化,才能有效判断出产品在卫星上应用的特点和风险。通常的卫星任务剖面分析要求全面梳理产品从交付后到寿命末期各环节经历的所有使用工况、工作模式、环境条件等,具体包括:①使用工况应覆盖产品使用时可能出现的所有工作状态,并考虑正常和非正常使用工况,覆盖最恶劣工况。②工作模式应包括静态和动态、稳态和非稳态,以及不同功率、不同频率等情况。③环境条件应覆盖产品使用的所有环境因素,包括地面贮存、测试、发射、在轨等全部环节。例如:应区分不同轨道高度空间环境的差异,LEO空间环境为稀薄大气,具有空气阻尼大、原子氧浓度高等特点;GEO环境具有高能等离子体及季节性、复杂表面充放电、单粒子效应等特点,对产品原材料、元器件、生产工艺等的影响具有复杂性和多样性。

对卫星飞行任务剖面完整的裕度剖析,有针对性的安全边界设计,是决定任务成败的关键。2022年2月,Starlink卫星在210km轨道高度受地磁暴等因素影响,受低高度大气阻力作用,氪工质霍尔电推进系统无法脱离安全模式执行轨道抬升任务,从而导致部分卫星再入大气层烧毁。推测该故障原因,一方面,爆发高能电子暴时,GEO和MEO大于2MeV的高能电子通量一般会比平静状态下高2～3个数量级,这就会加剧高能粒子沉降和焦耳加热等过程,使低层大气受热膨胀,引起高层大气密度增加,通常在210km高度的大气密度昼夜变化幅度可达到20%,叠加小地磁暴(地磁爆强度指数为5),阻力上升约10%;另一方面,Starlink卫星面质比约为0.0733,比一般LEO通信卫星高出约10倍(卫星日均轨道衰减量与大气密度、面质比均呈正比关系),因此轨道衰减量偏大,导致对大气阻力敏感度进一步增加。上述2个因素导致推进与控制策略对复杂工况下的裕度设计存在不足,加上故障预案存在缺陷,最终导致卫星的陨落。

2.2 电推进与整星匹配性设计

电推进与整星的匹配性设计主要考虑电推进供电电源及推力器工作过程的电磁兼容性,电推力器工作产生的羽流等离子体对通信等载荷链路的影响特性,以及电推进瞬态工作的一些动态特性(例如闪烁(放电扰动)、启动浪涌),还有对供配电及控制系统的影响等。霍尔推力器以SPT-100为例,其阳极与励磁采用串联设计,如果内磁极磁场强度存在偏小问题,有可能会引起放电电流和励磁电流工作模态耦合问题,从而加大阳极振荡,形成放电扰动,导致一些系统性的故障关机问题。另外,霍尔推力器长期工作在放电室通道内壁的陶瓷结构还会累积受高能等离子侵蚀影响,磁约束的设计差异会加剧刻蚀过程产生的沉积物,沉积物脱落会在放电通道内与等离子体碰撞,也会产生放电扰动,从而导致推力器阳极电流出现瞬时的大电流冲击,易触发电源保护,甚至影响到整星供电安全及姿态控制精度。据了解,Fakel在设计霍尔电推进系统时,对放电扰动进行了精确测量,给出了瞬态峰值电流及响应脉宽,供电电源输出输入端进行了软硬件的保护电路设计。对于离子推力器而言,栅极间的放电闪烁是离子推力器栅极间强电场的局部瞬时畸变引起的,属于离子推力器的固有工作状态,会受温度梯度带来的间距变化、材料出气产生的局部低气压区,以及放电室材料溅射、栅极表面微突起、多余物等因素影响,影响因素多会加剧出现相对频繁的非预期性闪烁问题,闪烁瞬间同样产生大电流冲击,从而可能会影响整星供电安全。电推进羽流对卫星的影响主要包括:羽流等离子对卫星表面的力矩干扰、热辐射、溅射腐蚀、表面电位影响,以及对星敏感器的光干扰和对通信频段的影响等,因此需要在卫星研制初期开展电推进电磁辐射发射与卫星兼容性分析,并辅助必要的试验进行电推进羽流的综合评估。

2.3 布局设计

一方面,卫星的布局优化要求电推力器工作时的综合效率尽可能高,以减小推进剂的携带量;另一方面,当实施轨道控制任务时,电推进工作时的干扰力和干扰力矩要尽可能小,才能保证电推力器工作期间卫星的姿态控制精度满足卫星指标要求。通常,GEO通信卫星电推进系统的主任务是执行位置保持,为了提高综合效率,电推进系统一般选择在轨道的升交点和降交点附近工作,点火过程产生向南或者向北的速度分量与卫星轨道倾角方向的速度分量合成的最终速度使得轨道倾角下压,同时卫星在轨道面内产生的法向分量会因为升降交点对称工作而得到相互抵消,以消除卫星轨道偏心率的漂移。这种对称点火的方式还需要通过矢量调节机构保证点火推力器推力矢量经过卫星质心,从而避免电推力器工作带来的姿态扰动。电推进系统布局设计还需要保证卫星表面的光学敏感器和太阳翼等不受电推力器的羽流污染,且羽流对太阳翼的附加干扰力矩尽量小,推力器布局时应避免其工作时的热量对周围部件造成不利影响。

单一位置保持任务的典型布局设计如图3所示,推力器对称布置在卫星南北板,推力矢量方向指向卫星质心。典型应用包括中国的东方红四号增强卫星平台、美国Boeing公司的BSS-601HP卫星平台、Loral Space公司的SSL-1300卫星平台[9]、欧洲ADS公司的Eurostar-3000卫星平台、法国TAS公司[9]的Spacebus-4000卫星平台,以及ADS公司和TAS公司联合开发的阿尔法平台(Alphabus)等。

图3 GEO通信卫星电推进布局方案一Fig.3 Layout scheme one for GEO communications satellite electric propulsion

为了兼顾轨道转移任务需求,还有一种布局方案是采用多自由度机械臂,在提高卫星收拢状态的高收纳比、提高整流罩空间利用率的同时,进一步提升在轨大范围推力指向的调整能力和推力效率,通过高精度、微推进技术实现卫星载荷的高精度指向调整。例如,美国Loral Space公司设计的可展开式推力矢量调节机构,电推力器在完全展开状态下推力器指向-Z方向(如图4所示),可以用于变轨任务的同时兼顾位置保持任务。EuroStar NEO卫星平台配置的PPS-5000霍尔推力器也采用这种布局方式,多自由度展开式矢量调节机构的优点是可以降低电推力器对整星集成的影响,降低羽流对太阳翼的干扰力矩、溅射沉积等影响,可以实现轨道倾角和偏心率控制及动量轮卸载,较大程度提高电推进效率;缺点是增加了系统复杂度及失效风险,热控系统较为复杂,而且电推进管路变长,管路氙气工质的流阻增加,对比冲等系统性能指标存在一定的影响。

图4 GEO通信卫星电推进布局方案2Fig.4 Layout scheme two for GEO communications satellite electric propulsion

第3种布局方式是将电推力器布置于背地板上,4台推力器成对对称安装在背地板4边,2台推力器在北侧,2台推力器在南侧,如图5所示。这种方案较多应用在混合推进的卫星平台上,便于实现轨道倾角(南北位置保持)、漂移率和偏心率控制(东西位置保持)功能,同时也可以较好地兼顾辅助轨道转移任务。典型应用有中国的东方红五号卫星平台,美国Boeing公司的BSS-702HP卫星平台及BSS-702SP卫星平台。其优点是在升降交点执行南北位置保持时可以在倾角控制的同时控制偏心率和东西漂移,还可以实现角动量卸载功能;缺点是冗余备份能力不足,当其中1台推力器失效时,推力器提供的速度增量需求需要增加约1.5倍。

图5 GEO通信卫星电推进布局方案3Fig.5 Layout scheme three for GEO communications satellite electric propulsion

一些特殊的布局方式(如图6所示),因为特殊的载荷布局限制等原因,将推力器布置在南北/东西板的4个侧棱上,例如洛马(Lockheed Martin)公司A2100M卫星平台的先进极高频(AEHF)系列卫星,以及俄罗斯的Express卫星。这类布局方式需要依据卫星质心来布置推力器安装的Z向高度,用于消除或减少径向分量的影响,当用于变轨时,卫星飞行方向为+X向。该布局方式的优点是对整星整体布局有利,尤其对于复杂星外载荷及敏感器布局而言,羽流对背地板及对地板的载荷影响最小,载荷工作区域包络大;缺点是尽管兼顾了方案3的功能,但综合效率相对较低,受质心在轨不确定度影响较大,控制算法较为复杂。

图6 GEO通信卫星电推进布局方案4Fig.6 Layout scheme four for GEO communications satellite electric propulsion

2.4 长寿命高可靠设计

从整个飞行任务剖面来看,电推进应用的通信卫星执行的任务剖面往往覆盖包括升轨离轨等在内的整个卫星全生命周期。电推进系统高可靠长寿命是卫星应用成败的关键和基石。可靠性问题通常围绕故障识别和恢复展开,工程上一般在正向设计复核的基础上通过增加环境条件考核及工况拉偏等方式,寻找系统的薄弱环节和失效方式的过程。只有识别和解决了故障机理,才能提升产品可靠性;寿命问题通常是产品随着环境交变或者关键部组件的工作损耗导致的一种磨损或者退化的机制,工程上一般需要尽可能量化这些机制与时间相关的规律,通过设计裕度的保证降低失效发生的概率。可靠性设计是在产品功能特性分析的基础上开展保证产品可靠性所采取的冗余设计、降额设计和热设计等措施,以及失效对功能和性能实现的影响;寿命分析则是分析产品设计寿命,识别决定其寿命的特性,如磨损、腐蚀、疲劳、最大应力、参数漂移、杂质、离子辐射反应及老化等的影响。为此,需要结合卫星应用风险分析电推进系统设计各个环节故障发生的可能机理及对策。

故障模式的识别与设计是高可靠设计的基础。以阴极为例,阴极失效故障往往是推力器的单点故障,其失效会导致推力器失效,甚至会影响到整星安全,因此阴极的正常工作是离子和霍尔推力器稳定工作的前提,需要依据任务特点开展必要的冗余设计和可靠性设计,例如通过双阴极方式或者交叉重组的方式重构中和效果,确保任务完成[3]。目前,国内对空心阴极的可靠性评估并未充分考虑产品的故障机理、生产工艺和材料升级,且缺少部分国产化材料器件的可靠性数据、多子样筛选失效率数据、产品稳定性数据等,难以表征产品真实的可靠性水平,理论可靠性与实际情况存在差异。

寿命评价方面大都基于拉偏试验和仿真手段去识别产品的设计薄弱环节,通过验证试验去覆盖各种外界影响源对产品的影响。分析仿真和验证应综合考虑机械特性、电特性、力学特性及热特性等关键特性。机械特性重点分析多余物、密封、配合尺寸链、材料表面粗糙度、摩擦、流量压降、涂层/镀层的表面质量、材料相容性、高功率电缆干涉等方面的特性;电特性重点分析开关特性、绝缘特性、防静电损伤、安全间距、高压焊点、电磁兼容性、空间特殊环境影响等方面的特性;力学特性重点分析模态、静力学、动态响应、承压能力、温度降额、热平衡,以及大功率应力敏感元器件层面的安装粘固等特性。故障识别的技术手段往往需要结合产品关键特性涉及的功能模块,以特性的失效模式为顶事件,采用故障树分析(FTA)方法,从机械特性、电特性、力学特性、热特性等多方面识别故障失效机理,改进设计,同时完善关键过程控制环节。

2.5 低成本设计和制造

由于卫星的批量化需求,在电推进产品设计方面需要更侧重于成熟组件的可靠集成设计和低成本组件的配套,同时通过加强仿真减少试验验证方面的投入。以OneWeb卫星星座电推进系统为例,霍尔推力器的设计选用了Fakel目前最成熟的SPT系列推力器,可以满足卫星多任务变功率需求,且对外接口通用性很强,其机电热接口兼容美国、欧洲的各主流卫星平台,能满足卫星用户的快速定制需求。在系统集成能力方面,可以快速搭建测试联试环境,供气条件可以匹配多类热节流器或比例阀流量控制器,供电条件可以适配多种电源模块,系统联试测试及自动判读效率高。在可靠性方面,Fakel对其推力器产品的可靠性评估基于所有在轨及地面子样的失效率数据,即选择总工作时间及开关机次数作为2个独立的标准正态分布变量,这2个独立变量的平方和服从自由度为2的卡方分布(Chi-square Distribution),基于该方法获得了60%置信度下产品可靠度超过0.99。电源处理单元方面,为了达到低成本需求,OneWeb公司采用经过筛选的COTS器件进行替代研制,在组件级实现功能模块化设计的集成,然后将各个功能模块分解给各自专业特长的配套厂家,对各功能模块进行设计和实现,在系统设计集成的同时缩减联试测试成本,该电源处理单元目前能保证LEO卫星设计寿命10年,价格实现了大幅度压缩,且具有较高的可靠性。

目前,OneWeb公司的电推力器设计功率300W,实现比冲1200s,推力18mN,效率34%,质量1.32kg。电源处理单元输入功率300W,一次母线电压27～38V,遥测遥控接口为CAN总线或1553B总线。电源处理单元可以实现贮供子系统的压力传感器供电、压力采集及氙气供给单元阀门驱动等。供气子系统采用氙气瓶、压力及流量调节模块的一体化设计,其选用的流量控制模块(如图7所示)[10]产品质量仅为0.3kg,体现了较高的系统集成度和轻量化设计。可见,基础器件研制是实现低成本的核心,在完成器件级适应性设计、仿真和验证后,对组件及整机的研制可以依据功能指标需求进行模块化集成。

图7 高成熟度流量控制组件Fig.7 High maturity level flow control component

低成本设计不仅需要在产品设计和制造上进行成本控制,也要在卫星的系统集成制造方面进行设计。以SpaceX公司为代表的数字化工厂目前已经实现了生产、集成和测试一体化功能,在数字定义的装配线投产运营过程中引入了大量先进的增材制造、自主环境及专业测试设备,尤其在多层舱灵活载荷、重构天线、电推进系统等方面实现了短周期研制和低成本控制,在自动测试方面引入了人工智能(AI)技术,提升了测试的迭代效率及测试的准确性和全面性。目前,这些卫星用于提供高速互联网服务,得益于其制造和部署过程采用了许多高度自动化和标准化的方法,使得目前在轨快速部署卫星数量超过3000颗,且制造成本得到很大的优化。

3 启示与建议

电推进技术在GEO和LEO通信卫星的工程化应用上,除了要解决电推进单机自身的研制及成熟度问题外,还需要关注系统性设计难点。从系统设计角度来说,在GEO和LEO通信卫星上的应用是有所区分的,GEO通信卫星更多的是考虑系统兼容性,从任务匹配最优的系统布局着手,其次是重点提升电推进系统的长寿命和高可靠性能;而LEO通信卫星更多的是考虑成熟技术的移植和升级迭代,以及产品化的制造能力和效力。结合国内卫星工程化特点,对电推进技术的发展建议如下。

(1)提升电推进多任务剖面的适配能力。工程上通过增加变推力比冲的多模式设计可以实现满足卫星快速入轨的能力,以及长期姿态调整能力。这不仅需要从产品在强磁约束调整、耐溅射栅极设计、高精度流量适配方面进行产品升级,还需要系统适配不同的布局调整和指向要求;采用多种布局约束下规范统一接口设计,以及控制软件的任务可重构能力设计,对于在通信卫星上应用尤其关键。

(2)提升电推进与整星匹配性设计能力。从系统设计角度来看,需要保证电推进工作的电气特性与卫星控制系统与能源系统相匹配,自主的控制算法可以保证电推进最优的功率、效率分配和工作的稳定性,以满足卫星轨道调整和姿态定位的要求。电源系统不仅要具备长期稳定供电能力,还需要适当的电路保护机制以应对电推进闪烁、启动瞬态的浪涌冲击,同时兼顾高功率电源、推力器电磁辐射等电磁兼容性要求。

(3)提升电推进长寿命的地面测试和验证能力。在工程试验角度,可以通过强化元器件、原材料等在空间环境适应性方面的验证水平,提升产品关键部组件的工艺实施及过程管控水平,保障产品状态的稳定性和一致性。

(4)提升电推进系统可靠性分析能力。从工程实现角度,通过在轨应用过程的关键特性及参数关联性分析,形成一套自洽的电推进系统应用层面数据链的关联分析体系,实现生产过程要素及测试过程的可测可控项目,提升对后续产品关键数据趋势性、逻辑性、一致性的综合分析能力,确保电推进技术规模化应用安全、可靠,这也是可持续实现系统可靠性分析的有效技术途径。

(5)提升电推进产品制造的质量控制水平。制造产能是电推进技术在卫星规模化普及和应用的前提,成本控制是可持续发展的基础,标准化体系是保障飞行基线的基石。只有完善产品保障体系,才能真正实现降本增效,提升质量管理效率,适应多样化低成本卫星任务发展需求。

电推进技术涉及多个交叉学科,系统集成度高,工业设计过程复杂,随着电推进产品在设计、工艺、元器件和材料、生产过程控制、试验验证、产品保证、可靠性设计和验证等方面的日趋成熟,依据卫星任务剖面的定制化设计和技术迭代体系将更加健全。数字化设计、模块化定制及自动化测试验证、标准化质量管理体系等,是未来电推进技术在卫星成熟应用的基础。