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电推进在深空微纳卫星的应用及展望.docxVIP

电推进在深空微纳卫星的应用及展望.docx

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电推动在深空微纳卫星的应用及展望 一、深空微纳卫星的现状 近十年来,电子、通信技术进展快速,曾经被认为是“玩 具”的微纳卫星,已经成为各项简单航天任务的探路者,以较 低的成本对推动、通讯、制导及载荷等技术进行验证。一般 认为 10~100kg 的卫星属于微卫星,1~10kg 属于纳卫星,很多微纳卫星由 10cm 边长的立方体模块组成,也被称为“立方星”。当前各国的深空探测活动空前活跃,商业化航天大幅降 低了进入太空的成本,可回收火箭的近地轨道放射价格已低 至每千克 5000 美元,这些条件为微纳卫星走向深空带来了绝佳的搭车放射机会。 2018 年是微纳卫星走向深空的起点。我国的“龙江二号” 微卫星搭载鹊桥卫星任务升空,其质量仅 47kg(含 15kg 燃料),首次实现了微小卫星自主地月转移、近月制动、绕月飞行和受控撞击月球。卫星用于观测月球对超长波的遮挡, 并验证了微卫星执行深空任务的力量。假如不是微纳卫星技术的成熟,同学团队不行能主导曾经举国之力才能实现的科研任务。在科研价值之外,微纳卫星对于科普有重要的意义。 例如“龙江二号”上搭载了本科生团队研制的微型 cmos 相机, 拍摄的照片被誉为“最美地月合影”,激励了更多高校生投入航天事业,其意义不言而喻。同年,美国的“洞察号”抵达火 星并释放两颗名为 MarCo 的 6U 立方星,测试了微纳卫星为着陆器供应通信中继的技术。 图:国防部长劳埃德·J·奥斯汀三世于 2023 年 7 月 13 日在华盛顿进行的全球新兴技术峰会上向国家人工智能安全委员会发表讲话。 图:MarCo 卫星结构及冷气推动器安装的位置 除以上任务外,还有使用微纳卫星探测小行星的方案。2018 年11 月,首届微小卫星大会在西北工业高校举办, 西北工业高校方案发起立方星星座深空探究方案,用 6 ~8 颗6U ~12U 立方星,在奔赴小行星的各个阶段分别部署,组成星座,开展国际深空探测和小行星探测任务。 微纳卫星作为“搭车”载荷从地球轨道走向深空时,将面 临以下挑战: 对于地球轨道放射的搭载任务,从地球轨道逃逸需 要的速度增量高,从 700m/s(GTO)到 3000m/s(LEO)不等,微小尺寸的化学火箭推重比低且无法实现高比冲,且微 纳卫星没有空间携带足够的燃料,导致常规微纳卫星的速度 增量(delta-V,后文简写为 dV)很低。 对于搭载深空任务的微纳卫星,微纳卫星往往需要中途“下车”,在地球逃逸之后仍需要依靠自身动力变轨,如微纳卫星搭载 TLI 轨道放射任务,利用月球引力弹射逃逸并使用自身动力飞往近地小行星。假如主载荷的任务延期,微 纳卫星也只能错过放射窗口,导致更多的 dV 需求或被迫更换任务目标。 很多搭车放射任务特殊是从载人航天器中释放微纳卫星的任务,出于安全考虑,卫星不允许携带易燃易爆的燃 料,直接限制了化学火箭在微纳卫星上的应用。 出于以上限制,微型电推动系统将为搭载任务供应巨大 的便利。近年来太阳能电池取得突破性进展,使微纳卫星也 能产生几十至数百瓦的功率,因此电推动成为了微纳深空卫 星的首选。高比冲、高功重比的电推动微纳卫星将具有自行 逃离地球引力场和大幅度变轨的力量,对放射窗口要求将宽 松得多,将使深空探测常态化,甚至产生商业价值。 二、深空探测任务对电推动的需求 电源功率限制使电推动卫星的加速度很小,一般的开普 勒轨道不再适用,为轨道设计带来较大的困难。目前连续小 推力轨道已经有成熟的理论,也在一些电推动深空探测器上 进行了验证,迄今为止无一失败。微纳卫星与一般电推动深 空探测器的区分在于作为附加载荷放射,轨道设计受到主载 荷的制约。 受到太阳能电池、PPU 及备份推动器等质量的制约,目前整套电推动系统(不含太阳能电池)的推重比大约为每kg 质量产生 1~3mN 推力,与推动器种类有关。以黎明号探测器离子推动系统的质量为例,整个系统包含了 3 个推动器和 2 个 PPU,而每次只有 1 个推动器工作,其余均为备份。该系统推力 92mN,自重 128.8kg,假如取消全部的备份,自重也达到 79.7kg。可见电推动系统中,除推动器自身外,推力矢量机构、贮箱系统、PPU 也都各占据了很大一部分质量。由推动系统自身推重比 *推动系统质量占总质量的比例 =航天器的加速度,而一般的卫星上推动系统,载荷质量可按各占1/3 估算,可得当前的电推动航天器加速度一般不益超过 0.3mm/s^2,否则会导致有效载荷占比过低。 图:黎明号探测器电推动系统各模块的质量占推动系统 自重的比例 几种电推动深空探测器的加速度如下: 以地球 200kmLEO 连续小推力逃逸任务为例,加速度与逃逸所需时间的对应关系如图 1.4,从低推重比到高推重比的逃逸时间从 400~100 天左右。为削减逃逸所需的 dV 和时间,

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