劉 磊,張慶祥,王 立,薛玉雄,楊生勝,安 恒
(1.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京100094;2.蘭州物理研究所 真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州730000)
電推進(jìn)器具有比沖高、壽命長(zhǎng)、控制精度高和能重復(fù)啟動(dòng)等優(yōu)點(diǎn),在衛(wèi)星姿態(tài)控制、位置保持、軌道轉(zhuǎn)移和深空探測(cè)等任務(wù)中具有廣闊的應(yīng)用前景。美國(guó)、歐空局、俄羅斯和日本等航天大國(guó)或機(jī)構(gòu)都在加強(qiáng)電推進(jìn)技術(shù)的研究工作[1-3]。根據(jù)加速工質(zhì)方式的不同,電推進(jìn)可分為電熱式、靜電式和電磁式3種。
圖1所示的是離子推進(jìn)器和霍爾推進(jìn)器,是當(dāng)前被廣泛應(yīng)用的兩種。離子推進(jìn)器(如圖1(a)所示)是采用熱電子碰撞的方式將推進(jìn)劑(汞或氙)電離,電離氣體中的離子在電場(chǎng)作用下被加速噴出以產(chǎn)生推力。離子推進(jìn)器在輸入功率為幾kW的范圍內(nèi)具有很好的工作特性,被廣泛用于深空探測(cè)和衛(wèi)星姿態(tài)保持,例如美國(guó)NASA的“深空一號(hào)”(Deep Space 1)探測(cè)器采用離子推進(jìn)器作為主推進(jìn)器[4]?;魻柾七M(jìn)器(如圖1(b))是利用霍爾效應(yīng)使電子和離子分離,被磁場(chǎng)束縛的電子用來(lái)電離工質(zhì)產(chǎn)生離子,離子在電場(chǎng)加速下噴出以產(chǎn)生推力。2002年,歐洲發(fā)射的SMART-1月球探測(cè)器以霍爾推進(jìn)器作為主推進(jìn)系統(tǒng)[5]。
圖1 離子推進(jìn)器和霍爾推進(jìn)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of ion thruster and Hall thruster
電推進(jìn)器工作時(shí)會(huì)在航天器周圍局部空間內(nèi)產(chǎn)生人工羽流環(huán)境。羽流對(duì)航天器會(huì)產(chǎn)生多種危害,如:撞擊和污染航天器表面,造成功能表面性能退化;引起太陽(yáng)電池陣性能退化與功率損失;干擾有效載荷的探測(cè);改變航天器表面電荷分布;影響衛(wèi)星通信等。因此,有必要通過(guò)地面試驗(yàn)、飛行驗(yàn)證和軟件仿真等技術(shù)手段,深入了解電推進(jìn)羽流與航天器之間的相互作用,對(duì)羽流效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估,進(jìn)而采取相應(yīng)的防護(hù)措施,以確保電推進(jìn)器在航天任務(wù)中成功應(yīng)用。
電推進(jìn)羽流會(huì)對(duì)航天器造成影響,甚至危及空間任務(wù)順利完成。電推進(jìn)羽流對(duì)航天器的作用機(jī)理很復(fù)雜,本文主要關(guān)注3個(gè)和羽流相關(guān)的問(wèn)題。
羽流中含有高能量的帶電粒子和未電離的中性氣體成分,這些粒子間存在各種相互作用,包括電荷交換、碰撞激發(fā)與電離、復(fù)合作用等。其中電荷交換[6]是一個(gè)重要的作用過(guò)程,羽流中高能的離子與中性粒子發(fā)生電荷交換,生成了能量較高的中性粒子和低能離子。這些低能離子會(huì)在航天器表面形成“返流”,從而改變了表面電荷分布狀況。
進(jìn)行電荷交換后的離子會(huì)引發(fā)航天器表面濺射與污染沉積(如圖2所示),濺射會(huì)導(dǎo)致材料(如航天器熱控涂層)性能退化,濺射物與羽流中的粒子會(huì)形成沉積污染物,對(duì)敏感器、太陽(yáng)電池陣等產(chǎn)生影響。通信衛(wèi)星典型壽命周期為15 a,在長(zhǎng)時(shí)間累積作用下,這種效應(yīng)對(duì)航天器的影響程度需要進(jìn)一步研究。
圖2 交換電荷離子與航天器表面相互作用Fig.2 Interaction between charge-exchange ion and spacecraft
通常情況下,羽流中帶電粒子的特征參數(shù)沿噴射方向有明顯變化。當(dāng)羽流接觸到航天器不同區(qū)域的導(dǎo)電部件時(shí),羽流起到“短路”作用,即為不同電位的帶電體架起電流通路(如圖3)。類似的,“返流”低能離子被吸引回航天器主體結(jié)構(gòu)時(shí)也會(huì)引發(fā)這種現(xiàn)象。還有一種情況,當(dāng)航天器某個(gè)部組件(如太陽(yáng)電池陣)與羽流接觸,而另一個(gè)部組件與交換電荷離子接觸時(shí),兩個(gè)存在電位差的部組件將構(gòu)成大尺度的電流回路,從而產(chǎn)生電磁干擾。
圖3 電推進(jìn)羽流形成電流回路Fig.3 Short circuit current induced by plume
在研究太陽(yáng)電池陣與電推進(jìn)羽流相互作用時(shí),可將羽流看作一種稠密的等離子體,電池陣將從中吸收電荷,形成寄生電流損失。GEO上的等離子體是高溫度而低密度的環(huán)境,一般在通信衛(wèi)星上產(chǎn)生的寄生電流很小,可以忽略不計(jì)。但是,如果衛(wèi)星采用了高壓太陽(yáng)陣和電推進(jìn)器,則羽流與電池陣相互作用產(chǎn)生的寄生電流可達(dá)mA量級(jí),這個(gè)影響就不能不考慮了。洛克希德·馬丁公司對(duì)多顆地球同步軌道衛(wèi)星的電位監(jiān)測(cè)顯示[7]:當(dāng)電推進(jìn)器工作時(shí),羽流可以有效降低航天器帶電水平。但衛(wèi)星電荷釋放并不是一個(gè)瞬態(tài)過(guò)程,通常要耗費(fèi)幾十s時(shí)間。在此期間,負(fù)偏置的太陽(yáng)電池陣將被浸沒(méi)在高密度的羽流等離子體環(huán)境中,從而產(chǎn)生寄生電流。通常情況下,寄生電流的測(cè)量很復(fù)雜,除了等離子體的影響之外,特別在GEO環(huán)境下還需要考慮二次電子發(fā)射、光電子發(fā)射等因素。
研究表明,損失功率的大小與等離子體特征參數(shù)、電池陣電壓及其幾何構(gòu)型密切相關(guān)。寄生電流效應(yīng)將改變太陽(yáng)電池陣的有效工作點(diǎn),并降低有效輸出功率。
地面試驗(yàn)已經(jīng)證實(shí):電推進(jìn)羽流環(huán)境會(huì)對(duì)電磁信號(hào)傳輸產(chǎn)生不良影響(如圖 4),特別是引起電磁信號(hào)的衰減和散射。早在20世紀(jì)90年代,俄羅斯學(xué)者曾經(jīng)提出了羽流干擾衛(wèi)星通信的問(wèn)題,并利用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量;日本、美國(guó)等也陸續(xù)開展了相關(guān)領(lǐng)域的數(shù)值分析和試驗(yàn)研究。
圖4 電推進(jìn)羽流干擾通信信號(hào)Fig.4 Communication impact by the plume
電推進(jìn)羽流對(duì)電磁波的干擾包括靜態(tài)干擾和動(dòng)態(tài)干擾。所謂靜態(tài)干擾是指因羽流干擾而引起電磁波發(fā)生幅度衰減(即增益降低)、相位變化和消偏振等現(xiàn)象;所謂動(dòng)態(tài)干擾是指等離子體與電磁波相互作用產(chǎn)生離散的虛假調(diào)制信號(hào)。
航天器設(shè)計(jì)人員需要確保羽流對(duì)信號(hào)的干擾被控制在容許的范圍內(nèi)。當(dāng)前,對(duì)信號(hào)干擾水平的控制要求[8-9]包括:由羽流引起的相位誤差被控制在幾度的量級(jí)內(nèi);不允許出現(xiàn)電磁波消偏振(或波偏振面旋轉(zhuǎn))現(xiàn)象;電磁波幅度不允許出現(xiàn)明顯衰減。而對(duì)離散的奇異調(diào)制信號(hào)的量化要求尚在討論中。
評(píng)估電推進(jìn)羽流對(duì)航天器的影響是一項(xiàng)復(fù)雜的工程。在軌飛行應(yīng)用之前,需要通過(guò)地面模擬試驗(yàn)、在軌飛行驗(yàn)證和仿真分析等評(píng)價(jià),以滿足電推進(jìn)系統(tǒng)與航天器的相容性和可靠性等要求。
地面模擬試驗(yàn)一般在真空室內(nèi)進(jìn)行。為了模擬真實(shí)的空間等離子體環(huán)境,真空室本底氣壓需控制在1.33×10-4Pa以下。模擬羽流等離子體參數(shù)包括羽流粒子成分、等離子體密度/溫度、中性氣體溫度、離子速度等。等離子體參數(shù)診斷方法可以分為介入式和非介入式兩種。
常見(jiàn)的介入式診斷包括 Langmuir探針、Faraday探針、遲滯電位分析儀等。Langmuir探針實(shí)際上是一根金屬裸絲,除工作端點(diǎn)部分外,其他部分進(jìn)行絕緣處理。探針需要施加一個(gè)相對(duì)于等離子體偏置的電壓,并與某參考電極構(gòu)成回路。探針?biāo)┘拥钠秒妷号c回路電流構(gòu)成探針?lè)?安特性曲線,再依照某些理論假設(shè)對(duì)曲線進(jìn)行處理,可獲得探針附近的局域等離子體參數(shù)。類似的,F(xiàn)araday探針用于診斷羽流離子通量。電極一般采用金屬鉬或其他低濺射率的材料,在其表面施加一個(gè)負(fù)偏置電壓使探針工作在伏-安特性曲線的離子飽和區(qū),此時(shí)收集的電流即為離子電流。另外,遲滯電位分析儀也可以看作是經(jīng)過(guò)能量濾波的Faraday探針,通過(guò)一系列的偏置柵網(wǎng)來(lái)阻擋某些能量段的離子。
非介入式診斷方法包括微波干涉法、發(fā)射光譜法、激光誘導(dǎo)熒光法等。與介入式測(cè)量方法相比,其優(yōu)勢(shì)在于診斷設(shè)備對(duì)羽流等離子體的干擾較小甚至是無(wú)干擾的。如激光誘導(dǎo)熒光法是一種離子、原子速度測(cè)量的常用技術(shù),利用激光激發(fā)離子(如氙離子)產(chǎn)生某一光學(xué)躍遷過(guò)程并發(fā)出熒光,通過(guò)收集激發(fā)態(tài)熒光可以計(jì)算局域離子速度。微波干涉法常用來(lái)測(cè)量等離子體電子密度,利用電子對(duì)電磁波產(chǎn)生相位移動(dòng)獲得微波入射方向上的平均電子密度,再通過(guò)阿貝爾變化可以獲得密度的空間分布。所謂發(fā)射光譜法就是利用發(fā)射光譜儀收集羽流等離子體的譜線,通過(guò)對(duì)線狀譜的分析,可以獲得羽流成分和相對(duì)含量,譜線的展寬可用于計(jì)算電子密度,再利用碰撞輻射模型和譜線的相對(duì)強(qiáng)度計(jì)算等離子體電子溫度。
但是,需要特別注意的是真空室器壁產(chǎn)生的二次電子會(huì)影響羽流和磁場(chǎng)的構(gòu)型,同時(shí)真空室內(nèi)的中性壓強(qiáng)也是干擾羽流診斷的重要因素。因而,地面試驗(yàn)并不能完全反映實(shí)際空間中電推進(jìn)羽流與航天器作用的情況。
由于地面試驗(yàn)存在的諸多不足,飛行試驗(yàn)就成為必不可少的技術(shù)途徑。美國(guó)、歐洲等紛紛開展衛(wèi)星搭載電推進(jìn)器并配備在軌診斷設(shè)備的方法來(lái)研究羽流與航天器相互作用。例如,法國(guó)的STENTOR通信衛(wèi)星[10]配備了4臺(tái)等離子體推進(jìn)器PPS-1350和SPT-100(如圖5(a)、(b)),用于南北位置保持。
圖5 PPS-1350電推進(jìn)器和SPT-100電推進(jìn)器Fig.5 Electric thrusters of PPS-1350 and SPT-100
為了開展電推進(jìn)系統(tǒng)GEO的飛行試驗(yàn),該衛(wèi)星配置了等離子體診斷包(PDP,如圖6所示),其中包括遲滯電位分析儀、Langmuir探針等診斷設(shè)備,用來(lái)測(cè)量粒子能量分布函數(shù)、等離子體密度、電子溫度、等離子體電位和離子通量等參數(shù)。同時(shí),對(duì)羽流的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以用來(lái)分析電推進(jìn)器在不同工作點(diǎn)時(shí)的性能。
圖6 PDP系統(tǒng)布局示意圖Fig.6 Layout of PDP system
另外,在衛(wèi)星南側(cè)的太陽(yáng)電池板上還搭載了2臺(tái)石英晶體微量天平,分別用金屬銀和二氧化硅薄膜來(lái)測(cè)量氙離子在其上的濺射與沉積率。獲得的飛行數(shù)據(jù)用來(lái)檢驗(yàn)羽流模型和相互作用模型的正確性,這些真實(shí)數(shù)據(jù)也可為衛(wèi)星電推進(jìn)器設(shè)計(jì)和在軌管理提供支持。
考慮到地面模擬試驗(yàn)的局限性和飛行試驗(yàn)的高昂成本,建立羽流仿真模型與開展仿真分析計(jì)算已成為一種有潛力的發(fā)展方向。早在20世紀(jì)90年代起,歐、美國(guó)家就開展了羽流研究相關(guān)軟件工具的開發(fā)工作。
羽流與航天器相互作用仿真分析常用的算法為PIC-MCC方法(如圖7)。該方法利用有限數(shù)目的分子來(lái)代替羽流中的真實(shí)粒子,追蹤每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)分子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況,記錄它們的位置變化和速度變化,而電荷密度和電流密度可以由統(tǒng)計(jì)平均獲得。粒子碰撞過(guò)程采用直接蒙特卡羅方法,利用碰撞截面計(jì)算碰撞后分子速度和能量的改變。
圖7 PIC-MCC方法的計(jì)算流程Fig.7 Flow chart of PIC-MCC process
美國(guó)NASA開發(fā)的NASCAP-2K仿真軟件作為NASCAP/GEO的后續(xù)版本,被廣泛地應(yīng)用于地球同步軌道航天器表面帶電研究。在空間環(huán)境及效應(yīng)(SEE)計(jì)劃支持下,科學(xué)應(yīng)用國(guó)際公司(Science Applications International Corporation,SAIC)開發(fā)了一套交互式仿真計(jì)算軟件——電推進(jìn)相互作用代碼[11](Electric Propulsion Interactions Code,EPIC),作為NASCAP-2K軟件的組成部分。該軟件包含有航天器三維建模、航天器表面與電推進(jìn)羽流相互作用評(píng)估等功能。EPIC用一個(gè)統(tǒng)一的交互界面集成了多種外部計(jì)算工具,例如利用流體方法模塊可以計(jì)算電推進(jìn)羽流的二維擴(kuò)散分布,再利用PIC模塊計(jì)算交換電荷分布等。
作為電推進(jìn)羽流專用分析軟件工具,EPIC的輸入條件包括航天器幾何結(jié)構(gòu)和表面材料、推進(jìn)器位置和羽流參數(shù)、仿真對(duì)象參數(shù)(比如濺射系數(shù)、軌道參數(shù)、推進(jìn)器工作時(shí)間等)??梢垣@得的結(jié)果包括:空間中電推進(jìn)羽流輪廓線,航天器表面相互作用(如表面腐蝕、加熱等),沿表面一維分布圖(如太陽(yáng)電池陣腐蝕深度隨電池陣與推進(jìn)器之間距離的分布關(guān)系)等。
EPIC開發(fā)人員還與噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室合作,將“深空一號(hào)”離子推進(jìn)器的飛行試驗(yàn)結(jié)果與EPIC仿真結(jié)果進(jìn)行比對(duì),數(shù)據(jù)吻合良好。飛行試驗(yàn)與仿真計(jì)算結(jié)果均證實(shí)了推進(jìn)器交換電荷等離子體在空間的密度遠(yuǎn)小于真空室模擬試驗(yàn)測(cè)得的密度。
法國(guó)阿爾卡特宇航公司早在1994年就開始致力于羽流與航天器表面相互作用的研究工作。隨著研究的不斷深入,該公司通過(guò)國(guó)際合作開發(fā)了一系列仿真預(yù)示軟件[12]。這些軟件都是基于理論方法和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)而開發(fā)的,并經(jīng)歷了飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的修正,能夠用來(lái)評(píng)估羽流對(duì)航天器的影響。其主要功能包括計(jì)算航天器動(dòng)力學(xué)效應(yīng)、航天器局域范圍內(nèi)的粒子密度、濺射與誘導(dǎo)污染效應(yīng)、等離子體對(duì)通信信號(hào)干擾作用等。
其他有關(guān)的軟件工具還有“等離子體推進(jìn)器相互作用”(Interaction Spacecraft Propulsion,ISP)軟件和“人工等離子體環(huán)境靜電充電”(Electro Static Charging in Artificial Plasma Environment,ESCAPE)軟件。ISP是課題組與俄羅斯莫斯科飛行研究所合作開發(fā)的軟件,用于評(píng)估電推進(jìn)羽流效應(yīng)。ESCAPE是課題組與莫斯科應(yīng)用力學(xué)與電動(dòng)力學(xué)研究所合作開發(fā)的軟件,用于計(jì)算GEO電推進(jìn)等離子體引起的表面電荷和航天器電位變化,其主要輸入條件除了航天器的幾何結(jié)構(gòu)、表面材料性質(zhì)、GEO環(huán)境參數(shù)等之外,還有推進(jìn)器位置、羽流的方向、粒子的角度和速度以及電流密度分布。輸出結(jié)果包括:表面電位和表面單位電場(chǎng)隨時(shí)間的變化,表面單位電流(各種粒子流)密度隨時(shí)間的變化,表面電位和電場(chǎng)強(qiáng)度的三維顯示,電推進(jìn)發(fā)射的電子和離子軌跡等。
美國(guó)、歐空局、俄羅斯和日本等航天大國(guó)或機(jī)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)表明:了解電推進(jìn)羽流與航天器相互作用的機(jī)理,并對(duì)其帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)程度進(jìn)行全面評(píng)估,是確保電推進(jìn)器在航天任務(wù)中成功應(yīng)用的前提條件。國(guó)外除了開展地面模擬試驗(yàn)之外,還開展了大量的空間飛行試驗(yàn),如洛克希德·馬丁公司在商用衛(wèi)星上搭載了表面電位監(jiān)測(cè)儀等監(jiān)測(cè)設(shè)備,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電推進(jìn)器工作對(duì)衛(wèi)星表面電位的影響。同時(shí),開發(fā)了相應(yīng)的軟件仿真工具,為衛(wèi)星設(shè)計(jì)者進(jìn)行電推進(jìn)器設(shè)計(jì)和布局并控制航天器羽流效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)提供了支持??紤]到目前研究現(xiàn)狀,國(guó)內(nèi)急需開展以下兩方面的研究工作:
1)配合地面模擬試驗(yàn)和空間飛行試驗(yàn),建立電推進(jìn)羽流與航天器相互作用仿真分析軟件
根據(jù)美國(guó)NASA、法國(guó)阿爾卡特宇航公司的研發(fā)經(jīng)驗(yàn),仿真軟件開發(fā)過(guò)程中可以廣泛地通過(guò)國(guó)內(nèi)、國(guó)際合作,充分利用空間物理和等離子體材料領(lǐng)域的研究成果(如PIC/MCC模型)或利用歐空局的“航天器等離子體相互作用軟件”(Spacecraft Plasma Interaction Software,SPIS)開發(fā)羽流與航天器相互作用分析工具。同時(shí),還應(yīng)利用衛(wèi)星搭載飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)不斷修正和完善計(jì)算模型,使其更加準(zhǔn)確和方便。
2)開展電推進(jìn)系統(tǒng)的空間環(huán)境適應(yīng)性研究
需要特別指出的是,電推進(jìn)器的應(yīng)用除了要考慮電推進(jìn)羽流與航天器的相容性之外,還需要關(guān)注電推進(jìn)系統(tǒng)本身的空間環(huán)境適應(yīng)能力。對(duì)SMART-1航天器在軌發(fā)生多次異常關(guān)機(jī)事件進(jìn)行故障分析,結(jié)果表明:異常是由電源處理模塊(Power Processing Unit,PPU)中光電耦合器件的單粒子瞬時(shí)效應(yīng)(Single Event Transient,SET)引起的。洛克希德·馬丁公司 Dave Chennette于 2006年3月4日在美國(guó)國(guó)會(huì)作書面報(bào)告時(shí)明確指出,電推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)于高能電子環(huán)境引起的輻射效應(yīng)非常敏感,因此,在發(fā)生高能電子增強(qiáng)事件期間禁止使用電推進(jìn)手段執(zhí)行位置保持的操作。這表明,還需要結(jié)合電推進(jìn)系統(tǒng)自身的功能特點(diǎn)開展空間環(huán)境適應(yīng)性的研究工作,以確保其在空間環(huán)境下運(yùn)行的可靠性。
(References)
[1]Pencil E J.Recent electric propulsion development activities for NASA science mission[C]// IEEE Aerospace Conference, 2009
[2]Dudzinski L A, Pencil E J.Electric propulsion requirements and mission analysis under NASA’s in-space propulsion technology project[C]//30thInternational Electric Propulsion Conference, 2007
[3]Kimiya Komurasaki, Hitoshi Kuninaka.Overview of electric propulsion activities in Japan, AIAA 2007-5166[R]
[4]Rayman M D, Varghese P.Results from the Deep Space 1 technology validation mission[J].Acta Astronautica,2000, 47: 475-487
[5]Markelov G, Gengembre E.Modeling of plasma flow around SMART-1 spacecraft[J].IEEE Transactions on Plasma Science, 2006, 34(5)
[6]Tajmar M.Electric propulsion plasma simulations and influence on spacecraft charging[J].Journal of Spacecraft and Rockets, 2002, 39(6)
[7]Likar J J.Interaction of charged spacecraft with electric propulsion plume: on orbit data and ground test results[J].IEEE Transactions on Nuclear Science, 2006, 53(6)
[8]Dickens J C.Communications impact of Hall effect plasma thrusters[D].UMI Dissertation Services, 1995
[9]Hallock G, Wiley J .Analysis of microwave communication signal degradation induced by thruster plumes[C]//40thJoint Propulsion Conference and Exhibit, 2004
[10]Capacci M, Matticari G, Noci G, et al.An electric propulsion diagnostic package for the characterization of the plasma thruster/ spacecraft interactions on STENTOR satellite, AIAA 99-2277[R]
[11]Mikellides I, Kuharski R, Mandell M, et al.Assessment of spacecraft systems integration use the electric propulsion interactions code(EPIC), AIAA 2002-3667[R]
[12]Sylvie Brosse, Sebastien Clerc, Veronique Perrin.Numerical simulations developed at Alcatel Alenia Space for electric propulsion effects on satellite[C]//The 29thInternational Electric Propulsion Conference, 2005-10