田棟 溫正 魏鑫 蘇宏博

(1 北京理工大學(xué),北京 100081)(2 中國空間技術(shù)研究院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部,北京 100094)

我國自從2012年首次開展電推進(jìn)空間飛行驗(yàn)證任務(wù)后,便開始加緊推動(dòng)電推進(jìn)技術(shù)的工程應(yīng)用。2020年6月,銀河航天公司研制的低軌寬帶通信衛(wèi)星首次采用霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在軌應(yīng)用,衛(wèi)星采用電推進(jìn)技術(shù)執(zhí)行入軌調(diào)整、大范圍軌道轉(zhuǎn)移、長(zhǎng)期軌道保持及離軌等任務(wù),電推進(jìn)系統(tǒng)額定功率215W,額定推力10mN,系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),具有集成度高、質(zhì)量小、成本低等特點(diǎn)。2020年7月,離子電推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)首個(gè)地球同步軌道(GEO)高通量衛(wèi)星的商業(yè)化應(yīng)用,電推進(jìn)系統(tǒng)用于執(zhí)行衛(wèi)星15年的南北位置保持任務(wù),同時(shí)兼顧軌道機(jī)動(dòng)的救援能力、軌道位置調(diào)整及衛(wèi)星末期離軌任務(wù)。該電推進(jìn)系統(tǒng)額定功率1000W,額定推力40mN,額定比沖3000s,采用多冗余可調(diào)推力矢量設(shè)計(jì)方案,具有比沖高、運(yùn)行壽命長(zhǎng)、自主位置保持、自主故障檢測(cè)及處理等特點(diǎn)。目前,越來越多的高低軌衛(wèi)星采用電推進(jìn)作為其主要的動(dòng)力系統(tǒng),標(biāo)志著電推進(jìn)已經(jīng)進(jìn)入到一個(gè)大規(guī)模工程應(yīng)用階段。

電推進(jìn)具有高比沖、高總沖優(yōu)勢(shì),而且可以滿足位置保持、軌道轉(zhuǎn)移、大氣阻力補(bǔ)償?shù)葞缀跛锌臻g動(dòng)力需求。因此,配置電推進(jìn)系統(tǒng)已經(jīng)成為衡量通信衛(wèi)星先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一。衛(wèi)星任務(wù)剖面的不同,以及衛(wèi)星平臺(tái)功率的差異,對(duì)電推進(jìn)系統(tǒng)的推力、比沖等的需求是不同的。主流的霍爾電推進(jìn)與離子電推進(jìn)相比,具有推功比高、供電電壓低、絕緣耐壓設(shè)計(jì)及電路模塊設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單、整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)質(zhì)量較小、衛(wèi)星布局相對(duì)靈活等特點(diǎn),適用于全電推進(jìn)衛(wèi)星軌道機(jī)動(dòng)及維持,以及輕量級(jí)低軌衛(wèi)星星座軌道保持等任務(wù)。主流離子電推進(jìn)具有推重比高、比沖高、壽命長(zhǎng)、微推力精確調(diào)姿、效率高等特點(diǎn),比較適用于具有長(zhǎng)壽命要求的大承載比GEO衛(wèi)星的姿態(tài)控制、軌道維持和軌道轉(zhuǎn)移、位置保持等任務(wù);對(duì)于提升衛(wèi)星的承載能力及通信載荷精確指向控制等方面具有很好的優(yōu)勢(shì),同樣也適用于全電推進(jìn)衛(wèi)星及低軌衛(wèi)星平臺(tái)。目前,霍爾及離子電推進(jìn)的技術(shù)發(fā)展型譜很廣,能覆蓋從百瓦至幾十千瓦功率需求的通信衛(wèi)星在軌應(yīng)用。

本文重點(diǎn)結(jié)合高低軌通信衛(wèi)星任務(wù)特點(diǎn),從衛(wèi)星載荷對(duì)平臺(tái)配置的需求、空間任務(wù)定位、離子和霍爾電推進(jìn)技術(shù)產(chǎn)品特點(diǎn)、高低軌空間環(huán)境差異等角度分析了電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用重點(diǎn)應(yīng)該考慮的設(shè)計(jì)要素。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合國內(nèi)發(fā)展,提出有我國電推進(jìn)規(guī)模化應(yīng)用的發(fā)展建議。

1 通信衛(wèi)星的電推進(jìn)應(yīng)用特點(diǎn)

按照軌道高度的不同,衛(wèi)星可以分為:低地球軌道(LEO)衛(wèi)星,軌道高度300～2000km;中地球軌道(MEO)衛(wèi)星,軌道高度2000～36000km;GEO衛(wèi)星,軌道高度為36000km。導(dǎo)航衛(wèi)星大都運(yùn)行在MEO,運(yùn)轉(zhuǎn)周期在2～24h,導(dǎo)航衛(wèi)星定點(diǎn)之后對(duì)位置保持和姿態(tài)精度的要求不高,對(duì)軌道維護(hù)的需求相對(duì)較小。雖然導(dǎo)航衛(wèi)星上也有采用電推進(jìn)執(zhí)行軌道轉(zhuǎn)移等任務(wù)的案例,但暫不在本文討論范疇。本文重點(diǎn)分析運(yùn)行在GEO和LEO的通信衛(wèi)星任務(wù)需求。表1統(tǒng)計(jì)了近幾年電推進(jìn)技術(shù)在相應(yīng)通信衛(wèi)星平臺(tái)上的典型應(yīng)用情況。

表1 電推進(jìn)技術(shù)在通信衛(wèi)星平臺(tái)上的典型應(yīng)用情況Table 1 Typical applications of electric propulsion technology on communications satellite platforms

1.1 GEO通信衛(wèi)星電推進(jìn)應(yīng)用特點(diǎn)

通信衛(wèi)星按頻段大致可分為寬帶通信衛(wèi)星和窄帶通信衛(wèi)星。寬帶衛(wèi)星具備全球覆蓋區(qū)域內(nèi)的大容量、高速率通信能力,可提供C頻段、X頻段、Ku頻段及Ka頻段的高質(zhì)量語音、圖像、視頻、數(shù)據(jù)等通信傳輸服務(wù),實(shí)現(xiàn)高速雙向通信和信息廣播服務(wù)。窄帶通信衛(wèi)星可支持話音和數(shù)據(jù)移動(dòng)通信,實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信終端手持化。該類衛(wèi)星一般配置大型可展開多波束天線,通過星地一體化實(shí)現(xiàn)全球覆蓋,多個(gè)終端用戶通過極高頻(UHF)向衛(wèi)星發(fā)送信號(hào),地面站則采用Ka頻段與衛(wèi)星通信。目前,商業(yè)市場(chǎng)主打Ku頻段或Ka頻段的高通量衛(wèi)星,這是未來擴(kuò)大衛(wèi)星帶寬資源的重要手段,其帶寬超過吉比特每秒吞吐量量級(jí),每個(gè)終端通量超過百兆比特每秒量級(jí)。GEO通信衛(wèi)星通信的全球性、多頻段、多用途、多系統(tǒng)、星間組網(wǎng)是未來衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展的主要方向,可全面用于不同海陸空各類固定和移動(dòng)終端的大容量雙向通信和信息廣播服務(wù)?？梢?載荷多任務(wù)特點(diǎn)對(duì)衛(wèi)星承載能力及平臺(tái)姿態(tài)穩(wěn)定性提出了更高要求。電推進(jìn)技術(shù)在提升衛(wèi)星平臺(tái)載干比及精確指向調(diào)節(jié)方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。

在GEO通信衛(wèi)星領(lǐng)域,依據(jù)衛(wèi)星平臺(tái)系統(tǒng)配置的不同,主要分為采用混合推進(jìn)的平臺(tái)配置和采用全電推的平臺(tái)配置2類。其中:混合推進(jìn)平臺(tái)衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量一般在5～6t,載荷質(zhì)量較大且功能全面。采用混合推進(jìn)的衛(wèi)星全生命周期內(nèi)的位置保持任務(wù)一般是由電推進(jìn)來完成的。相對(duì)以往采用純化學(xué)推進(jìn)方式的衛(wèi)星平臺(tái),這種混合推進(jìn)模式可以有效提升衛(wèi)星的載荷質(zhì)量,且對(duì)衛(wèi)星微振動(dòng)影響很小,能滿足激光終端等各類復(fù)雜載荷工作和長(zhǎng)期在軌穩(wěn)定運(yùn)行的要求;而全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)發(fā)射質(zhì)量一般在2～5t,最大的優(yōu)點(diǎn)是大功率、高承載比、輕量化,即衛(wèi)星平臺(tái)質(zhì)量降低,載荷質(zhì)量可以大幅提升。相對(duì)于化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng),采用全電推進(jìn)系統(tǒng)可將衛(wèi)星干質(zhì)量占比提升至75%,有效載荷質(zhì)量還能進(jìn)一步提升,而且衛(wèi)星平臺(tái)可以小型化,實(shí)現(xiàn)一箭多星。如Eutelsat-172B采用全電推進(jìn),整星質(zhì)量?jī)H為3551kg;若采用化學(xué)推進(jìn),質(zhì)量至少為6000kg。因此,全電推進(jìn)使得衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量減少40%以上,發(fā)射成本降低約30%,衛(wèi)星總的研制費(fèi)用降低近10%。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),在2017年之后,2～5t在軌應(yīng)用的主流全電推進(jìn)衛(wèi)星就超過了30顆,占比日益提升,而混合推進(jìn)模式通信衛(wèi)星占比則有逐漸減少的趨勢(shì)。目前,比較成熟的全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)包括:中國的東方紅三號(hào)E;美國Boeing公司的BSS-702SP;歐洲ADS公司的Eurostar-3000 EOR;俄羅斯ISSR公司的Express-1000,2000;法國TAS公司的Spacebus-NEO;德國OHB公司的SGEO[1-5]。另外,日本三菱公司的工程試驗(yàn)衛(wèi)星-9(ETS-9)也是全電推進(jìn)衛(wèi)星。全電推進(jìn)衛(wèi)星的應(yīng)用近幾年還有一個(gè)顯著特點(diǎn),那就是初始變軌的軌道高度隨著運(yùn)載能力的增強(qiáng)而不斷得到提高,全電推進(jìn)衛(wèi)星的快速入軌時(shí)間日趨縮短。GEO通信衛(wèi)星方面,本文將重點(diǎn)針對(duì)全電推進(jìn)衛(wèi)星的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用進(jìn)行闡述和分析。

1.2 LEO通信衛(wèi)星電推進(jìn)應(yīng)用特點(diǎn)

LEO通信衛(wèi)星星座是多顆衛(wèi)星組成的具有廣播功能、以互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用為服務(wù)對(duì)象的互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星群。星座具有通信覆蓋廣、容量大、不受地域影響、傳輸延時(shí)短、路徑損耗小、頻率復(fù)用更有效等特點(diǎn),作為地面通信的補(bǔ)充手段實(shí)現(xiàn)用戶接入互聯(lián)網(wǎng),可有效解決偏遠(yuǎn)山區(qū)、海上、空中等用戶的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)問題。

LEO通信衛(wèi)星星座帶來了一系列的顛覆性技術(shù)變革及商業(yè)變革,不僅帶動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)接入等地面產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展,還促進(jìn)了軍事海事通信、航空機(jī)載、無人機(jī)等隱形市場(chǎng)的技術(shù)突破。同時(shí),引入的模塊化輕量化集成、商用現(xiàn)貨(COTS)元件應(yīng)用、智能裝配應(yīng)用等智能制造技術(shù),進(jìn)一步降低了LEO通信衛(wèi)星的研制成本和商業(yè)門檻。這些技術(shù)變革也影響了電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展路線的轉(zhuǎn)變,需要更快適應(yīng)星座規(guī)?；男枨?真正實(shí)現(xiàn)電推進(jìn)系統(tǒng)商業(yè)化。

以Starlink衛(wèi)星星座為例,近期的衛(wèi)星配置為:每顆衛(wèi)星配備Ku頻段和Ka頻段有效載荷,且包含多副高通量相控陣天線,采用激光星間鏈路和數(shù)字處理技術(shù),使信號(hào)能夠在軌道上的衛(wèi)星之間高速傳輸,且每顆Starlink衛(wèi)星上的所有Ku頻段下行鏈路點(diǎn)波束都可以實(shí)現(xiàn)在地球覆蓋區(qū)的獨(dú)立調(diào)整,即便多顆損毀也不影響全局通信,這為衛(wèi)星的軍事應(yīng)用提供了極大的便利。此外,LEO通信衛(wèi)星星座在軍事導(dǎo)航增強(qiáng)、多目標(biāo)跟蹤功能、頻率復(fù)用能力及多用戶支持、生存能力等方面優(yōu)勢(shì)也很顯著。在全面部署后預(yù)計(jì)可提供高達(dá)約±57°緯度的信號(hào)覆蓋區(qū)域,加上極地軌道上的衛(wèi)星,可輕松實(shí)現(xiàn)低成本全球覆蓋。由此可見,LEO通信衛(wèi)星星座可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、有效、快速的部署。Starlink衛(wèi)星最主要的動(dòng)力系統(tǒng)是采用300～500W功率的霍爾電推進(jìn)執(zhí)行軌道提升及離軌等操作。LEO通信衛(wèi)星星座投產(chǎn)數(shù)量巨大,需要在短時(shí)間內(nèi)部署很多顆衛(wèi)星,這就對(duì)電推進(jìn)系統(tǒng)批產(chǎn)化提出了很高的要求。對(duì)于電推進(jìn)而言,需要簡(jiǎn)化試驗(yàn)、降低成本,提高產(chǎn)品的模塊化、集成化設(shè)計(jì)水平,還需要有很高的可靠度和成熟度。目前,除了Starlink衛(wèi)星星座技術(shù)迭代快、相對(duì)成熟外,其他星座仍在解決批產(chǎn)化及低成本制造問題。截至2023年年初,Starlink衛(wèi)星在軌總量已超過3000顆。LEO空間環(huán)境具有大氣阻尼大且波動(dòng)范圍廣、原子氧濃度高等特點(diǎn),電推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要綜合考慮全任務(wù)周期內(nèi)的自主大氣阻尼補(bǔ)償、超精細(xì)定向和高精度控制等要求。

2 電推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

根據(jù)上述通信衛(wèi)星任務(wù)特點(diǎn),電推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)環(huán)節(jié)。

2.1 任務(wù)剖面匹配性設(shè)計(jì)

2.1.1 GEO通信衛(wèi)星飛行任務(wù)剖面分析

從圖1的全電推進(jìn)GEO通信衛(wèi)星飛行任務(wù)剖面來看,可以從3個(gè)角度展開分析。

圖1 GEO通信衛(wèi)星飛行任務(wù)剖面Fig.1 GEO communications satellite flight mission profile

(1)星箭分離點(diǎn)設(shè)計(jì)很關(guān)鍵,需要在運(yùn)載包絡(luò)允許的整星質(zhì)量和體積約束的前提下去設(shè)計(jì)電推進(jìn)入軌周期,早期任務(wù)設(shè)計(jì)受限于運(yùn)載能力,更多地考慮全周期從LEO至GEO的軌道轉(zhuǎn)移策略。這種策略往往變軌時(shí)間周期較長(zhǎng)(8～10個(gè)月),這就帶來一定的設(shè)計(jì)防護(hù)負(fù)擔(dān),比如太陽翼為了降低范艾倫輻射帶損傷所額外的加固設(shè)計(jì),以及功率衰減預(yù)算等多因素變量的設(shè)計(jì)。隨著上面級(jí)技術(shù)的日趨成熟及運(yùn)載能力的提升,近幾年的軌道轉(zhuǎn)移策略更多通過上面級(jí)送至地球靜止轉(zhuǎn)移軌道(GTO)或者更高的軌道高度,再通過電推進(jìn)實(shí)現(xiàn)從GTO至GEO的變軌任務(wù),大大縮短了衛(wèi)星入軌周期并降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。例如:2020年俄羅斯一箭雙星發(fā)射的Express-80和Express-103,通過上面級(jí)將衛(wèi)星送至近地點(diǎn)16600km、遠(yuǎn)地點(diǎn)54900km的超GTO,隨后通過電推進(jìn)將衛(wèi)星送至目標(biāo)軌道[6]。

(2)不管采用哪類電推進(jìn)系統(tǒng),其功耗基本正比于推力器推力和比沖的乘積。衛(wèi)星能提供給電推進(jìn)的功率是有限的,這就要求在進(jìn)行衛(wèi)星電推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),必須在推力和比沖之間進(jìn)行權(quán)衡。全電推進(jìn)衛(wèi)星在執(zhí)行大范圍軌道轉(zhuǎn)移期間載荷不工作,而衛(wèi)星需要在軌道高度較低的區(qū)域盡可能短的時(shí)間內(nèi)穿越范艾倫輻射帶,減少質(zhì)子等高能粒子沖擊,同時(shí)開展低軌碰撞規(guī)避的測(cè)軌保障設(shè)計(jì),前期的抬升半長(zhǎng)軸就需要通過大推力高功率工作模式進(jìn)行長(zhǎng)期工作來實(shí)現(xiàn)。通常來說,2t以上衛(wèi)星的上述任務(wù)需要采用5千瓦量級(jí)的多模式電推進(jìn)系統(tǒng),目前國際上的全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)可采用的主流推力器包括離子推力器XIPS-25和LIPS-300,以及霍爾推力器XR-5、PPS-5000[7]或SPT-140[8]。軌道轉(zhuǎn)移期間不僅需要電推進(jìn)系統(tǒng)在非地影期具備持續(xù)工作的能力,而且因?yàn)楹芏嗖豢梢娀《诬壍赖拇嬖?還需要電推進(jìn)系統(tǒng)具有自主測(cè)定軌、自主飛行的能力。

(3)在抬升半長(zhǎng)軸、調(diào)整軌道傾角期間,衛(wèi)星需要經(jīng)歷不同的光照環(huán)境及軌道空間環(huán)境,電推進(jìn)系統(tǒng)長(zhǎng)期自主飛控和姿態(tài)調(diào)整還需要依據(jù)整星功率變化,以實(shí)現(xiàn)連續(xù)變推力補(bǔ)償,通過流率、電流組合調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)寬范圍、高精度推力連續(xù)調(diào)節(jié);衛(wèi)星定點(diǎn)前,電推進(jìn)系統(tǒng)還需要執(zhí)行偏心率調(diào)整、漂星、軌道位置調(diào)整等任務(wù),衛(wèi)星在定點(diǎn)后長(zhǎng)期的位置保持及動(dòng)量卸載等任務(wù)也需要電推進(jìn)來完成,而且整星功率大部分分配給星上載荷,需要電推進(jìn)系統(tǒng)工作在低功率、高比沖模式,以降低功率需求并最大程度地節(jié)約推進(jìn)劑。

2.1.2 LEO通信衛(wèi)星飛行任務(wù)剖面分析

LEO通信衛(wèi)星飛行任務(wù)剖面如圖2所示。從任務(wù)剖面看,在星箭分離后,衛(wèi)星需要通過電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行軌道抬升(含半長(zhǎng)軸、偏心率偏差修正)和傾角修正。隨后,進(jìn)入停泊軌道,衛(wèi)星開始進(jìn)行在軌測(cè)試和自主健康診斷。在完成測(cè)試后,再次通過電推進(jìn)執(zhí)行軌道機(jī)動(dòng)任務(wù),直至進(jìn)入工作軌道,期間衛(wèi)星經(jīng)歷相位調(diào)整、軌道抬升、傾角修正、升交點(diǎn)赤經(jīng)修正和位置捕獲等。衛(wèi)星在工作軌道上還需要通過電推進(jìn)執(zhí)行占位保持,即保證每顆衛(wèi)星在一定精度范圍內(nèi)保持沿參考軌道運(yùn)行,從而保證整個(gè)星座構(gòu)型不變;或者根據(jù)任務(wù)需求通過半長(zhǎng)軸偏置實(shí)現(xiàn)對(duì)相位角偏差的控制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)同軌道面衛(wèi)星相位維持;或者通過傾角偏置實(shí)現(xiàn)對(duì)升交點(diǎn)赤經(jīng)偏差的控制,從而實(shí)現(xiàn)異軌道面衛(wèi)星相位維持。最后,到任務(wù)末期,對(duì)軌道的近地點(diǎn)高度和遠(yuǎn)地點(diǎn)高度進(jìn)行調(diào)整,采用電推進(jìn)降低衛(wèi)星的軌道高度,實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星離軌再入大氣層燒毀。

LEO空間環(huán)境具有大氣阻尼大且波動(dòng)范圍廣、原子氧濃度高等特點(diǎn),軌道高度200km與300km相比,大氣密度大將近2個(gè)數(shù)量級(jí),大氣阻尼差異明顯,而且同一軌道高度波動(dòng)也較大,地磁風(fēng)暴造成不同時(shí)刻阻尼特性差異,這就需要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)的響應(yīng)敏感,而且具備一定的可變推力調(diào)整能力及閉環(huán)控制能力。采用電推進(jìn)系統(tǒng)配置,可以滿足衛(wèi)星任務(wù)全過程的大氣阻尼補(bǔ)償、超精細(xì)定向和高精度控制等要求,顯著增加有效載荷質(zhì)量,延長(zhǎng)衛(wèi)星壽命。

由于衛(wèi)星任務(wù)剖面復(fù)雜多樣,只有充分了解全周期使用場(chǎng)景,識(shí)別所有的可能工況和環(huán)境條件變化,才能有效判斷出產(chǎn)品在衛(wèi)星上應(yīng)用的特點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)。通常的衛(wèi)星任務(wù)剖面分析要求全面梳理產(chǎn)品從交付后到壽命末期各環(huán)節(jié)經(jīng)歷的所有使用工況、工作模式、環(huán)境條件等,具體包括:①使用工況應(yīng)覆蓋產(chǎn)品使用時(shí)可能出現(xiàn)的所有工作狀態(tài),并考慮正常和非正常使用工況,覆蓋最惡劣工況。②工作模式應(yīng)包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài),以及不同功率、不同頻率等情況。③環(huán)境條件應(yīng)覆蓋產(chǎn)品使用的所有環(huán)境因素,包括地面貯存、測(cè)試、發(fā)射、在軌等全部環(huán)節(jié)。例如:應(yīng)區(qū)分不同軌道高度空間環(huán)境的差異,LEO空間環(huán)境為稀薄大氣,具有空氣阻尼大、原子氧濃度高等特點(diǎn);GEO環(huán)境具有高能等離子體及季節(jié)性、復(fù)雜表面充放電、單粒子效應(yīng)等特點(diǎn),對(duì)產(chǎn)品原材料、元器件、生產(chǎn)工藝等的影響具有復(fù)雜性和多樣性。

對(duì)衛(wèi)星飛行任務(wù)剖面完整的裕度剖析,有針對(duì)性的安全邊界設(shè)計(jì),是決定任務(wù)成敗的關(guān)鍵。2022年2月,Starlink衛(wèi)星在210km軌道高度受地磁暴等因素影響,受低高度大氣阻力作用,氪工質(zhì)霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)無法脫離安全模式執(zhí)行軌道抬升任務(wù),從而導(dǎo)致部分衛(wèi)星再入大氣層燒毀。推測(cè)該故障原因,一方面,爆發(fā)高能電子暴時(shí),GEO和MEO大于2MeV的高能電子通量一般會(huì)比平靜狀態(tài)下高2～3個(gè)數(shù)量級(jí),這就會(huì)加劇高能粒子沉降和焦耳加熱等過程,使低層大氣受熱膨脹,引起高層大氣密度增加,通常在210km高度的大氣密度晝夜變化幅度可達(dá)到20%,疊加小地磁暴(地磁爆強(qiáng)度指數(shù)為5),阻力上升約10%;另一方面,Starlink衛(wèi)星面質(zhì)比約為0.0733,比一般LEO通信衛(wèi)星高出約10倍(衛(wèi)星日均軌道衰減量與大氣密度、面質(zhì)比均呈正比關(guān)系),因此軌道衰減量偏大,導(dǎo)致對(duì)大氣阻力敏感度進(jìn)一步增加。上述2個(gè)因素導(dǎo)致推進(jìn)與控制策略對(duì)復(fù)雜工況下的裕度設(shè)計(jì)存在不足,加上故障預(yù)案存在缺陷,最終導(dǎo)致衛(wèi)星的隕落。

2.2 電推進(jìn)與整星匹配性設(shè)計(jì)

電推進(jìn)與整星的匹配性設(shè)計(jì)主要考慮電推進(jìn)供電電源及推力器工作過程的電磁兼容性,電推力器工作產(chǎn)生的羽流等離子體對(duì)通信等載荷鏈路的影響特性,以及電推進(jìn)瞬態(tài)工作的一些動(dòng)態(tài)特性(例如閃爍(放電擾動(dòng))、啟動(dòng)浪涌),還有對(duì)供配電及控制系統(tǒng)的影響等。霍爾推力器以SPT-100為例,其陽極與勵(lì)磁采用串聯(lián)設(shè)計(jì),如果內(nèi)磁極磁場(chǎng)強(qiáng)度存在偏小問題,有可能會(huì)引起放電電流和勵(lì)磁電流工作模態(tài)耦合問題,從而加大陽極振蕩,形成放電擾動(dòng),導(dǎo)致一些系統(tǒng)性的故障關(guān)機(jī)問題。另外,霍爾推力器長(zhǎng)期工作在放電室通道內(nèi)壁的陶瓷結(jié)構(gòu)還會(huì)累積受高能等離子侵蝕影響,磁約束的設(shè)計(jì)差異會(huì)加劇刻蝕過程產(chǎn)生的沉積物,沉積物脫落會(huì)在放電通道內(nèi)與等離子體碰撞,也會(huì)產(chǎn)生放電擾動(dòng),從而導(dǎo)致推力器陽極電流出現(xiàn)瞬時(shí)的大電流沖擊,易觸發(fā)電源保護(hù),甚至影響到整星供電安全及姿態(tài)控制精度。據(jù)了解,Fakel在設(shè)計(jì)霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)時(shí),對(duì)放電擾動(dòng)進(jìn)行了精確測(cè)量,給出了瞬態(tài)峰值電流及響應(yīng)脈寬,供電電源輸出輸入端進(jìn)行了軟硬件的保護(hù)電路設(shè)計(jì)。對(duì)于離子推力器而言,柵極間的放電閃爍是離子推力器柵極間強(qiáng)電場(chǎng)的局部瞬時(shí)畸變引起的,屬于離子推力器的固有工作狀態(tài),會(huì)受溫度梯度帶來的間距變化、材料出氣產(chǎn)生的局部低氣壓區(qū),以及放電室材料濺射、柵極表面微突起、多余物等因素影響,影響因素多會(huì)加劇出現(xiàn)相對(duì)頻繁的非預(yù)期性閃爍問題,閃爍瞬間同樣產(chǎn)生大電流沖擊,從而可能會(huì)影響整星供電安全。電推進(jìn)羽流對(duì)衛(wèi)星的影響主要包括:羽流等離子對(duì)衛(wèi)星表面的力矩干擾、熱輻射、濺射腐蝕、表面電位影響,以及對(duì)星敏感器的光干擾和對(duì)通信頻段的影響等,因此需要在衛(wèi)星研制初期開展電推進(jìn)電磁輻射發(fā)射與衛(wèi)星兼容性分析,并輔助必要的試驗(yàn)進(jìn)行電推進(jìn)羽流的綜合評(píng)估。

2.3 布局設(shè)計(jì)

一方面,衛(wèi)星的布局優(yōu)化要求電推力器工作時(shí)的綜合效率盡可能高,以減小推進(jìn)劑的攜帶量;另一方面,當(dāng)實(shí)施軌道控制任務(wù)時(shí),電推進(jìn)工作時(shí)的干擾力和干擾力矩要盡可能小,才能保證電推力器工作期間衛(wèi)星的姿態(tài)控制精度滿足衛(wèi)星指標(biāo)要求。通常,GEO通信衛(wèi)星電推進(jìn)系統(tǒng)的主任務(wù)是執(zhí)行位置保持,為了提高綜合效率,電推進(jìn)系統(tǒng)一般選擇在軌道的升交點(diǎn)和降交點(diǎn)附近工作,點(diǎn)火過程產(chǎn)生向南或者向北的速度分量與衛(wèi)星軌道傾角方向的速度分量合成的最終速度使得軌道傾角下壓,同時(shí)衛(wèi)星在軌道面內(nèi)產(chǎn)生的法向分量會(huì)因?yàn)樯到稽c(diǎn)對(duì)稱工作而得到相互抵消,以消除衛(wèi)星軌道偏心率的漂移。這種對(duì)稱點(diǎn)火的方式還需要通過矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)保證點(diǎn)火推力器推力矢量經(jīng)過衛(wèi)星質(zhì)心,從而避免電推力器工作帶來的姿態(tài)擾動(dòng)。電推進(jìn)系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)還需要保證衛(wèi)星表面的光學(xué)敏感器和太陽翼等不受電推力器的羽流污染,且羽流對(duì)太陽翼的附加干擾力矩盡量小,推力器布局時(shí)應(yīng)避免其工作時(shí)的熱量對(duì)周圍部件造成不利影響。

單一位置保持任務(wù)的典型布局設(shè)計(jì)如圖3所示,推力器對(duì)稱布置在衛(wèi)星南北板,推力矢量方向指向衛(wèi)星質(zhì)心。典型應(yīng)用包括中國的東方紅四號(hào)增強(qiáng)衛(wèi)星平臺(tái)、美國Boeing公司的BSS-601HP衛(wèi)星平臺(tái)、Loral Space公司的SSL-1300衛(wèi)星平臺(tái)[9]、歐洲ADS公司的Eurostar-3000衛(wèi)星平臺(tái)、法國TAS公司[9]的Spacebus-4000衛(wèi)星平臺(tái),以及ADS公司和TAS公司聯(lián)合開發(fā)的阿爾法平臺(tái)(Alphabus)等。

圖3 GEO通信衛(wèi)星電推進(jìn)布局方案一Fig.3 Layout scheme one for GEO communications satellite electric propulsion

為了兼顧軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)需求,還有一種布局方案是采用多自由度機(jī)械臂,在提高衛(wèi)星收攏狀態(tài)的高收納比、提高整流罩空間利用率的同時(shí),進(jìn)一步提升在軌大范圍推力指向的調(diào)整能力和推力效率,通過高精度、微推進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星載荷的高精度指向調(diào)整。例如,美國Loral Space公司設(shè)計(jì)的可展開式推力矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),電推力器在完全展開狀態(tài)下推力器指向-Z方向(如圖4所示),可以用于變軌任務(wù)的同時(shí)兼顧位置保持任務(wù)。EuroStar NEO衛(wèi)星平臺(tái)配置的PPS-5000霍爾推力器也采用這種布局方式,多自由度展開式矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以降低電推力器對(duì)整星集成的影響,降低羽流對(duì)太陽翼的干擾力矩、濺射沉積等影響,可以實(shí)現(xiàn)軌道傾角和偏心率控制及動(dòng)量輪卸載,較大程度提高電推進(jìn)效率;缺點(diǎn)是增加了系統(tǒng)復(fù)雜度及失效風(fēng)險(xiǎn),熱控系統(tǒng)較為復(fù)雜,而且電推進(jìn)管路變長(zhǎng),管路氙氣工質(zhì)的流阻增加,對(duì)比沖等系統(tǒng)性能指標(biāo)存在一定的影響。

圖4 GEO通信衛(wèi)星電推進(jìn)布局方案2Fig.4 Layout scheme two for GEO communications satellite electric propulsion

第3種布局方式是將電推力器布置于背地板上,4臺(tái)推力器成對(duì)對(duì)稱安裝在背地板4邊,2臺(tái)推力器在北側(cè),2臺(tái)推力器在南側(cè),如圖5所示。這種方案較多應(yīng)用在混合推進(jìn)的衛(wèi)星平臺(tái)上,便于實(shí)現(xiàn)軌道傾角(南北位置保持)、漂移率和偏心率控制(東西位置保持)功能,同時(shí)也可以較好地兼顧輔助軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)。典型應(yīng)用有中國的東方紅五號(hào)衛(wèi)星平臺(tái),美國Boeing公司的BSS-702HP衛(wèi)星平臺(tái)及BSS-702SP衛(wèi)星平臺(tái)。其優(yōu)點(diǎn)是在升降交點(diǎn)執(zhí)行南北位置保持時(shí)可以在傾角控制的同時(shí)控制偏心率和東西漂移,還可以實(shí)現(xiàn)角動(dòng)量卸載功能;缺點(diǎn)是冗余備份能力不足,當(dāng)其中1臺(tái)推力器失效時(shí),推力器提供的速度增量需求需要增加約1.5倍。

圖5 GEO通信衛(wèi)星電推進(jìn)布局方案3Fig.5 Layout scheme three for GEO communications satellite electric propulsion

一些特殊的布局方式(如圖6所示),因?yàn)樘厥獾妮d荷布局限制等原因,將推力器布置在南北/東西板的4個(gè)側(cè)棱上,例如洛馬(Lockheed Martin)公司A2100M衛(wèi)星平臺(tái)的先進(jìn)極高頻(AEHF)系列衛(wèi)星,以及俄羅斯的Express衛(wèi)星。這類布局方式需要依據(jù)衛(wèi)星質(zhì)心來布置推力器安裝的Z向高度,用于消除或減少徑向分量的影響,當(dāng)用于變軌時(shí),衛(wèi)星飛行方向?yàn)?X向。該布局方式的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)整星整體布局有利,尤其對(duì)于復(fù)雜星外載荷及敏感器布局而言,羽流對(duì)背地板及對(duì)地板的載荷影響最小,載荷工作區(qū)域包絡(luò)大;缺點(diǎn)是盡管兼顧了方案3的功能,但綜合效率相對(duì)較低,受質(zhì)心在軌不確定度影響較大,控制算法較為復(fù)雜。

圖6 GEO通信衛(wèi)星電推進(jìn)布局方案4Fig.6 Layout scheme four for GEO communications satellite electric propulsion

2.4 長(zhǎng)壽命高可靠設(shè)計(jì)

從整個(gè)飛行任務(wù)剖面來看,電推進(jìn)應(yīng)用的通信衛(wèi)星執(zhí)行的任務(wù)剖面往往覆蓋包括升軌離軌等在內(nèi)的整個(gè)衛(wèi)星全生命周期。電推進(jìn)系統(tǒng)高可靠長(zhǎng)壽命是衛(wèi)星應(yīng)用成敗的關(guān)鍵和基石?？煽啃詥栴}通常圍繞故障識(shí)別和恢復(fù)展開,工程上一般在正向設(shè)計(jì)復(fù)核的基礎(chǔ)上通過增加環(huán)境條件考核及工況拉偏等方式,尋找系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)和失效方式的過程。只有識(shí)別和解決了故障機(jī)理,才能提升產(chǎn)品可靠性;壽命問題通常是產(chǎn)品隨著環(huán)境交變或者關(guān)鍵部組件的工作損耗導(dǎo)致的一種磨損或者退化的機(jī)制,工程上一般需要盡可能量化這些機(jī)制與時(shí)間相關(guān)的規(guī)律,通過設(shè)計(jì)裕度的保證降低失效發(fā)生的概率。可靠性設(shè)計(jì)是在產(chǎn)品功能特性分析的基礎(chǔ)上開展保證產(chǎn)品可靠性所采取的冗余設(shè)計(jì)、降額設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)等措施,以及失效對(duì)功能和性能實(shí)現(xiàn)的影響;壽命分析則是分析產(chǎn)品設(shè)計(jì)壽命,識(shí)別決定其壽命的特性,如磨損、腐蝕、疲勞、最大應(yīng)力、參數(shù)漂移、雜質(zhì)、離子輻射反應(yīng)及老化等的影響。為此,需要結(jié)合衛(wèi)星應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)分析電推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)各個(gè)環(huán)節(jié)故障發(fā)生的可能機(jī)理及對(duì)策。

故障模式的識(shí)別與設(shè)計(jì)是高可靠設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。以陰極為例,陰極失效故障往往是推力器的單點(diǎn)故障,其失效會(huì)導(dǎo)致推力器失效,甚至?xí)绊懙秸前踩?因此陰極的正常工作是離子和霍爾推力器穩(wěn)定工作的前提,需要依據(jù)任務(wù)特點(diǎn)開展必要的冗余設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì),例如通過雙陰極方式或者交叉重組的方式重構(gòu)中和效果,確保任務(wù)完成[3]。目前,國內(nèi)對(duì)空心陰極的可靠性評(píng)估并未充分考慮產(chǎn)品的故障機(jī)理、生產(chǎn)工藝和材料升級(jí),且缺少部分國產(chǎn)化材料器件的可靠性數(shù)據(jù)、多子樣篩選失效率數(shù)據(jù)、產(chǎn)品穩(wěn)定性數(shù)據(jù)等,難以表征產(chǎn)品真實(shí)的可靠性水平,理論可靠性與實(shí)際情況存在差異。

壽命評(píng)價(jià)方面大都基于拉偏試驗(yàn)和仿真手段去識(shí)別產(chǎn)品的設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié),通過驗(yàn)證試驗(yàn)去覆蓋各種外界影響源對(duì)產(chǎn)品的影響。分析仿真和驗(yàn)證應(yīng)綜合考慮機(jī)械特性、電特性、力學(xué)特性及熱特性等關(guān)鍵特性。機(jī)械特性重點(diǎn)分析多余物、密封、配合尺寸鏈、材料表面粗糙度、摩擦、流量壓降、涂層/鍍層的表面質(zhì)量、材料相容性、高功率電纜干涉等方面的特性;電特性重點(diǎn)分析開關(guān)特性、絕緣特性、防靜電損傷、安全間距、高壓焊點(diǎn)、電磁兼容性、空間特殊環(huán)境影響等方面的特性;力學(xué)特性重點(diǎn)分析模態(tài)、靜力學(xué)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、承壓能力、溫度降額、熱平衡,以及大功率應(yīng)力敏感元器件層面的安裝粘固等特性。故障識(shí)別的技術(shù)手段往往需要結(jié)合產(chǎn)品關(guān)鍵特性涉及的功能模塊,以特性的失效模式為頂事件,采用故障樹分析(FTA)方法,從機(jī)械特性、電特性、力學(xué)特性、熱特性等多方面識(shí)別故障失效機(jī)理,改進(jìn)設(shè)計(jì),同時(shí)完善關(guān)鍵過程控制環(huán)節(jié)。

2.5 低成本設(shè)計(jì)和制造

由于衛(wèi)星的批量化需求,在電推進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面需要更側(cè)重于成熟組件的可靠集成設(shè)計(jì)和低成本組件的配套,同時(shí)通過加強(qiáng)仿真減少試驗(yàn)驗(yàn)證方面的投入。以O(shè)neWeb衛(wèi)星星座電推進(jìn)系統(tǒng)為例,霍爾推力器的設(shè)計(jì)選用了Fakel目前最成熟的SPT系列推力器,可以滿足衛(wèi)星多任務(wù)變功率需求,且對(duì)外接口通用性很強(qiáng),其機(jī)電熱接口兼容美國、歐洲的各主流衛(wèi)星平臺(tái),能滿足衛(wèi)星用戶的快速定制需求。在系統(tǒng)集成能力方面,可以快速搭建測(cè)試聯(lián)試環(huán)境,供氣條件可以匹配多類熱節(jié)流器或比例閥流量控制器,供電條件可以適配多種電源模塊,系統(tǒng)聯(lián)試測(cè)試及自動(dòng)判讀效率高。在可靠性方面,Fakel對(duì)其推力器產(chǎn)品的可靠性評(píng)估基于所有在軌及地面子樣的失效率數(shù)據(jù),即選擇總工作時(shí)間及開關(guān)機(jī)次數(shù)作為2個(gè)獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布變量,這2個(gè)獨(dú)立變量的平方和服從自由度為2的卡方分布(Chi-square Distribution),基于該方法獲得了60%置信度下產(chǎn)品可靠度超過0.99。電源處理單元方面,為了達(dá)到低成本需求,OneWeb公司采用經(jīng)過篩選的COTS器件進(jìn)行替代研制,在組件級(jí)實(shí)現(xiàn)功能模塊化設(shè)計(jì)的集成,然后將各個(gè)功能模塊分解給各自專業(yè)特長(zhǎng)的配套廠家,對(duì)各功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),在系統(tǒng)設(shè)計(jì)集成的同時(shí)縮減聯(lián)試測(cè)試成本,該電源處理單元目前能保證LEO衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命10年,價(jià)格實(shí)現(xiàn)了大幅度壓縮,且具有較高的可靠性。

目前,OneWeb公司的電推力器設(shè)計(jì)功率300W,實(shí)現(xiàn)比沖1200s,推力18mN,效率34%,質(zhì)量1.32kg。電源處理單元輸入功率300W,一次母線電壓27～38V,遙測(cè)遙控接口為CAN總線或1553B總線。電源處理單元可以實(shí)現(xiàn)貯供子系統(tǒng)的壓力傳感器供電、壓力采集及氙氣供給單元閥門驅(qū)動(dòng)等。供氣子系統(tǒng)采用氙氣瓶、壓力及流量調(diào)節(jié)模塊的一體化設(shè)計(jì),其選用的流量控制模塊(如圖7所示)[10]產(chǎn)品質(zhì)量?jī)H為0.3kg,體現(xiàn)了較高的系統(tǒng)集成度和輕量化設(shè)計(jì)。可見,基礎(chǔ)器件研制是實(shí)現(xiàn)低成本的核心,在完成器件級(jí)適應(yīng)性設(shè)計(jì)、仿真和驗(yàn)證后,對(duì)組件及整機(jī)的研制可以依據(jù)功能指標(biāo)需求進(jìn)行模塊化集成。

圖7 高成熟度流量控制組件Fig.7 High maturity level flow control component

低成本設(shè)計(jì)不僅需要在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造上進(jìn)行成本控制,也要在衛(wèi)星的系統(tǒng)集成制造方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。以SpaceX公司為代表的數(shù)字化工廠目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)、集成和測(cè)試一體化功能,在數(shù)字定義的裝配線投產(chǎn)運(yùn)營過程中引入了大量先進(jìn)的增材制造、自主環(huán)境及專業(yè)測(cè)試設(shè)備,尤其在多層艙靈活載荷、重構(gòu)天線、電推進(jìn)系統(tǒng)等方面實(shí)現(xiàn)了短周期研制和低成本控制,在自動(dòng)測(cè)試方面引入了人工智能(AI)技術(shù),提升了測(cè)試的迭代效率及測(cè)試的準(zhǔn)確性和全面性。目前,這些衛(wèi)星用于提供高速互聯(lián)網(wǎng)服務(wù),得益于其制造和部署過程采用了許多高度自動(dòng)化和標(biāo)準(zhǔn)化的方法,使得目前在軌快速部署衛(wèi)星數(shù)量超過3000顆,且制造成本得到很大的優(yōu)化。

3 啟示與建議

電推進(jìn)技術(shù)在GEO和LEO通信衛(wèi)星的工程化應(yīng)用上,除了要解決電推進(jìn)單機(jī)自身的研制及成熟度問題外,還需要關(guān)注系統(tǒng)性設(shè)計(jì)難點(diǎn)。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度來說,在GEO和LEO通信衛(wèi)星上的應(yīng)用是有所區(qū)分的,GEO通信衛(wèi)星更多的是考慮系統(tǒng)兼容性,從任務(wù)匹配最優(yōu)的系統(tǒng)布局著手,其次是重點(diǎn)提升電推進(jìn)系統(tǒng)的長(zhǎng)壽命和高可靠性能;而LEO通信衛(wèi)星更多的是考慮成熟技術(shù)的移植和升級(jí)迭代,以及產(chǎn)品化的制造能力和效力。結(jié)合國內(nèi)衛(wèi)星工程化特點(diǎn),對(duì)電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展建議如下。

(1)提升電推進(jìn)多任務(wù)剖面的適配能力。工程上通過增加變推力比沖的多模式設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)滿足衛(wèi)星快速入軌的能力,以及長(zhǎng)期姿態(tài)調(diào)整能力。這不僅需要從產(chǎn)品在強(qiáng)磁約束調(diào)整、耐濺射柵極設(shè)計(jì)、高精度流量適配方面進(jìn)行產(chǎn)品升級(jí),還需要系統(tǒng)適配不同的布局調(diào)整和指向要求;采用多種布局約束下規(guī)范統(tǒng)一接口設(shè)計(jì),以及控制軟件的任務(wù)可重構(gòu)能力設(shè)計(jì),對(duì)于在通信衛(wèi)星上應(yīng)用尤其關(guān)鍵。

(2)提升電推進(jìn)與整星匹配性設(shè)計(jì)能力。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度來看,需要保證電推進(jìn)工作的電氣特性與衛(wèi)星控制系統(tǒng)與能源系統(tǒng)相匹配,自主的控制算法可以保證電推進(jìn)最優(yōu)的功率、效率分配和工作的穩(wěn)定性,以滿足衛(wèi)星軌道調(diào)整和姿態(tài)定位的要求。電源系統(tǒng)不僅要具備長(zhǎng)期穩(wěn)定供電能力,還需要適當(dāng)?shù)碾娐繁Ｗo(hù)機(jī)制以應(yīng)對(duì)電推進(jìn)閃爍、啟動(dòng)瞬態(tài)的浪涌沖擊,同時(shí)兼顧高功率電源、推力器電磁輻射等電磁兼容性要求。

(3)提升電推進(jìn)長(zhǎng)壽命的地面測(cè)試和驗(yàn)證能力。在工程試驗(yàn)角度,可以通過強(qiáng)化元器件、原材料等在空間環(huán)境適應(yīng)性方面的驗(yàn)證水平,提升產(chǎn)品關(guān)鍵部組件的工藝實(shí)施及過程管控水平,保障產(chǎn)品狀態(tài)的穩(wěn)定性和一致性。

(4)提升電推進(jìn)系統(tǒng)可靠性分析能力。從工程實(shí)現(xiàn)角度,通過在軌應(yīng)用過程的關(guān)鍵特性及參數(shù)關(guān)聯(lián)性分析,形成一套自洽的電推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用層面數(shù)據(jù)鏈的關(guān)聯(lián)分析體系,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程要素及測(cè)試過程的可測(cè)可控項(xiàng)目,提升對(duì)后續(xù)產(chǎn)品關(guān)鍵數(shù)據(jù)趨勢(shì)性、邏輯性、一致性的綜合分析能力,確保電推進(jìn)技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用安全、可靠,這也是可持續(xù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠性分析的有效技術(shù)途徑。

(5)提升電推進(jìn)產(chǎn)品制造的質(zhì)量控制水平。制造產(chǎn)能是電推進(jìn)技術(shù)在衛(wèi)星規(guī)?；占昂蛻?yīng)用的前提,成本控制是可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ),標(biāo)準(zhǔn)化體系是保障飛行基線的基石。只有完善產(chǎn)品保障體系,才能真正實(shí)現(xiàn)降本增效,提升質(zhì)量管理效率,適應(yīng)多樣化低成本衛(wèi)星任務(wù)發(fā)展需求。

電推進(jìn)技術(shù)涉及多個(gè)交叉學(xué)科,系統(tǒng)集成度高,工業(yè)設(shè)計(jì)過程復(fù)雜,隨著電推進(jìn)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、工藝、元器件和材料、生產(chǎn)過程控制、試驗(yàn)驗(yàn)證、產(chǎn)品保證、可靠性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證等方面的日趨成熟,依據(jù)衛(wèi)星任務(wù)剖面的定制化設(shè)計(jì)和技術(shù)迭代體系將更加健全。數(shù)字化設(shè)計(jì)、模塊化定制及自動(dòng)化測(cè)試驗(yàn)證、標(biāo)準(zhǔn)化質(zhì)量管理體系等,是未來電推進(jìn)技術(shù)在衛(wèi)星成熟應(yīng)用的基礎(chǔ)。