李 永，劉旭輝，汪旭東，耿金越，龍 軍，胡 鵬，秦 宇

0 引 言

新一代空間基礎(chǔ)物理科學(xué)探測任務(wù)、高精度重力場測量任務(wù)以及高精度對地觀測和衛(wèi)星導(dǎo)航等空間任務(wù)，對衛(wèi)星平臺提出了超靜低噪聲、超高精度、超高穩(wěn)定度的需求[1].在這種背景需求下，具有寬調(diào)節(jié)比、高精度、高分辨率的極小推力推進(jìn)技術(shù)成為衛(wèi)星平臺的迫切需求[2-3].為了保證數(shù)據(jù)源的可靠性，星上會謹(jǐn)慎使用動量輪和陀螺等可能引起額外角加速度的轉(zhuǎn)動部件，需要推力穩(wěn)定、連續(xù)可調(diào)；推力分辨率高、推力噪聲低、變推力范圍大的微推進(jìn)系統(tǒng)，通過低噪聲連續(xù)可調(diào)的極小推力實(shí)時(shí)抵消大氣、太陽光壓、宇宙粒子等非保守力對航天器的干擾，使其在近乎“純引力”的環(huán)境下運(yùn)行[4-5].空間極小推力寬范圍可調(diào)推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用需求包括兩個(gè)方面：一類是無拖曳控制衛(wèi)星平臺，用于空間引力波探測、空間基礎(chǔ)物理研究中的低頻引力波探測、等效原理檢驗(yàn)、短線程效應(yīng)和參考系拖曳效應(yīng)的測量以及高精度地球重力場測量等.另一類是超高精度超靜控制衛(wèi)星平臺，用于空間高精度導(dǎo)航、高精度觀測等任務(wù).

空間極小推力寬范圍可調(diào)推進(jìn)技術(shù)是目前國際空間推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域研究的前沿方向，涉及流體、基礎(chǔ)材料、機(jī)電、控制等多個(gè)學(xué)科的基礎(chǔ)問題[3-5].國內(nèi)外多個(gè)研究機(jī)構(gòu)都相繼開展了多種不同機(jī)制極小推進(jìn)技術(shù)研究，部分工作已經(jīng)得到應(yīng)用.本文對國內(nèi)外幾種典型的空間極小推力寬范圍可調(diào)推進(jìn)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行調(diào)研，分析其關(guān)鍵技術(shù)，提出未來發(fā)展建議.

1 空間極小推力寬范圍可調(diào)推進(jìn)技術(shù)介紹

空間極小推力寬范圍可調(diào)推進(jìn)技術(shù)是一種要求推力小且大范圍連續(xù)可調(diào)的高精度微牛級推進(jìn)技術(shù).為保證測量精度，推進(jìn)系統(tǒng)有高的推力穩(wěn)定性和低的推力噪聲.空間極小推力寬范圍可調(diào)推進(jìn)技術(shù)主要包括寬調(diào)節(jié)比極小推力冷氣推進(jìn)技術(shù)、寬調(diào)節(jié)比極小推力電推進(jìn)技術(shù).該類技術(shù)根據(jù)輸出的過程參量的反饋，結(jié)合閉環(huán)控制，對可調(diào)物理參數(shù)的調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)輸出推力的連續(xù)調(diào)節(jié).

由于空間干擾力變化較大，對于大氣阻力達(dá)到了毫牛量級，而空間射線、光壓等干擾力為微牛量級，在抵消空間非保守力干擾時(shí)，隨著環(huán)境以及衛(wèi)星姿態(tài)軌道的變化，干擾力會發(fā)生極小的連續(xù)變化，最小可達(dá)亞微牛，同時(shí)，在進(jìn)行無拖曳控制時(shí)，為了降低推力器自身產(chǎn)生的干擾對控制精度影響，對推力器的噪聲功率譜密度也提出了嚴(yán)格要求.因此該類推進(jìn)技術(shù)主要性能參數(shù)包括推力調(diào)節(jié)范圍、推力分辨率、響應(yīng)時(shí)間以及推力噪聲，由于任務(wù)周期內(nèi)所需要的總沖量有限，因此對比沖要求相對不高.冷氣變推力模塊調(diào)節(jié)范圍達(dá)到了0.1～1 000 μN(yùn)，調(diào)節(jié)范圍達(dá)四個(gè)數(shù)量級，分辨率可優(yōu)于0.1 μN(yùn)，可以滿足航天器在不同工況下平衡非保守力的要求；對于冷氣推力器其輸出推力受影響因素較低，直接物理量僅受流量影響，因此更易實(shí)現(xiàn)更高精度的推力控制,具有分辨率高、噪聲低、調(diào)節(jié)范圍寬、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，ESA及NASA開展GAIA、Lisa Pathfinder、Microscope等任務(wù)均應(yīng)用了冷氣變推力技術(shù).變推力電噴霧推進(jìn)技術(shù)具有更高比沖，美國ST7計(jì)劃和LISA Pathfinder衛(wèi)星上采用了該技術(shù)進(jìn)行了飛行驗(yàn)證，推力調(diào)節(jié)范圍達(dá)到5～30 μN(yùn)，推力器分辨率優(yōu)于0.1 μN(yùn)，完成了空間驗(yàn)證.

2 國內(nèi)外幾種典型技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 極小推力寬調(diào)節(jié)比冷氣推進(jìn)技術(shù)

國外早在60年代就開始了無拖曳航天器用冷氣推進(jìn)系統(tǒng)的研究和攻關(guān)，并先后應(yīng)用于TRIAD I、GP-B、Lisa pathfinder等衛(wèi)星上[6].現(xiàn)在世界上僅有美國、歐洲歐空局轄下各機(jī)構(gòu)在一些無拖曳航天器的牽引下開展了無拖曳冷氣推進(jìn)系統(tǒng)的研制.“TRIAD-1”衛(wèi)星是美國發(fā)射的海軍導(dǎo)航衛(wèi)星，其軌道高度為874 km，是全球首顆無拖曳航天器.為了使該衛(wèi)星上慣性負(fù)載的加速度達(dá)到10-11g量級，該衛(wèi)星采用了常規(guī)的定推力冷氣推進(jìn)系統(tǒng)對其干擾力進(jìn)行補(bǔ)償，通過控制推力器開關(guān)脈寬的辦法來補(bǔ)償干擾力的影響[7].變推力冷氣推進(jìn)系統(tǒng)采用的推進(jìn)劑是氟利昂，采用兩級機(jī)械減壓系統(tǒng).雖然推進(jìn)系統(tǒng)攜帶的推進(jìn)劑僅為1.4 kg，但其采用兩個(gè)對稱的貯箱，這樣當(dāng)氣體損耗時(shí)，對質(zhì)心的影響是對稱的.受當(dāng)時(shí)加工水平、減壓器限制，其二級減壓后壓力要大于0.1 MPa，推力器喉部直徑約為0.25 mm，此時(shí)產(chǎn)生的推力大約為5 mN左右.由于不能提供更小的推力，因此其無拖曳效果受到了影響，最后實(shí)際加速度控制精度僅達(dá)到10-5g～10-8g量級.雖然該衛(wèi)星并沒有取得最開始預(yù)計(jì)的理想結(jié)果，但是初步驗(yàn)證了無拖曳控制的可行性，也為后續(xù)的無拖曳推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展做了較好的積累.

針對空間時(shí)空測量，美國的科學(xué)家提出用搭載著超高精度陀螺的衛(wèi)星來“看”空間的彎曲和扭曲.這種衛(wèi)星就是引力探測器衛(wèi)星Gravity Probe-B(GP-B).該航天器被稱為新千年美國宇航局最富挑戰(zhàn)性的項(xiàng)目.GP-B衛(wèi)星也使用冷氣推進(jìn)系統(tǒng)作為其無拖曳控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)[8].4個(gè)陀螺由2 441 L超流體氦冷卻至1.8 K，至少保持該溫度18個(gè)月.每個(gè)陀螺都通過電力懸浮，以超過100 Hz的頻率在真空度為10-14atm、磁場強(qiáng)度不超過10-7的環(huán)境中旋轉(zhuǎn).與“TRIAD-1”衛(wèi)星不同，該衛(wèi)星采用從真空容器內(nèi)排出的氦氣做為推進(jìn)劑用于無拖曳控制.推力補(bǔ)償系統(tǒng)通過推進(jìn)器將陀螺的平均加速度降為不大于10-10g.該推力器采用開環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)地面確定的結(jié)果，需要大推力時(shí)則通過加大加熱功率的方式使得更多的推進(jìn)劑進(jìn)入到推力艙，從而達(dá)到增大推力的目的.推力器最大輸出推力約為65×10-4N.該推力器實(shí)現(xiàn)了推力量級的進(jìn)一步下降及開環(huán)比例調(diào)節(jié)，推力范圍約為100～7 000 μN(yùn).

圖1為LEONARDO公司用于GAIA衛(wèi)星的冷氣推進(jìn)系統(tǒng).一共布置了12個(gè)變推力冷氣推力器模塊，變推力范圍為是1～500 μN(yùn).該公司的冷氣變推力模塊主要包含壓電比例推力器和質(zhì)量流量傳感器兩個(gè)部分.模塊根據(jù)上位機(jī)指令，首先將推力換算為流量，然后根據(jù)質(zhì)量流量傳感器反饋值來調(diào)節(jié)帶噴嘴的比例閥的喉部面積，使氣體收斂至設(shè)定流量，從而實(shí)現(xiàn)推力的閉環(huán)控制.由于采用了閉環(huán)控制方法，該公司的產(chǎn)品在多個(gè)航天器上得到了成功應(yīng)用.各系統(tǒng)指標(biāo)等情況匯總見表1.

圖1 極小推力冷氣變推力推進(jìn)技術(shù)Fig.1 Large-range cold gas thrust throttlingpropulsion technology

表1 無拖曳航天指標(biāo)情況匯總表Tab.1 Summary of non-towed space index situation

在微牛級冷氣變推力技術(shù)方面，國內(nèi)主要研究單位是北京控制工程研究所.在十二五期間北京控制工程研究所研制了100～700 μN(yùn)冷氣推力器并進(jìn)行推力開環(huán)測試.2018～2019年在天琴一號的牽引下，北京控制工程研究所對1～50 μN(yùn)冷氣變推力模塊進(jìn)行攻關(guān)，2019年8月完成工程樣機(jī)交付，計(jì)劃于2019年底進(jìn)行發(fā)射，如圖2所示.

圖2 冷氣推進(jìn)Fig.2 Cold gas propulsion

2.2 極小推力寬調(diào)節(jié)比電噴霧推進(jìn)技術(shù)

電噴霧推力器屬于靜電加速推力器，能量消耗低，可產(chǎn)生微牛到百微牛量級連續(xù)可調(diào)的推力.90年代末，國外開始對電噴霧微推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行深入研究，到目前已經(jīng)達(dá)到實(shí)用化研究階段.在美國空軍實(shí)驗(yàn)室大學(xué)納衛(wèi)星計(jì)劃、先進(jìn)空間運(yùn)輸計(jì)劃、NASA的GCD(Gaming Changing Development)計(jì)劃和歐洲的FP7支持下，美國的斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院、美國Busek公司、倫敦大學(xué)Queen Mary、牛津大學(xué)、劍橋大學(xué)以及盧瑟福實(shí)驗(yàn)室等研究機(jī)構(gòu)和公司都在積極從事電噴霧推進(jìn)系統(tǒng)的研究.隨著連續(xù)變推力的需求，電噴霧推力器發(fā)展出了連續(xù)可調(diào)推力電噴霧推進(jìn)技術(shù).

國際上開展連續(xù)可調(diào)電噴霧推進(jìn)技術(shù)的最成熟的單位為美國Busek公司.Busek公司的連續(xù)可調(diào)推力電噴霧微推進(jìn)系統(tǒng)[9]是在NASA JPL實(shí)驗(yàn)室的New Millennium Space Technology計(jì)劃的支持下進(jìn)行的，其研制是為了減小微型衛(wèi)星的空間位置擾動，實(shí)現(xiàn)無拖曳飛行.可調(diào)推力電噴霧微推進(jìn)系統(tǒng)的性能最初指標(biāo)如下，推力器尺寸：9×5×5英寸，重量：2.5 kg(包括可以在最大推力狀態(tài)工作3 000小時(shí)的推進(jìn)劑)，功率消耗：小于6 W(穩(wěn)態(tài)工作時(shí))，推進(jìn)劑：甲酰胺(電導(dǎo)率0.5 S/m)，推力范圍：20～190 μN(yùn)，比沖：最大400 s.

隨后Busek公司在其前期研究基礎(chǔ)上，針對引力波探測LISA任務(wù)需求進(jìn)行改進(jìn)，并于2015年在LISA Pathfinder進(jìn)行在軌驗(yàn)證.單個(gè)電噴霧推進(jìn)模塊有4個(gè)推力器頭部、中和器、流量控制微閥、推進(jìn)劑貯箱、PPU、DCIU及框架等組成，如圖3所示.

圖3 Busek電噴霧推進(jìn)系統(tǒng)組成Fig.3 Busek electrospray propulsion system

LISA Pathfinder衛(wèi)星上共布置了兩簇共8個(gè)推力器，其需求指標(biāo)、地面測試指標(biāo)及在軌測試指標(biāo)見表2(其中推力器#1由于氣泡原因，部分指標(biāo)在軌未達(dá)到設(shè)計(jì)值).圖4是LISA Pathfinder衛(wèi)星Busek電噴霧推力器在軌驗(yàn)證數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了微牛級連續(xù)可調(diào)推力，推力范圍為5～30 μN(yùn)，推力分辨率達(dá)到0.1 μN(yùn)，推力噪聲滿足LISA衛(wèi)星的應(yīng)用需求.

圖4 LISA Pathfinder衛(wèi)星Busek電噴霧推力器在軌驗(yàn)證數(shù)據(jù)Fig.4 On orbit validation data of LISA PathfinderBusek electrospray thruster

表2 連續(xù)可調(diào)電噴霧推進(jìn)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)情況Tab.2 Implementation of continuously adjustable electrospray propulsion indicators

國內(nèi)相關(guān)技術(shù)研究雖然起步較晚，但現(xiàn)階段開展相關(guān)研究的單位正在迅速增多. 國內(nèi)方面的研究大都集中在恒定推力的電噴霧推進(jìn)技術(shù)的研究[10-13].北京航空航天大學(xué)、中北大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京理工大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、中科院等單位均開展相關(guān)研究工作.同時(shí)，航天801所、航天502所、航天510所等航天單位也正在開展樣機(jī)研制工作.航天206所在2019年實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)電噴霧推進(jìn)技術(shù)的在軌驗(yàn)證.但從性能指標(biāo)、產(chǎn)品可靠性等方面與國際上仍有較大差距.

2.3 極小推力寬調(diào)節(jié)比射頻推進(jìn)技術(shù)

在20世紀(jì)60年代德國吉森大學(xué)開始對射頻離子推力器展開研究，目前吉森大學(xué)已開發(fā)出了多個(gè)型號的微牛級射頻離子推力器和配套的推力器控制系統(tǒng).其中始于上世紀(jì)60年代的小推力射頻離子推力器RIT-4，放電頻率為9 MHz，在實(shí)驗(yàn)中汞作為推進(jìn)劑的情況下可引出束電流12 mA.

近些年，RIT-μX進(jìn)入了工程研制，研制出性能優(yōu)異的射頻離子微推力器系列，如μN(yùn)RIT-2(5～150 μN(yùn))、μN(yùn)RIT-2.5(50～500 μN(yùn))、μN(yùn)RIT-3.5(50～2 000 μN(yùn))、μN(yùn)RIT-4(0.2～3.5 mN)等[14-15].其中可變比沖推力器μN(yùn)RIT-3.5，推力范圍為50～2 000 μN(yùn)，比沖范圍：500～3 700 s功率范圍： 15～90 W， 總沖可達(dá)3.6 kNs.GFZ’s NGGM 就考慮使用μN(yùn)RIT系列做無拖曳補(bǔ)償及激光對準(zhǔn)[16]；ESA’s E-Motion計(jì)劃也擬用μN(yùn)RIT做無拖曳補(bǔ)償[17]；Astrium ST于2011年測試了Mini-RIT 微推進(jìn)系統(tǒng)與LISA Pathfinder的匹配性能[18]，推力分辨率優(yōu)于0.1 μN(yùn)，推力噪聲接近于0.1 μN(yùn)/Hz1/2，滿足LISA Pathfinder要求[18-19].

近年來，英國南安普頓大學(xué)、美國Busek公司等單位陸續(xù)開展了小型射頻離子推力器的研究工作.英國南安普頓大學(xué)在2011年針對高精度空間測量任務(wù)，研發(fā)了一組差分式射頻離子推力器，利用雙向推力相互抵消的方式，實(shí)現(xiàn)1～150 μN(yùn)可調(diào)推力，推力分辨力為0.5 μN(yùn)，推力噪聲為0.5 μN(yùn)/√Hz，但功耗偏大，比沖較低.近幾年研制的μN(yùn)RIT-3.5性能優(yōu)異，其推力范圍為45～2 500 μN(yùn)，應(yīng)用目標(biāo)為下一代重力衛(wèi)星無拖曳控制執(zhí)行器[20-22]；美國Busek公司也研制出一系列射頻離子推力器，BIT-1、BIT-3、BIT-7等.其中2012年，Busek公司針對立方星的需求，BUSEK發(fā)展了BIT-1 1cm RF離子推力器，見圖5.系統(tǒng)體積為1.25 U，質(zhì)量為1.25 kg，功率為10 W，可以實(shí)現(xiàn)30～150 μN(yùn)的連續(xù)可調(diào)推力，比沖為1 800 s，總沖量為1 220 N·s，分辨率達(dá)到0.1 μN(yùn)，模擬壽命超過20 000 h.

圖5 BUSEK-1cm 射頻離子推力器Fig.5 BUSEK-1cm RF ion thruster

國內(nèi)研發(fā)射頻離子推力器的單位主要有中科院力學(xué)所、中科院微電子所[23]和蘭州510 所[24]等有限的幾家單位[23,25].中科院力學(xué)所在中科院空間科學(xué)預(yù)先研究項(xiàng)目的第一批、第三批的支持下，開展了應(yīng)用于未來的地球重力場測量任務(wù)和“太極計(jì)劃”的微牛級射頻離子推力器研究，型號有μRIT-2、μRIT-2.5、μRIT-4，如圖6所示，預(yù)期指標(biāo)如表3所示[24-26].

圖6 中科院微牛級射頻離子推力器Fig.6 RF ion thruster designed by ChineseAcademy of Sciences

表3 中科院力學(xué)所射頻離子推力器設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab.3 Design index of RF ion thruster of Chinese Academy of Sciences

目前，中科院力學(xué)所的μRIT-2.5已進(jìn)行飛行驗(yàn)證，其標(biāo)準(zhǔn)推力范圍為500～1 200 μN(yùn)，功率60～100 W，屏柵電壓0.6～2.0 kV，氣體流量10～60 μg/s.在1 200 μN(yùn)條件下比沖大于2 000 s，效率大于25%，系統(tǒng)干重5 kg[26].除此之外，中科院于2019年8月31日發(fā)射“太極一號”，實(shí)現(xiàn)激光干涉器、慣性傳感器、無拖曳控制及微推進(jìn)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)在軌驗(yàn)證.RIT-1搭載中國航天科工快舟火箭發(fā)射的微重力技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星,其推力范圍5～50 μN(yùn)，分辨率優(yōu)于0.5 μN(yùn)，推力噪聲優(yōu)于0.2 μN(yùn)/Hz1/2(10 mHz～1 Hz).在軌基本完成射頻微推功能與性能測試，并用于衛(wèi)星無拖曳控制試驗(yàn)，累計(jì)點(diǎn)火200余次，工作過程中無熄火現(xiàn)象，累計(jì)開展80多個(gè)工況實(shí)驗(yàn)，整機(jī)狀態(tài)正常，遙測遙控?cái)?shù)據(jù)正常，在軌測試推力范圍優(yōu)于4.5～60 μN(yùn)，在軌慣性器件所測推力與推力器計(jì)算推力差異性小于5%，進(jìn)行了4個(gè)推力同步點(diǎn)火，同步性良好.為了中和羽流離子，力學(xué)所同步研發(fā)了一款5～150 mA 連續(xù)可調(diào)的射頻碳納米管場發(fā)射中和器RPN-1.中和器在軌工作正常，電子束流透過率優(yōu)于67%，電中性控制有效，預(yù)計(jì)壽命可達(dá)上萬小時(shí)[27-28].

2.4 極小推力寬調(diào)節(jié)比多級會切場推進(jìn)技術(shù)

多級會切場推進(jìn)是一種基于強(qiáng)磁場約束的電磁式電推進(jìn)技術(shù)，最早由德國泰雷茲于1998年提出.

此類推力器不僅具備長壽命性能優(yōu)勢[29-31]，而且表現(xiàn)出寬范圍連續(xù)可調(diào)節(jié)的能力.這種超大范圍的連續(xù)調(diào)節(jié)能力是目前其它同尺寸電推力器所難以達(dá)到的.這一測量結(jié)果反映了推力器在超低功率領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿?

2009年，美國斯坦福大學(xué)博士YOUNG研制了一種圓柱形小型化多級會切場推力器，Cylindrical cusped field thruster(簡稱CCFT)[32].其結(jié)構(gòu)與HEMPT以及DCFT存在顯著不同，出口磁極長度很短，典型鏡比只有1.6，推力器的推力調(diào)節(jié)精度為0.1 mN，可在25 W到250 W的范圍內(nèi)穩(wěn)定連續(xù)調(diào)節(jié).

2011年，德國吉森大學(xué)的KELLER首次開展了微牛級HEMPT的研究工作，并對不同推力器通道材料進(jìn)行了測試.采用陶瓷放電通道推力器的功率調(diào)節(jié)范圍是66～242 W[33].

2015 年，在衛(wèi)星姿態(tài)和軌道高精度控制的需求下，吉森大學(xué)和Astrium公司合作，對微牛級HEMPT的磁極數(shù)量、磁極結(jié)構(gòu)等磁場參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[34]，該推力器的推力調(diào)節(jié)范圍是50～360 μN(yùn).在600 V電壓下的推力50 μN(yùn)，比沖230 s.在1 100 V電壓下的推力360 μN(yùn)，比沖860 s，如圖7所示.

圖7 HEMPT的結(jié)構(gòu)優(yōu)化Fig.7 Structure optimization of micro HEMPT

從2009年起， Airbus 公司就開始了小型化HEMPT的研究工作.2017 年，Max Vaupel 等人與德累斯頓工業(yè)大學(xué)合作，研制了面向微小衛(wèi)星應(yīng)用的新一代微牛級多級會切磁場推力器 Advanced Cusped Field Thruster(簡稱ACFT).該推力器的連續(xù)調(diào)節(jié)范圍是0.4～10.2 mN，最高比沖超過 2 000 s，推功推比可降低到 18 W/mN.

在國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)從2016年啟動了微牛級多級會切場推力器的研制工作， CFTK8的高能離子束流與軸線的夾角只有20°，明顯低于德國基森大學(xué)的微牛級HEMPT[33]，處于國際領(lǐng)先水平.該團(tuán)隊(duì)相繼進(jìn)行推力器無拖曳控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究[35-36].

2.5 小結(jié)

依據(jù)國內(nèi)外調(diào)研，寬調(diào)節(jié)比極小推進(jìn)技術(shù)的研究有以下特點(diǎn)和趨勢：

(1) 冷氣變推力技術(shù)已經(jīng)在航天器上進(jìn)行了應(yīng)用，其應(yīng)用型號最多，工作可靠性高，可實(shí)現(xiàn)跨越推力量級最大.冷氣變推力系統(tǒng)將成為該類航天器的基本配置系統(tǒng)，因此冷氣技術(shù)是后續(xù)的發(fā)展及優(yōu)化提升的重點(diǎn).變推力電推進(jìn)系統(tǒng)由于比沖相對較高，但是推力影響因素較為復(fù)雜，等離子體形成過程不易控制，其推力輸出范圍相對較低.

(2) 基于流量或電流反饋、實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的技術(shù)是未來高精度控制航天器使用的主流技術(shù)之一，控制精度和分辨率的要求越來越高.基于冷氣變推力技術(shù)最開始通過控制mN級冷氣定推力推力器開啟脈寬寬度來獲得抵消力，此時(shí)僅能實(shí)現(xiàn)控制精度低；而通過加熱控制推進(jìn)劑流量的開環(huán)推力控制，則存在響應(yīng)速度慢的問題；這些都不能滿足高精度、無拖曳航天高精度、快響應(yīng)的要求，因此需要發(fā)展基于閉環(huán)控制的變推力技術(shù).

表4 典型變推力推進(jìn)技術(shù)性能指標(biāo)Tab.4 Specifications of the typical propulsion technology

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 極小推力產(chǎn)生機(jī)制及高精度閉環(huán)控制技術(shù)

由于推力極小，極易受到推進(jìn)劑流動特性、放電特性等影響，難以通過開環(huán)控制形成推力的高精度穩(wěn)定輸出，需要研究推力的精確模型以及閉環(huán)控制的方法，由于環(huán)境變化非突變過程，因此推力響應(yīng)時(shí)間在百毫秒量級即可滿足控制需求.2005年歐空局(ESA)為電推進(jìn)系統(tǒng)開發(fā)的推進(jìn)劑流量控制單元中便采用了PID控制器，根據(jù)反饋的流量，通過調(diào)節(jié)壓力控制電推進(jìn)系統(tǒng)中氙氣流量，可提供0.02～30 mg/s氙氣流量連續(xù)調(diào)節(jié)的能力.

歐空局的GAIA、LISA Pathfinder、Euclid和MicroScope等航天器上的冷氣極小推力推進(jìn)系統(tǒng)也采用了PID閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)采集的輸出流量，通過調(diào)節(jié)壓電閥開度，形成了對流量的高精度調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對推力的高精度控制，如圖8所示.該冷氣微推進(jìn)系統(tǒng)由流量傳感器、壓電比例閥和PID控制器組成，工作介質(zhì)為氮?dú)猓梢蕴峁?～1 000 μN(yùn)的推力，推力分辨率達(dá)0.1 μN(yùn)[37].

此外，壓電驅(qū)動的應(yīng)用形式多種多樣，易于實(shí)現(xiàn)驅(qū)動裝置的輕量化、微型化.意大利萊昂納多極小推力冷氣推力器采用了壓電驅(qū)動方式實(shí)現(xiàn)冷氣推力的連續(xù)輸出，實(shí)現(xiàn)了1～2 000 μg/s的連續(xù)輸出，輸出分辨率優(yōu)于0.1 μg/s.Busek公司的電噴霧流量控制采用了壓電驅(qū)動實(shí)現(xiàn)流量的精確控制.采用1 mW功率的流量控制實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于1 nA的等效精度，推力精度低于0.01 μN(yùn).

圖8 GAIA、LISA Pathfinder航天器冷氣微推進(jìn)系統(tǒng)控制邏輯圖Fig.8 Control logic diagram of Gaia and Lisa Pathfinderspacecraft air-conditioning micro propulsion system

LISA Pathfinder衛(wèi)星上采用的Busek電噴霧變推力電推進(jìn)系統(tǒng)通過采集電流，調(diào)節(jié)電壓及流量形成閉環(huán)控制；采集推力器溫度，調(diào)節(jié)加熱器功率形成高精度溫度控制的閉環(huán)控制；同時(shí)調(diào)節(jié)中和器工作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)羽流中和.推力分辨率最高可達(dá)0.01 μN(yùn)，推力噪聲<0.1 μN(yùn)/Hz1/2[2].

3.2 高精度流量驅(qū)動控制技術(shù)

高精度流量驅(qū)動控制方法包括多種驅(qū)動方式，比如記憶合金驅(qū)動、靜電驅(qū)動、熱氣驅(qū)動、壓電驅(qū)動等，壓電驅(qū)動是利用壓電元器件的逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再經(jīng)特定結(jié)構(gòu)傳遞來實(shí)現(xiàn)控制調(diào)節(jié)流體.

由于基于壓電驅(qū)動的閥具有綠色、低功耗、高精度、高分辨率、低電磁干擾及技術(shù)相對成熟等特點(diǎn)，在高精度流體控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，已成為微流體控制領(lǐng)域的首選方案.利用逆壓電效應(yīng)制成的微位移器，只需要控制外加電壓，就可以容易的實(shí)現(xiàn)0.01 μm乃至更高的定位精度.

圖9 萊昂納多公司基于壓電驅(qū)動的變推力冷氣推力器Fig.9 LEONARDO cold gas thruster’s piezoelectric valve

圖10 Busek電噴霧壓電閥Fig.10 Busek electrospray piezoelectric valve

3.3 高精度流量測量技術(shù)

極小推力連續(xù)變推力電推進(jìn)系統(tǒng)、高精度冷氣推進(jìn)系統(tǒng)中，采用流量傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測氣體或液體流量，在推力的精確連續(xù)輸出中發(fā)揮重要的作用.熱式氣體質(zhì)量流量傳感器利用傳熱學(xué)和流體力學(xué)理論，采用熱平衡原理，建立熱敏元件熱量損失與流體流速、質(zhì)量流量之間的函數(shù)關(guān)系，從而獲得流體流速、流量.其中，采用基于微加工技術(shù)的MEMS熱式流量傳感器由于具有響應(yīng)快、體積小、無活動部件的特點(diǎn)[38-40].

國外航天器上已經(jīng)將MEMS熱式流量傳感器用于航天器推進(jìn)系統(tǒng)和冷氣無拖曳系統(tǒng)[35-36,41]，圖11為2006年ESA為GAIA，LISA，Darwin等開發(fā)的MEMS流量傳感器，主要用于高精度流量測量和控制.它采用了雙加熱器結(jié)構(gòu)以及熱電堆制作的上下游測溫傳感器.圖12為2007年TAS-I公司為電推進(jìn)和冷氣推進(jìn)系統(tǒng)研制的MEMS流量傳感器，它采用MEMS技術(shù)在硅基底上加工了一個(gè)加熱器W和上下游的測溫傳感器T1和T2.

圖11 GIGA衛(wèi)星用的MEMS流量傳感器Fig.11 MEMS flow sensor for GIGA satellite

圖12 TAS-I公司為電推進(jìn)和冷氣推進(jìn)開發(fā)的MEMS流量傳感器Fig.12 MEMS flow sensor developed by TAS-I forelectric propulsion and air conditioning propulsion

3.4 高精度極小推力測試技術(shù)

圖13 典型的測量系統(tǒng)Fig.13 Typical measurement system

來自法國、澳大利亞和英國的合作團(tuán)隊(duì)[54]，研制了一種較特殊的雙擺臺架，兩擺臂分別作為測量臂和參考臂，兩擺臂安裝光學(xué)反射鏡構(gòu)成F-P干涉腔，用于高精度測位移，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)0～3 mN的極高精度測量.法國研究的ONERA擺臂系統(tǒng)[62-67]，如圖14所示，研究人員通過在不同位置放置不同質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)重物，實(shí)現(xiàn)標(biāo)定，通過高效抗混疊濾波器結(jié)合18 bit A/D采集卡降低數(shù)據(jù)噪聲，最終實(shí)現(xiàn)最高精度0.1 μN(yùn)，0～100 μN(yùn)范圍內(nèi)穩(wěn)態(tài)推力的精確測量，該系統(tǒng)在10-3～10 Hz范圍內(nèi)噪聲小于1 μN(yùn)/Hz1/2，10-2～1 Hz范圍內(nèi)噪聲小于0.1 μN(yùn)/Hz1/2.此外，部分研究人員利用PID控制實(shí)現(xiàn)擺的主動控制，或利用數(shù)理分析方法分析擺運(yùn)動方程來抑制噪聲、提高測力精度[56，76-78].

圖14 ONERA懸臂擺和標(biāo)定系統(tǒng)Fig.14 ONERA cantilever pendulum and calibration system

國內(nèi)方面，北航湯海濱團(tuán)隊(duì)研發(fā)的全彈力測量系統(tǒng)，測量范圍為0～200 mN[71].哈工大寧中喜和范金蕤團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的基于三線擺原理研制了毫牛級測力系統(tǒng)[72].裝備指揮學(xué)院洪延姬團(tuán)隊(duì)[73]設(shè)計(jì)扭擺系統(tǒng)，沖量測量分辨率達(dá)2×10-8Ns.中科院力學(xué)所的康琦團(tuán)隊(duì)針對空間引力波研究需求，研發(fā)了扭擺式測力系統(tǒng)，使用靜電梳位移傳感器，并通過高精度天平標(biāo)定，實(shí)測結(jié)果表明，該系統(tǒng)測力范圍0～400 μN(yùn)，分辨率達(dá)到0.1 μN(yùn)，10 mH～1 Hz范圍內(nèi)噪聲0.1 μN(yùn)/Hz1/2.微推力測量技術(shù)是微推力器性能研究的關(guān)鍵技術(shù)，針對靜態(tài)力測量問題主要的前沿工作是消除背景噪聲和實(shí)現(xiàn)高精度的標(biāo)定以及阻尼問題.針對扭擺系統(tǒng)如何保證擺臂平衡成為了微牛級以下推力測量的關(guān)鍵技術(shù)，而錘擺式測力系統(tǒng)在保證推力器方向和位置，以及懸臂震動問題和位移高精度測量方面需要較多的技術(shù)突破.

4 我國空間極小推力寬范圍可調(diào)推進(jìn)技術(shù)發(fā)展建議

4.1 空間極小推力寬范圍可調(diào)推進(jìn)技術(shù)需求迫切，應(yīng)設(shè)立專項(xiàng)支持發(fā)展

空間極小推力寬范圍可調(diào)推進(jìn)技術(shù)是高精度控制航天器平臺的關(guān)鍵技術(shù)之一，為國際空間推進(jìn)領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)，是引力波探測、等效原理高精度空間科學(xué)探測任務(wù)以及高精度重力場測量、導(dǎo)航任務(wù)等得以實(shí)施的重要共性支撐技術(shù)，該技術(shù)對于該類任務(wù)是否能夠順利實(shí)施有著決定性影響.高精度控制、無拖曳控制對連續(xù)可調(diào)的極小推力提出了迫切需求，需要這種極小推力抵消極弱干擾.作為空間推進(jìn)領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展方向，國際上已有多家頂尖研究機(jī)構(gòu)開展了極小推力推進(jìn)技術(shù)相關(guān)應(yīng)用研究，在Lisa先導(dǎo)星、Microscope等衛(wèi)星上進(jìn)行了驗(yàn)證，而我國處于剛剛起步階段，但多項(xiàng)任務(wù)需求迫切，但是在寬范圍極小推力產(chǎn)生機(jī)制及控制方法等方面缺乏理論方法及實(shí)現(xiàn)方法研究，為了實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，急需開展深入基礎(chǔ)研究、專項(xiàng)技術(shù)研究以及應(yīng)用演示研究等，建立基礎(chǔ)研發(fā)條件，完成基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)材料、先進(jìn)測量控制方法等關(guān)鍵問題攻關(guān)，形成裝備，進(jìn)行空間應(yīng)用.

4.2 空間極小推力寬范圍可調(diào)推進(jìn)技術(shù)類型較多，確定發(fā)展布局

空間極小推力寬范圍可調(diào)推進(jìn)技術(shù)現(xiàn)階段研究的技術(shù)類型較多，應(yīng)圍繞高精度微牛級極小推力、跨數(shù)量級推力調(diào)節(jié)及高可靠性等需求，開展典型潛力技術(shù)研究.冷氣變推力技術(shù)已經(jīng)在航天器上進(jìn)行了應(yīng)用，其應(yīng)用型號最多，工作可靠性高，可實(shí)現(xiàn)跨越推力量級最大，其可用范圍最廣.變推力電推進(jìn)系統(tǒng)由于比沖相對較高，能夠節(jié)省更多燃料，但寬范圍的等離子體控制過程較為復(fù)雜，電噴霧變推力推進(jìn)技術(shù)、射頻變推力推進(jìn)技術(shù)、會切磁場變推力推進(jìn)技術(shù)等具備高精度微牛實(shí)現(xiàn)的潛在能力.

4.3 空間極小推力寬范圍可調(diào)推進(jìn)技術(shù)難度高，應(yīng)開展關(guān)鍵技術(shù)聯(lián)合攻關(guān)

空間極小推力寬范圍可調(diào)推進(jìn)技術(shù)難度高，為極精密推進(jìn)技術(shù)，涉及多學(xué)科交叉融合，同時(shí)支撐極小推力推進(jìn)技術(shù)研發(fā)的微牛級推力等極小特征參數(shù)測量技術(shù)難度極高，需要開展高精密測量基礎(chǔ)方法以及基礎(chǔ)環(huán)境條件研究、建設(shè).在重大任務(wù)需求的牽引下，聯(lián)合工業(yè)部門、研究院所、高校等國內(nèi)優(yōu)勢單位，形成產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合創(chuàng)新平臺，開展關(guān)鍵技術(shù)聯(lián)合攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)的跨越式創(chuàng)新提升，達(dá)到國際領(lǐng)先水平，為國家重大任務(wù)需求提供動力基礎(chǔ).工程應(yīng)用能夠有效促進(jìn)技術(shù)發(fā)展，暴露基礎(chǔ)問題，為了加快發(fā)展，通過重大航天任務(wù)的在軌應(yīng)用，帶動技術(shù)的發(fā)展，早日實(shí)現(xiàn)我國航天強(qiáng)國夢.

5 結(jié)束語

空間極小推力寬范圍可調(diào)推進(jìn)技術(shù)是高精度航天器的關(guān)鍵支撐技術(shù).本文對國內(nèi)外空間極小推力寬范圍可調(diào)推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了分類綜述，概括了其關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)了研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，對我國空間極小推力寬范圍可調(diào)推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望，指出了發(fā)展建議.