[发明专利]一种利用残余推进剂和氦气的GEO卫星离轨方法

说明书

一种利用残余推进剂和氦气的GEO卫星离轨方法，包括(1)地面测定轨，(2)推力标定，分情况进行推力器点火试验推力标定，或者进行合并标定，得到第一标定推力；(3)判断轨道偏心率是否满足离轨要求，进而判断推力器是否符合使用条件；(4)抬高近地点，抬高轨道，之后再次进行测定轨以及合并标定，合并标定后得到第二标定推力；(5)判断轨道半长轴是否满足离轨要求，进而判断推力器是否符合使用条件。本发明方法能够在离轨过程中，充分利用剩余推进剂和氦气，尽量抬高轨道半长轴，降低对其他GEO卫星的威胁。

技术领域

本发明涉及一种地球静止轨道(GEO)卫星的离轨方法，特别是针对推进剂不足情况下的GEO卫星离轨方法。

背景技术

按照国际组织IADC建议，在地球静止轨道(GEO)卫星寿命末期，为了减少地球静止轨道空间碎片，净化地球静止轨道空间环境，建议将即将死亡的卫星送入坟墓轨道。坟墓轨道的半长轴相比GEO轨道增加的高度应满足下列公式，同时保证偏心率不大于0.003。

ΔH≥235+1000C_rA/M

其中ΔH为轨道半长轴的增加高度；C_r为卫星表面反射系数，镜面反射时取C_r＝2，黑体时取C_r＝1；A为卫星垂直太阳光的照射面积；M为卫星质量。

根据目前GEO寿命末期卫星的质量和尺寸参数，一般需要将轨道抬高260～300km，所需要的速度增量一般约9.5～10.9m/s。

为了同时满足轨道高度和偏心率控制要求，一般先采用切向控制方式改变偏心率并抬高轨道，然后继续抬高轨道半长轴并保持偏心率在要求的范围之内，直至轨道高度满足要求。

北京空间飞行器总体设计部CN201310059829号专利公开了一种适用于导航GEO卫星的离轨方法，包括推进剂剩余情况判断、离轨方案制定、推力器标定和钝化操作，但未考虑推进剂不足情况下的离轨方案。中国卫通集团有限公司的栗欣等在《第十二届卫星通信学术年会》上发表了“静止轨道通信卫星离轨方法研究”，文章中分系统了离轨要求和时机，提出了离轨控制的轨控方案、操作实施方案、应急预案以及离轨后钝化操作等，但并未给出推进剂不足情况下的应对措施。中国空间技术研究院罗刚桥在《航天器环境工程》上发表了“地球静止轨道卫星寿命末期离轨方案研究”，比较研究了化学推进和电推进两种离轨方案和推进剂需求，但未考虑离轨过程中，可能存在推进剂不足无法完成离轨的情况。

GEO卫星一般采用双组元推进系统，氧化剂和燃烧剂地面加注时一般严格按照混合比进行加注。在轨运行过程中，由于推力器实际工作时混合比与计算的混合比存在偏差，导致寿命末期氧化剂或者燃烧剂的一种先消耗完，存在仅剩余另一种推进剂的情况。另外，由于寿命末期GEO卫星的推进剂剩余量估计不准确以及离轨过程中推进分系统可能发生某些异常，在执行离轨过程中，可能会存在推进剂不足无法完成离轨的情况。

在推进剂不足或推进分系统异常时进行GEO卫星离轨操作过程中，推进分系统可能会存在三种工作状态：(1)双组元正常点火工作状态；(2)推进剂夹气排放状态；(3)仅剩余氦气的冷气推进状态。其中第(1)、(3)状态下推力器的推力输出相对比较稳定，第(2)种推进剂夹气排放状态过程中推力输出不稳定，会使得卫星姿态控制难度加大，给离轨控制过程带来较大难度。

在推进剂不足时进行GEO卫星离轨操作存在以下问题：

(1)GEO卫星推进剂计算误差很大。

(2)GEO卫星离轨方案中，当通过推力器温度和姿态遥测等因素判断双组元推进剂仅剩余一种后，认为推进剂已经消耗完毕，无论是否达到要求的轨道高度，都开始执行钝化操作，残余的单组份推进剂及贮箱中的高压氦气仍有能力继续产生推力但尚未利用。