[发明专利]利用高比冲量推进器将航天器送入轨道的方法和系统

说明书

本发明涉及一种将航天器(如人造卫星)从一条初始椭圆轨道送入目标轨道(如航天器正常使用的轨道)的方法和系统。而椭圆轨道与目标轨道比较有很大的不同，并且具有较大的偏心。

大多数人造卫星都带有推进器系统，以使它们能在太空中运动，特别是修正轨道缺陷，这些缺陷可能是送入轨道时产生的，是太阳和月亮的引力，地球的非球性的潜在影响，地球的气动的、磁力的及电力影响和太阳的辐射影响。卫星的推进系统也能使卫星就位，使轨道发生变化，保证空间定向，或确实保证姿态控制系统工作，这是通过对卫星上的惯性轮去饱和(desaturate)来实现的。

这样的推进系统使得卫星在任何方向上都有移动的能力，在一个方向上可以大幅度活动。

从质量的预算角度看，卫星的推进系统是主要的部件，或甚至是最大的部件。

大部分推进器厂家很早就注意到减少推进器质量的技术。比冲量是推进器的一个特性值，它确定每排出或消耗单位质量所产生的推力，所以高比冲量的推进器一直在被设计，研究和评估。例如可提及的有“电阻加热电离”式推进器，近电子迁移等离子推进器，FEEP场辐射推进器、离子轰击推进器及光热推进器。

从理论上讲，增加比冲量是基于零质量能量(也就是说几乎不消耗物质而产生的能量)转变为作用在物质微粒上的机械能。实际上，这种零质量能量是获自电能或太阳辐射的热，或获自放射性同位素反应堆。

从此种高比冲量推进器所得到的推力依赖于提供给它的电能或热能的大小。在卫星上，这样的能量受太阳能板的尺寸、太阳热能收集器的尺寸、或放射性同位素反应堆的尺寸或其能量储备装置尺寸的限制。所以，由任何种高比冲量推进器所产生的推力比常规化学发动机所提供的推力要小或小得多，例如只有400牛顿(卫星远地点发动机的典型值)。

电能或热能转变为作用到物质微粒上的机械能越多，所产生的比冲量越大。因此，推进器的比冲量越大，对于给定电或热能消耗的推进器其推力越小。这一特性实质上对所有类型的高比冲量发动机都适用。

这一特性在推进系统中有下述影响：对于一给定的总冲量(也就是点火的总时间内作用在飞行器上的力的总和或对时间的积分)，由较高比冲量推进器所消耗的物质有显著的减少及对应地这种推进器工作的时间要显著增加。

高比冲量类型的推力适用于卫星在其正常工作的轨道上进行机动，因为它所需的推力小或很小，因此这就可能达到比化学推进系统(较低比冲量)好的优点。

另一种应用是当卫星最初置于一较其正常轨道完全不同的轨道上时，卫星需要用其自身推进系统将其由初始轨道推进到正常轨道。

在此情况下，总的转移机动时间就要相当长，相反地，所述机动时间最好要短。机动转移时间越长，财政负担越重，并且飞行器总发射费用也会增加(包括地面站的费用和地面跟踪人员的费用)。另外，长的机动转移时间也会增加通过凡阿伦带时的风险(位置有所不同，但可能位于诸如下列高度的附近：1,800公里，2,000公里，10,000公里和21,000公里)。

最好减少飞行器在轨道上穿越凡阿伦带的运转圈数，特别是要减少部件或太阳能电池遭受的附加的伤害，否则就必须保护它们不受带中电磁波或质子或电子的辐射。

已提出各种各样的卫星机动的例子，它所使用高比冲量和低推力的推进器。

于是，期图加特大学(德国)的E.Messerschmid，A.G.Schwer，U.W.Schttle的文章发表在1995年第46届(国际)宇航年会上，标题为“通讯卫星低推力转移任务的操作和环境影响”，它揭示了一种在由阿里安4火箭地球同步转移轨道(GTO)构成的常规初始轨道及由地球同步轨道(GEO)构成的最终轨道之间的机动转移。这种机动转移由高比冲量的“Arcjet”型推进器在地球同步转移轨道远地点产生的推力弧构成，这样，卫星轨道逐步改变，直到最终地球同步轨道GEO。

文献EP-B-0 047 211(发明人A.Mortelette)也描述了一种利用推力弧变轨的方法。