GOCE是世界上首次應用無拖曳飛行技術的科學測量衛星，用于測量地球重力場和穩態海洋環流。大氣阻尼補償系統是實現無拖曳飛行的重要技術支撐，其核心單元是T5 離子推力器。基于T5 離子推力器無拖曳飛行，論述了從入軌測試到執行任務的技術特點、運行及性能。并對T5 離子推力器在大氣阻尼補償系統中的應用做了總結，提出了離子推力器發展應用的建議。

　　引言

　　航天器的無拖曳飛行需要高精度地控制推力輸出，對推力控制系統提出了很高的要求。航天器的阻尼補償是利用推力控制系統消除全部的非重力擾動力，從而使衛星實現無拖曳飛行，即沿純粹重力軌道做自由落體運動。一般情況下衛星在軌運行受到眾多擾動因素影響，對于低軌道衛星受到的主要擾動為大氣阻尼，其他因素包括地球磁場效應、太陽輻照產生的光壓或力矩以及季節變化和晝夜交替等。

　　電推進系統(IPA)是衛星實現無拖曳飛行的主要手段，為無拖曳飛行衛星提供了低擾動的環境。通過合理設計實現了除重力之外，對其他作用力的高度解耦。離子推力器具有高比沖、長壽命等特點，并能夠節約推進劑。離子推力器推力的精確可調節特點，是最適宜于在衛星阻尼補償中應用。阻尼補償要求IPA具有快速響應、寬范圍高分辨率推力調節和低推力噪聲的特點，因此真空技術網(http://shengya888.com/)認為傳統的化學發動機無法滿足要求。

　　GOCE衛星是歐空局(ESA)于2009年3月發射的地球重力場科學測量衛星。能夠測量地球重力場和穩態海洋環流，并提供高精度和高分辨率的地球重力場和大地水準面模型。由于GOCE衛星的飛行軌道為近似圓形的太陽同步軌道，高度約為250 km，這導致衛星受到的大氣阻尼在一個繞軌飛行內有很大的變化范圍。

1、T5離子電推進無拖曳的應用

　　英國的T5離子推力器應用于GOCE衛星的非保守力補償，該推力器的主要性能特征包括：(1)高比沖3 000 s;(2)推力調節范圍大0.6～20.6 mN;(3)穩態工作條件下推力矢量穩定度高±0.02°;(4)推力噪聲小。

　　GOCE衛星總共搭載了兩套IPA作為主備份，分別為主系統A和備份系統B。在整個任務運行過程中，除了在試車階段啟動B系統，其余工作時間只啟動A系統。總系統包括2臺T5離子推力器(ITA)、2套控制系統(IPCU)、2套氙氣比例供給系統(PXFA)和1個氙氣罐(XST)。以下分別從系統組成、入軌測試以及工作運行等方面對該推力器進行總結。

　　1.1、系統組成

　　英國對離子電推進的研究開始于1967年，主要是Kaufman型離子推力器，研發離子推力器主要以通信衛星的南北位保和飛行IPA為應用目標。英國QinetiQ公司針對重力測量衛星大氣阻尼補償的應用需求，從上世紀90 年代末開始，在QinetiQT5mkV推力器基礎上發展了推力可連續精細調節的離子推力器。其推力調節范圍可以穩定實現0.6～20.6 mN之間，最佳工作點處的比沖3 500 s。研制初期，推力器的柵極系統為鉬材質的三柵極結構，后來針對GOCE衛星應用，研制了C/C材料加速柵的雙柵結構，如圖1所示。T5離子推力器設計為發散場，磁場源為6個螺線管電磁鐵。柵極口徑為10 cm，離子光學系統由屏柵和加速柵組成。考慮到任務對推力器性能和壽命的要求，對柵極進行了優化設計：加速柵采用抗濺射的石墨材料;屏柵為沖壓和熱處理的鉬材料;空心陰極為3 mm鋇鎢陰極，推力器性能參數如表1所列。

圖1 T5 離子推力器三柵和雙柵設計

表1 T5 離子推力器性能參數

3、結束語

　　大氣阻尼補償系統在GOCE 衛星上的成功應用，使離子電推進作為航天器無拖曳控制推進系統的優勢得到充分體現。以重力梯度測量衛星為代表的無拖曳控制航天器的發展和應用將成為新的空間技術發展趨勢之一。在借鑒國外成功經驗的基礎上，結合科學探測規劃目標，及早開展無拖曳控制離子電推進的研制。