[其他]具有推力调制的静电离子推进器的宇宙飞行器及其有关方法

说明书

本发明总的涉及航天飞行器推进器，特别是涉及用于旋转宇宙飞行器的离子推进发动机。

利用离子源来给宇宙飞行器提供推进动力的概念很早就提出来了。在这方面有两个早期的专利，一个是美国专利NO.3052088（戴维斯及其合作者），另一个是美国专利NO.3156090（考夫曼），这两个专利都叙述了静电离子推进装置。但是目前几乎所有用于行星或地球轨道应用方面的推进系统都是化学推进器。由于轨道卫星延长寿命的需要，因而对具有静电离子推进器优美的那些推进器的需要日益增长。尽管卫星的各个部件能够在宇宙空间长时间工作，但定向推进剂耗尽却要求卫星退役，这一直是限制卫星寿命的一个因素。定向推进剂主要是用来保持南北方向的定向，因为必须补偿太阳及月亮的引力，这个引力是倾向于使同步轨道的倾角增加的。对于某一给定的卫星，采用离子推进系统硬设备及推进剂来代替化学液体双元推进剂可以使该卫星的寿命延长一倍。这种可能性是由于离子推进器比化学推进器的比冲要大得多而且离子推进器的能源是太阳。

离子推进器是靠高速排出离子推进剂来产生推力的。通常排出速度及比冲是由速度增量及可用功率这些任务要求以及推进剂要求来选择的。比冲通常有一个最佳值。对于给定的排出速度，推力水平的调节通常是靠离子来流量的变化来完成的（离子束流量亦可单位时间排出的离子数目）。为了旋转卫星的姿态控制，需要在短时间内使离子束流量有很大的变化，而这一点对于目前可供使用的离子推进系统来讲是很不易控制的。

B，A付瑞（B.A.Free）在“通讯卫星的电子推进”一文中（“Electric    Propulsionfor    Communications    Satellites”，ComsAT    TM    CL-4-80，COMSAT    yabora-Tories，Januarg1980）首先提出了以下设想：当天体遮蔽太阳时，由电池来给同步通讯卫星上用于南北定向（NSSK，即north-south    StationReeping）的离子推进子系统供电。自此之后就不断证实：通过按装高比冲的离子推进子系统来执行南北定向功能从而减少必须携带的化学推进剂数量，这能够给通讯卫星带来显著的经济效益。参见R.L.波歇尔“通讯卫星的离子推进”JSA    SS/AIAA/DGLR    Paper    NO.IEPC    84-43，TORYO    Japan，May    1984。

在过去研制的离子推进子系统中，汞一直用来作为推进剂，这是因为汞的原子量大从而能给出很高的比冲值（ISP），量级约为3000秒。但是惰性气体氙（xenon）也能提供和汞差不多的性能，并能大大简化推进剂的处理过程。

对于靠旋转稳定的卫星希望这样做：如南北定向用的推进器（1个或多个）按排在偏离卫星的轴线位置上，这样可以靠推力的旋转同步调制来同时校正速度及旋转轴姿态。使用偏离轴线的化学推进器并采用断-开式脉冲来控制速度及姿态已在授予威姆斯（Willims）的美国专利NO.3758051中加以叙述了。断脉冲或推力调制对于其质量中心是偏离旋转轴的双旋转卫星也是重要的，因为它能使按旋转周期平均的推力通过宇宙飞行器的质量中心。

离子推进推进器的断脉冲推力调制出现了化学推进器中未出现过的问题。这些推进器要求一个相当长的起动时间，达几分钟的量级。另外进入等离子区的推进剂流量的电机械调制是不够理想的，因为难于准确控制，且机械阀门的重覆运行使可靠性降低。

因此本发明的主要目的是提供一个没有上述问题及缺点的卫星推进系统。

本发明的另一目的是要提供一个推力能够调制的静电离子推进器。

本发明的再一个目的是要提供一个离子束流量不变的推力可调制的静电离子推进器。

本发明的另一目的是要提供机械阀门不需重覆运行的推力调制静电离子推进器。

本发明的再一个目的之一是要提供推力调制静电离子推进器的操作方法。

本发明的另一目的是要提供一个方法来调制离子推进器的推力以控制宇宙飞行器的姿态，而这种方法不需要推进器提供零推力。

本发明还有另一个目的是要提供一个运行寿命更长的旋转稳定卫星。

本发明还有另一个目的是要提供一个质量中心偏离轴线的旋转稳定卫星，该卫星用推力调制静电离子推进器来实现南北定向。