衛星推進系統仿真平臺架構設計與實現

劉曉豐　何欣

摘 要 針對衛星推進系統設計周期長、成本高、故障復現難度大等特點，文章利用數值仿真的方法構建了一種推進系統仿真平臺。該仿真平臺由衛星模擬系統、環境動力學模擬系統、數據處理系統和仿真時間管理系統四部分組成，四個模擬系統完成對衛星、空間環境、以及地面遙測遙控的模擬。在該平臺下對推進系統進行了總體仿真。該仿真平臺能夠為推進系統故障復現與診斷提供支持。

關鍵詞 推進系統；仿真；故障診斷

中圖分類號：V416 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）14-0009-02

航天器推進系統承載著衛星軌道與姿態控制、軌道與姿態機動及位置保持等各種功能。推進系統在衛星上扮演重要角色，其性能好壞，直接影響衛星的控制精度、壽命與可靠性；航天器推進系統絕大部分時間處于落壓式工作階段，并且推力器的推力是不穩定的，尤其是處于落壓式工作階段，因而產生的力與力矩的大小也不是恒定的。工程實踐表明，非穩態階段推進系統各物理參數急劇變化，是推進系統故障發生的敏感期，還可將仿真結果用于故障復現仿真系統。

航天器推進系統結構復雜，研制生產周期長，試驗成本高，試驗安全性要求高。大量的研究工作依靠試驗來完成是不經濟的，有些甚至是不可能的。數值仿真技術的出現為解決研制、試驗過程中的一些難題提供了一個很好的平臺。與試驗相比，數值仿真不受外部條件制約，具有優良的可控性和無破壞性，可重復使用?；诶碚撃Ｐ偷臄抵捣抡婵梢栽谝欢ǔ潭壬戏治龊皖A估推進系統性能，為推進系統的設計和研制提供有價值的參考。數值仿真和試驗相結合，可以顯著降低研制成本，縮短研制周期，已經成為現代航天領域普遍采用的研究方法[1]。

1 推進系統組成與工作原理

1.1 推進系統的組成

以某衛星平臺為例，推進系統主要的部件包括貯箱（氧化劑箱和還原劑箱）、氣瓶（2個氦氣瓶）、1臺遠地點發動機、12個姿控推力器以及一些閥門。推進系統的結構如圖1所示。

1.2 衛星推進系統的模塊劃分

根據推進系統的結構，推進系統可以劃分成以下模塊：貯箱模塊、氣瓶模塊、推力器模塊和遠地點發動機模塊。

1.2.1 貯箱

貯箱分為氧化劑箱和燃料箱兩部分，可以通過閥門的開關以及燃料的流速控制貯箱內的壓力以及燃料變化。除此以外，貯箱的一些相關參數還與貯箱的溫度有關。

1.2.2 高壓氣瓶

高壓氣瓶內儲存的氣體是一般氦氣。氣瓶是與貯箱相連接的。在推力器或遠地點發動機工作時，必須保證貯箱內有一定的壓力，從而把燃料和氧化劑從氣瓶內壓出，而氣瓶正是保障貯箱內保持預期壓力的裝置。

1.2.3 推力器

推力器是衛星進行姿態控制，東西位置保持和南北位置保持以及軌道機動等的主要部件。某衛星平臺有12個姿控推力器。推力器模塊主要功能是計算推力器提供的推力，如果推進系統恒壓工作，姿控推力器提供的推力是額定值；如果落壓工作，那么推力器提供的推力與燃燒室的壓力有關。

1.2.4 軌控發動機

某衛星平臺軌控發動機提供的標準推力為軌控。如果推進系統恒壓工作，軌控遠地點發動機提供的推力是軌控；如果推進系統落壓工作，遠地點發動機提供的推力與燃燒室的壓力

有關。

2 推進系統的仿真平臺的架構設計

在星箭分離后，第一次遠地點點火前，所有推力器按落壓式工作，預充的氦氣作為擠壓氣體；由姿控推力器完成星箭分離后阻尼，太陽捕獲并建立繞負Z軸的慢旋。遠地點發動在推進系統的遠地點發動機點火是按恒壓工作模式，高壓氣路和液體主管路的常閉電爆閥通電打開，減壓器處于工作狀態；為防止推進劑蒸汽混合，在減壓器下游設置單向閥；由姿控推力器，把衛星調整到遠地點點火姿態，姿控推力器使推進劑沉底。遠地點發動機點火期間，姿控推力器保持穩定點火姿態。遠地點發動機變軌完畢后，常開電爆閥通電，使之關閉。這樣遠地點發動機、高壓氣瓶、減壓閥和單向閥等與正常軌道運行的貯箱，自鎖閥和姿控推力器等部件隔開。推進系統按落壓式工作，完成衛星姿控，東西位置保持和南北位置保持。星上12臺姿控推力器分為兩個獨立互為備份的半系統。

姿控推力器除了完成衛星姿控和南北位置保持等機動任務外，還可作為軌控發動機備份，在軌控發動機出現故障時，由多臺姿控推力器完成轉移軌道的變軌任務，因此要求姿控推力器具有高總沖和長壽命。

此外，衛星推進系統與熱控系統、姿軌控、遙測遙控系統之間是耦合的。貯箱和氣瓶的壓力與溫度有關，推進系統的閥門的開關需要地面提供遙控指令。

根據衛星推進系統工作原理，推進系統的總體仿真平臺結構如圖2所示。

3 推進系統總體仿真

本文編寫了衛星推進系統仿真平臺軟件，包括對衛星姿軌控、天體、衛星熱控系統以及時間系統、三維演示系統的模擬。對衛星推進系統進行了總體仿真。仿真數據一方面發送到OSG進行三維演示，另一方面歸檔至Acess數據庫，如圖3所示。

三維演示模型可以獲得推進系統各個部件參數的瞬時數據，通過半實物仿真很好的實現了所有的數據傳輸，對數據結果進行直觀的分析。

4 結論

本文主要介紹了衛星推進系統的組成、工作原理、推進系統部件模型以及組件建立的方法，用C++編寫了推進系統的仿真程序，對推進系統進行了仿真。該仿真平臺能夠為故障診斷與復現提供支持。

參考文獻

[1]毛根旺，唐金蘭，等.航天器推進系統及其應用[M].西安：西北工業大學出版社，2009：73-190.

作者簡介

劉曉豐（1984-），男，漢族，吉林長春人，碩士，主要從事空間光學遙感技術，衛星系統仿真。

何欣，研究員，吉林長春人，主要從事光學遙感技術。endprint