在軌補(bǔ)加技術(shù)在小衛(wèi)星上的應(yīng)用

+ 黃立鈉 景育 朱文杰 陳志堅(jiān) 上?？臻g推進(jìn)研究所

在軌補(bǔ)加技術(shù)在小衛(wèi)星上的應(yīng)用

+ 黃立鈉 景育 朱文杰 陳志堅(jiān) 上?？臻g推進(jìn)研究所

現(xiàn)代小衛(wèi)星具有體軹小、質(zhì)量輕、成本低、研制周期短等特點(diǎn)，且可協(xié)同工作形成功能相對(duì)傳統(tǒng)衛(wèi)星更完善的“虛擬衛(wèi)星”，因而逐漸成為新一代衛(wèi)星發(fā)展主要方向。上海空間推進(jìn)研究所在“十二五”期間開展了衛(wèi)星在軌補(bǔ)加技術(shù)研究，進(jìn)行了補(bǔ)加控制程序驗(yàn)證試驗(yàn)和補(bǔ)加關(guān)鍵性能驗(yàn)證試驗(yàn)，掌握了氣墊壓縮補(bǔ)加控制策略和加注量測(cè)量方法。研宄表明，衛(wèi)星在軌補(bǔ)加技術(shù)論證充分，加注量測(cè)量精度可達(dá)2%，將有效地為在軌小衛(wèi)星增效延壽。

小衛(wèi)星；在軌補(bǔ)加；加注量測(cè)量；延長(zhǎng)壽命

表1　小行星分類表

1　引言

自20世紀(jì)80年代以來，國際上微小衛(wèi)星的發(fā)展十分迅速，世界上已有20多個(gè)國家和地區(qū)開展了微小衛(wèi)星的研究工作【1】?，F(xiàn)代小衛(wèi)星有別于早期的小衛(wèi)星，典型特征為具有技術(shù)先進(jìn)性和高功能、高密度【2】。

民用航天在軌服務(wù)技術(shù)是國防科工局支持的重點(diǎn)預(yù)研項(xiàng)目，主要研究?jī)?nèi)容包括在軌補(bǔ)加、在軌維護(hù)等。其中在軌補(bǔ)加技術(shù)通過前期研究，得到了在軌補(bǔ)加過程自動(dòng)控制策略和加注量測(cè)量方法。

對(duì)于一般采用組網(wǎng)和編隊(duì)飛行的小衛(wèi)星來說，在軌補(bǔ)加優(yōu)勢(shì)尤為凸顯，文中將對(duì)其適用性進(jìn)行分析。

2　小衛(wèi)星概述

2.1小衛(wèi)星的應(yīng)用領(lǐng)域

小衛(wèi)星以質(zhì)量為特征進(jìn)行分類，在世界上有好幾種版本，比較典型的有以下四種【3】，見表1。

小衛(wèi)星主要有以下幾方面的應(yīng)用。

（1）小衛(wèi)星星座

小衛(wèi)星星座是指為完成某一特定空間飛行任務(wù)而協(xié)同工作的多顆小衛(wèi)星集臺(tái)。現(xiàn)有的小衛(wèi)星星座主要分為通信星座、遙感星座、科學(xué)試驗(yàn)星座。

（2）小衛(wèi)星編隊(duì)飛行

小衛(wèi)星編隊(duì)飛行是指由若干顆衛(wèi)星構(gòu)成一個(gè)特定形狀，各顆衛(wèi)星互相協(xié)同工作，共同承擔(dān)信號(hào)處理、通信和有效載荷等任務(wù)。任務(wù)功能是由整個(gè)編隊(duì)飛行的星群來完成的，整個(gè)星群構(gòu)成一顆大的“虛擬衛(wèi)星”。

表2　補(bǔ)加方案適用范圍

2.2小衛(wèi)星的推進(jìn)系統(tǒng)

小衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)可以選用電推進(jìn)系統(tǒng)、冷氣/液化氣推進(jìn)系統(tǒng)、單組元/雙組元化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)。其中，電推進(jìn)系統(tǒng)功耗較大；冷氣/液化氣推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是比沖較低；化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)目前仍是小衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)的首選，相對(duì)雙組元推進(jìn)系統(tǒng)，單組元推進(jìn)系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單，控制更加容易，其在小衛(wèi)星中被選用最多。

下文針對(duì)單組元化學(xué)落壓式推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行在軌補(bǔ)加技術(shù)研究。

3　航天器在軌補(bǔ)加技術(shù)研究

3.1在軌補(bǔ)加方案

從國外常用的直接輸送推進(jìn)劑的方式來看，常用的補(bǔ)加方案有如下四種【4】：氣墊壓縮補(bǔ)加方案、氣墊交換補(bǔ)加方案、氣墊降壓補(bǔ)加方案、貯箱放空補(bǔ)加方案。

（l）氣墊壓縮補(bǔ)加方案

對(duì)于落壓式推進(jìn)系統(tǒng)，可以直接把推進(jìn)劑從服務(wù)航天器擠壓到目標(biāo)航天器貯箱內(nèi)。進(jìn)入目標(biāo)航天器貯箱內(nèi)的推進(jìn)劑壓縮貯箱氣墊使其恢復(fù)初始?jí)毫?，接收貯箱的壓力決定可補(bǔ)加推進(jìn)劑量。

（2）氣墊交換樸加方案

氣墊交換補(bǔ)加方案使用泵把服務(wù)航天器的推進(jìn)劑傳輸?shù)侥繕?biāo)航天器貯箱內(nèi)，要求服務(wù)航天器與目標(biāo)航天器推進(jìn)系統(tǒng)工作壓力相同，兩個(gè)系統(tǒng)之間通過管路連接，形成閉路泵壓系統(tǒng)。泵壓驅(qū)動(dòng)服務(wù)航天器貯箱內(nèi)推進(jìn)劑進(jìn)入目標(biāo)航天器貯箱內(nèi)，目標(biāo)航天器貯箱氣墊則被擠出進(jìn)入服務(wù)航天器貯箱內(nèi)，以填補(bǔ)被輸出的推進(jìn)劑的位置。

（3）氣墊降壓補(bǔ)加方案

氣墊降壓補(bǔ)加方案首先需要降低目標(biāo)飛行貯箱內(nèi)氣墊壓力。壓力降低后，使用低壓擠壓氣體將服務(wù)航天器貯箱內(nèi)推進(jìn)劑輸送至目標(biāo)航天器。

（4）貯箱放空補(bǔ)加方案

貯箱放空補(bǔ)加方案首先將目標(biāo)航天器貯箱的所有推進(jìn)劑都要排回到服務(wù)航天器貯箱內(nèi)，因此需要服務(wù)航天器貯箱有空間容納排回的推進(jìn)劑；然后把殘留的推進(jìn)劑和擠壓氣體排到太空，使貯箱內(nèi)部處于真空狀態(tài)；最后用低壓氣體將服務(wù)航天器貯箱內(nèi)推進(jìn)劑擠壓輸送至目標(biāo)航天器內(nèi)，直至貯箱加滿。

上述四種補(bǔ)加方案的適用范圍如表2所示。

下文選擇氣墊壓縮補(bǔ)加方案進(jìn)行分析。

3.2氣墊壓縮補(bǔ)加技術(shù)

早在20世紀(jì)70年代，俄羅斯（蘇聯(lián)）的進(jìn)步號(hào)飛船向其空間站成功執(zhí)行了液體推進(jìn)劑（N2O4和UDMH）的傳輸任務(wù)，隨后俄羅斯完成了和平號(hào)空間站和國際空間站的星辰號(hào)和曙光號(hào)的補(bǔ)加任務(wù)。俄羅斯在推進(jìn)劑補(bǔ)加方面具有較為成熟的研制和使用經(jīng)驗(yàn)，是目前國際上唯一進(jìn)行在軌補(bǔ)加應(yīng)用的國家。

NASA也從20世紀(jì)60年代開始對(duì)推進(jìn)劑直接傳輸加注技術(shù)展開了大量的研究工作，并進(jìn)行了飛行試驗(yàn)，包括：

1984年STS—41G，飛行任務(wù)，對(duì)在軌推進(jìn)劑補(bǔ)加系統(tǒng)進(jìn)行了在軌試驗(yàn)，進(jìn)行了6次共計(jì)142kg的肼推進(jìn)劑傳輸；

1992年STS—53飛行任務(wù)，進(jìn)行了液體推進(jìn)劑獲取與傳輸加注試驗(yàn)的第一次在軌試驗(yàn)（FARE- Ⅰ），研究篩網(wǎng)通道式表面張力貯箱的補(bǔ)加性能；

1993年STS—57飛行任務(wù)，進(jìn)行了液體推進(jìn)劑獲取與傳輸加注試驗(yàn)的第二次在軌試驗(yàn)（FARE-Ⅱ ）試驗(yàn)，研究板式表面張力貯箱的補(bǔ)加性能；

1996年STS—77 飛行任務(wù)，進(jìn)行了排氣式加注試驗(yàn)，并對(duì)其在航天器加速條件下的液體位置恢復(fù)能力進(jìn)行測(cè)試：

2007年3月美國軌道快車項(xiàng)目（ Orbital Express，OE）發(fā)射在軌服務(wù)衛(wèi)星ASTRO和客戶星NextSat，演示了兩星之同推進(jìn)劑（肼）的往返傳輸。流體傳輸過程驗(yàn)證了單組元推進(jìn)劑肼從ASTRO傳輸?shù)絅extSat以及從NextSat傳輸?shù)紸STRO的過程，采用了氣墊交換補(bǔ)加和氣墊壓縮補(bǔ)加兩種補(bǔ)加方法。

我國的在軌補(bǔ)加技術(shù)取得了一定的成績(jī)，XXX工程三期規(guī)劃采用貨運(yùn)飛船向空間站補(bǔ)給燃料和物資，上?？臻g推進(jìn)研究所負(fù)責(zé)推進(jìn)劑補(bǔ)加系統(tǒng)的研制，其研制的300L膜盒貯箱已隨XX-1空間實(shí)驗(yàn)室在軌飛行近四年，其同尺寸改進(jìn)型產(chǎn)品將用于空間站項(xiàng)目中，壓氣機(jī)也已進(jìn)人試樣階段。

“十二五”期間，上?？臻g推進(jìn)研究所又在國防科工局的支持下，開展了基于氣墊壓縮補(bǔ)加的在軌補(bǔ)加技術(shù)的研究。所內(nèi)自主研制了氣墊壓縮在軌補(bǔ)加的演示樣機(jī)（如圖1所示）和攻關(guān)樣機(jī)（如圖2所示）.

圖一 氣墊壓縮補(bǔ)加演示樣機(jī)

圖2　氣墊壓縮補(bǔ)加攻關(guān)樣機(jī)

通過多次論證和試驗(yàn)驗(yàn)證了以下關(guān)鍵技術(shù)：

1）可多次充填排放的表面張力貯箱設(shè)計(jì)及相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的制定；

2）補(bǔ)加系統(tǒng)方案及補(bǔ)加過程液體流動(dòng)控制技術(shù)；

3）補(bǔ)加自動(dòng)控制程序；

4）氣墊壓縮過程氣墊溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的監(jiān)測(cè)與采集；

5）加注量測(cè)量方法驗(yàn)證并確定測(cè)量的修正參數(shù)。

試驗(yàn)過程中，一系統(tǒng)補(bǔ)加采用自動(dòng)控制程序.采用溫度和壓力傳感器對(duì)補(bǔ)加過程氣墊溫度和壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，如圖3、4。所示。

圖3　補(bǔ)加過程溫度場(chǎng)

圖4　補(bǔ)加過程壓力場(chǎng)

關(guān)于加注量測(cè)量，采用溫度、壓力等過程參數(shù)采集和電子秤測(cè)量?jī)煞N模式。經(jīng)驗(yàn)證，參數(shù)計(jì)算的結(jié)果與電子秤實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，補(bǔ)加末期差值小于2%。補(bǔ)加初始階段因?yàn)闇囟葌鬟f滯后，計(jì)算補(bǔ)加量偏低，隨著補(bǔ)加量增多，補(bǔ)加量的計(jì)算結(jié)果與電子秤秤量結(jié)果一致，該補(bǔ)加量測(cè)算方法有效。補(bǔ)加過程的兩次補(bǔ)加量計(jì)算結(jié)果與測(cè)量結(jié)果對(duì)比情況見圖5和圖6

圖5　第一次加注量測(cè)量

圖6　第二次加注量測(cè)量

圖7　為配有服務(wù)星的編隊(duì)飛行小衛(wèi)星

4　在軌補(bǔ)加技術(shù)在小衛(wèi)星上應(yīng)用的適應(yīng)性分析

衛(wèi)星在軌補(bǔ)加可選用自備服務(wù)星（燃料補(bǔ)充站）的方案。這也是科工局民用航天的一項(xiàng)研究?jī)?nèi)容，由上海航天技術(shù)研究院和上?？臻g推進(jìn)研究所共同完成。方案可以簡(jiǎn)單描述為：在小衛(wèi)星任務(wù)發(fā)射時(shí)，除了發(fā)射多顆主份星和少量備份星外再發(fā)射一顆服務(wù)星，如圖7所示。服務(wù)星與主備份星不同之處在于：無需攜帶過多的有效載荷，整星以推進(jìn)劑貯存為功能要求僅配有必要的導(dǎo)航和推進(jìn)系統(tǒng)。圖7為配有服務(wù)星的編隊(duì)飛行小衛(wèi)星。

經(jīng)分析，配備服務(wù)星的星座或“虛擬衛(wèi)星”有以下優(yōu)勢(shì)：

1）提高功能密度。每顆小衛(wèi)星初始攜帶推進(jìn)劑量減少，在提高整星干重比的同時(shí)減輕了整星重量。

2）優(yōu)化整星結(jié)構(gòu)配置。衛(wèi)星上貯箱體積縮小，為有效載荷省出更多的空間。

3）優(yōu)化系統(tǒng)控制。整星液體所占的比例降低，減少固液耦合帶來的影啊。

4）延長(zhǎng)運(yùn)行壽命。僅需保證服務(wù)星燃料充足和可靠運(yùn)行，即可使得小衛(wèi)星不會(huì)因推進(jìn)劑耗光而壽命終結(jié)。

5）降低運(yùn)營(yíng)成本。由多顆小衛(wèi)星的新舊替換，轉(zhuǎn)換為服務(wù)星的補(bǔ)充，避免有效載荷固燃料耗盡而無故障報(bào)廢。

經(jīng)上述分析可見，為“虛擬衛(wèi)星”配備一顆服務(wù)星，無論在技術(shù)、成本、研制周期等方面均有不可忽視的效益。推薦在小衛(wèi)星新項(xiàng)目論證中考慮增加在軌補(bǔ)加項(xiàng)目。

5　結(jié)束語

通過介紹小衛(wèi)星的應(yīng)用前景及其常用推進(jìn)系統(tǒng)，并分析在軌補(bǔ)加技術(shù)成熟度、技術(shù)驗(yàn)證過程和技術(shù)成果，得出在軌補(bǔ)加技術(shù)應(yīng)用于小衛(wèi)星具有延長(zhǎng)衛(wèi)星的使用壽命和減少整星的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)成本的優(yōu)勢(shì)，建議未來小衛(wèi)星論證時(shí)選用這一工作模式。

【1】王曉梅.微小衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)【J】.數(shù)字通信世界，2006.

【2】張艷娥,等.現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及專題應(yīng)用講座（一）【J】軍事通信技術(shù)，2006

【3】林來興.小衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用前景【J】.中國航天，2006

【4】R.EBERHARDT, T.TRACEY, W.BAILEY. Orbital Spacecrafa Resupply Technology.AIAA86-1604

注：本文出自《2015年小衛(wèi)星技術(shù)交流會(huì)論文集》