空間機動服務(wù)平臺推進劑在軌給付方案

空間機動服務(wù)平臺推進劑在軌給付方案

1航天器軌道機動能力發(fā)展現(xiàn)狀自首次發(fā)射以來，實現(xiàn)模型在空間的自由移動一直是空間技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。早在1969年10月,蘇聯(lián)就用3艘“聯(lián)盟”飛船在200公里橢圓軌道上實現(xiàn)了戰(zhàn)機式的編隊飛行。整個編隊飛行持續(xù)了24小時,飛行中各飛船之間僅相距幾公里。為了保持編隊的隊形,3艘飛船共進行了31次變軌機動。這次飛行既表明了軌道間自由機動的可能性,也顯示了軌道機動所需付出的高昂代價。進入20世紀(jì)80年代,空間服務(wù)成為研究的重點,航天器空間機動飛行技術(shù)再次得到重視,歐美等國家先后提出了自動轉(zhuǎn)移飛行器(ATV)、軌道快車(Express)、軌道機動飛行器(SMV)和試驗航天器系統(tǒng)(XSS)等計劃?？臻g機動能力取決于推進劑的攜帶量。由于空間系統(tǒng)質(zhì)量和體積受到運行控制特性以及運載系統(tǒng)單次發(fā)射能力的限制,所以目前的各種衛(wèi)星推進系統(tǒng)的推進劑儲量是非常有限的,而僅僅依靠衛(wèi)星自身攜帶的推進劑遠遠無法完成上述廣泛的軌道機動任務(wù),因此發(fā)展液體推進劑在軌補給技術(shù)是必要的。航天器壽命受到推進劑質(zhì)量比值的限制?，F(xiàn)今,由于發(fā)射成本很高,大多數(shù)國家都選擇發(fā)射不需要后勤支持的長壽命衛(wèi)星,因而只能在發(fā)射時就將衛(wèi)星充滿足夠的燃料,這樣既增加了發(fā)射成本,又降低了衛(wèi)星的有效載荷和壽命。如果通過給航天器補充推進劑來提高壽命,不但減輕了發(fā)射重量,還可以把發(fā)射系統(tǒng)做得更小,使發(fā)射成本變得越來越低。衛(wèi)星越大、越昂貴,通過在軌補給減少發(fā)射重量的意義就越明顯。1999年美國空軍還研究了采用在軌補給推進劑技術(shù)改進全球定位衛(wèi)星(GPS)星座的維持任務(wù)在技術(shù)方面的經(jīng)濟可行性,指出該項改進將獲得十分顯著的效益。最近,NASA研究了美國衛(wèi)星服務(wù)技術(shù)的經(jīng)濟發(fā)展需求,提出了其21世紀(jì)航天器服務(wù)與護衛(wèi)空間基礎(chǔ)設(shè)施的體系結(jié)構(gòu),并指出在軌燃料補給是最需要發(fā)展的服務(wù)內(nèi)容和獲利最大的技術(shù)。2國外的發(fā)展2.1原材料氣體和燃料補給箱從1978年開始,俄羅斯就使用了在軌補給技術(shù),使用隔膜式貯箱為目標(biāo)貯箱添加推進劑,使用壓縮機為氣瓶添加高壓氣體。隔膜貯箱將推進劑和壓縮氣體分開,可以通過擠壓排出推進劑,而不用擔(dān)心有氣泡被吸入。這種隔膜式系統(tǒng)的缺點是隔膜的使用壽命短,重量較大,不能夠消除由內(nèi)部散布的液體所形成的蒸汽泡,不過,俄羅斯已經(jīng)使用這種補給箱為空間站在軌補給了870kg的推進劑(兩箱氧化劑,兩箱燃料)。所使用的壓縮氣體為高壓氮氣。在接受箱內(nèi)部使用一個壓縮機來降低壓力,把貯箱內(nèi)的氮氣反排給高壓氣瓶。當(dāng)燃料的漏率檢查完畢后,接著就進行氧化劑的傳輸。兩種液體分開傳輸減少了泄漏造成的危害。這個補給過程既可以在地面站控制也可以在空間站上操作。俄羅斯第一次進行推進劑的在軌加注是1978年1月20日,之后還用于其他空間站——和平號空間站(Mir)和國際空間站(ISS),其中ISS空間站第一次補給是在2000年8月。這些補給都是使用進步號飛船完成的,其安全性和可靠性為世界各國所稱道,盡管從技術(shù)上講它并不是最先進的。2.2美在軌認識技術(shù)的運用美國從80年代就開始了利用航天飛機進行在軌補給試驗,共進行了5次:(1)ORS項目(OnOrbitalRefuelingSystemFlightDemonstration);(2)SFMD項目(StorableFluidManagementDemonstration);(3)FARE1項目(FluidAcquisitionandResupplyExperiment);(4)FARE2項目(FluidAcquisitionandResupplyExperiment);(5)VTRE項目(TheVentedTankResupplyExperiment)。通過多年的研究和在軌試驗,美國不僅掌握了這項技術(shù),而且可以推廣到技術(shù)更先進、應(yīng)用范圍更廣泛的低溫推進劑在軌補給。1999年11月由美國國防部高級研究計劃局(DARPA)正式公布了“軌道快車”計劃。該計劃用于研發(fā)支持未來美國國家安全和商業(yè)衛(wèi)星的在軌補給及重構(gòu)技術(shù)。美國計劃采取如下的步驟:首先將燃料和所需的電子部件等物品發(fā)射到太空中,進入燃料保存軌道,形成一個空間存儲庫,然后通過空間自動運輸系統(tǒng)從存儲庫中取出所需物品運送到需進行補充的目標(biāo)星上,實現(xiàn)整個在軌補給操作。通過該計劃,可以實現(xiàn)在軌衛(wèi)星的燃料補充、電池更換、部件升級等維修工作,延長衛(wèi)星的工作壽命,增強衛(wèi)星的機動能力,從而大幅度降低衛(wèi)星的成本。美國計劃在2010年實現(xiàn)部署“軌道快車”計劃,完成空間存儲庫的發(fā)射,建立往返于存儲庫和目標(biāo)星之間的運輸通道,實現(xiàn)在軌補給。2.3在軌補給技術(shù)除了俄羅斯和美國之外,日本和歐洲也在積極開展與在軌補給技術(shù)相關(guān)的研究,并且在一些相關(guān)領(lǐng)域,尤其是空間機器人和對接裝置研究方面取得了較大進展。迄今日本已發(fā)射兩顆航天器在軌進行了與維修有關(guān)的技術(shù)試驗。1995年11月18日,日本用H-Ⅱ火箭發(fā)射了試驗、觀測兩用自由飛行器(SFV),1996年1月13日成功地用美國航天飛機STS-72回收,日本航天員操作STS-72上的機械臂捕獲到SFV并將其裝入航天飛機貨艙后帶回地面。1997年11月18日,日本發(fā)射了實驗交會對接和空間機器人技術(shù)的技術(shù)試驗衛(wèi)星ETS-VII,用這顆星不僅驗證了目標(biāo)星與追蹤星在軌分離、交會和對接技術(shù),還利用星上的大型機械臂分別采用地面遙操作和自主控制的方式完成了對目標(biāo)星的捕獲以及在軌更換模塊等試驗。1997年德國宇航中心(DLR)提出了機器人宇航員的概念,當(dāng)時的背景是一顆剛剛發(fā)射的衛(wèi)星TV-SAT-I在進入軌道后太陽能電池板不能自動打開,而衛(wèi)星所在的軌道又是載人航天無法到達的軌道。因此DLR提出了一個在移動衛(wèi)星上安裝兩個輕型機器人手臂、兩個多指靈巧手指及兩臺立體攝像機的設(shè)想。由機器人宇航員去捕獲、并與故障衛(wèi)星對接,進而去維修它,同樣可以通過遙操作該機器人宇航員進行在軌補給服務(wù)。綜上所述,世界各主要的航天大國都已經(jīng)掌握了在軌補給技術(shù)。俄羅斯從1978年就已經(jīng)實施,到目前已經(jīng)成功地完成了多次在軌補給,而美國從上世紀(jì)80年代初就開始了在軌補給技術(shù)的研究,使該技術(shù)得到了充分的發(fā)展,并提出了龐大的在軌補給計劃。還有一些國家已經(jīng)開始了這方面技術(shù)的探索。在軌補給技術(shù)可以大規(guī)模提高衛(wèi)星的機動能力,為具有攻防能力的衛(wèi)星提供足夠的推進劑。在軌補給技術(shù)還可以延長衛(wèi)星壽命,節(jié)省造價,提高效能。3在張力儲存計劃中，討論了油水船的雙重元的列3.1壓縮機+倍壓+排氣式、貫通式在軌加注方案主要分為3大類:推進劑直接傳輸式、推進模塊更換式和推進模塊補加式。其中推進劑直接傳輸式是目前使用最多的,俄羅斯和美國都采用了這種在軌加注方案,按照其操作方式的不同,該方案又可分為壓縮機式、倍壓式、排氣式和貫通式等4種,它們各有優(yōu)缺點,如表1所示。近年來,國外對推進模塊更換式和推進模塊補加式方案也開展了研究,但是這兩種方案都需要對目前的衛(wèi)星設(shè)計做大幅度地更改,因此研究僅停留在試驗室論證階段,距實際應(yīng)用還有很長的距離。3.2雙組元衛(wèi)星實際應(yīng)用方案本文提出了一種基于表面張力貯箱的雙組元推進系統(tǒng)在軌加注方案,該方案屬于排氣式補給方案中的一種,適合大多數(shù)航天器的在軌加注,如大型通信衛(wèi)星、大型偵察衛(wèi)星、天基作戰(zhàn)平臺、空間機動飛行器等。這些衛(wèi)星的造價昂貴,大多使用雙組元統(tǒng)一推進系統(tǒng),對其進行補給的效益更加突出;另外,對該方案進行適當(dāng)簡化,可以實現(xiàn)單組元衛(wèi)星的在軌推進劑補給,因此,該方案具有一定的通用性?；诒砻鎻埩A箱的雙組元推進系統(tǒng)的在軌加注方案是將整個系統(tǒng)分為4個模塊:被加注系統(tǒng)模塊、氧化劑加注模塊、燃燒劑加注模塊和增壓氣體加注模塊。在實施加注時,在氧化劑和燃燒劑加注前需先對被加注貯箱進行排氣,然后才分別進行加注,而壓縮氣體單獨進行加注。加注貯箱和接收貯箱都選用表面張力貯箱。初步設(shè)計方案如圖1所示。這種加注方案的主要優(yōu)點如下:(1)與現(xiàn)有衛(wèi)星推進系統(tǒng)相匹配。目前,國內(nèi)外絕大多數(shù)衛(wèi)星上都采用的是表面張力貯箱,采用這種方案與衛(wèi)星推進系統(tǒng)的發(fā)展相適應(yīng)。(2)采用排氣式加注方式,可以在低壓狀態(tài)下補給,在補給過程中由壓縮而產(chǎn)生的熱量比倍壓式要少,便于縮短加注時間,提高加注的可靠性和安全性。(3)表面張力貯箱在推進劑加注方面具有明顯優(yōu)勢,該類型貯箱具有容量大、可反復(fù)加排、無活動部件、能進行地面驗證的優(yōu)點。3.3燃料補給補徑線采用本加注方案,壓縮氣體和推進劑需要分別加注,具體過程分為如下3步:(1)氣體補給先是關(guān)閉被補給側(cè)的減壓模塊,然后打開加排閥,進行高壓氣體補給。補給完畢后,關(guān)閉加排閥,完成氣體補給。(2)推進劑補給以燃料補給為例。對接后,先是被補給側(cè)的貯箱排氣,在氣路關(guān)斷時,打開被補給側(cè)自鎖閥和加排閥,接通被補給側(cè)的加注管路,然后對補給側(cè)的貯箱增壓,同時,打開補給側(cè)的自鎖閥與加排閥,進行補給。補給完畢后,先是關(guān)閉補給側(cè)的自鎖閥與加排閥,然后關(guān)閉被補給側(cè)的加排閥與自鎖閥,完成燃料補給。(3)補充貯箱氣墊以燃料側(cè)為例。對接后,通過補給側(cè)的氣體試驗接口,在打開貯箱上游自鎖閥、關(guān)閉加排閥的條件下,將補給側(cè)減壓后再將氣體補充到燃料箱內(nèi)。3.4關(guān)鍵技術(shù)3.4.1在軌注漿的實現(xiàn)在微重力環(huán)境下,重力不再占主導(dǎo)作用,表面張力、粘性力和其他應(yīng)用力(如重力梯度和隨機加速度)決定了流體的分布,因此對微重力下流體的傳輸機理進行研究對在軌加注的實現(xiàn)具有至關(guān)重要的意義。微重力下流動傳輸機理的研究主要包括如下內(nèi)容:軌道運動條件下在軌補給過程中貯箱中推進劑的定位方式、軌道運動條件下在軌補給過程中貯箱中液體與氣體的分布、推進劑管理裝置在流體傳輸方面發(fā)揮的作用、低重力環(huán)境下箱內(nèi)增壓氣體的排放控制和加注過程中的熱力學(xué)變化。通過對加注過程的全物理仿真,可模擬出整個過程的氣液分布、溫度變化和流速變化情況,為加注程序的設(shè)計提供數(shù)值依據(jù),為在軌加注的實施提供有效參考。3.4.2流體管口傳輸系統(tǒng)加注方和被加注方推進系統(tǒng)設(shè)計的前提是加注方案的確定。對于不同的加注方案,所對應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計有很大不同。液體補充加注系統(tǒng)可分成3個組件:供應(yīng)箱、傳輸管和接受箱。供應(yīng)箱必須能夠?qū)⒁后w排空并不夾帶蒸汽,且保持一定的壓力以確保實現(xiàn)快速傳輸,這個問題已經(jīng)由成功應(yīng)用的表面張力貯箱解決了;傳輸管必須保證連接兩個貯箱時流體的損失最小,能夠調(diào)節(jié)到要求的參數(shù),并保持低壓降,保證連接的可靠性、密封性和分離的快速性,這雖然屬于流體管路接口問題,但也可能涉及出現(xiàn)的泄漏問題;核心技術(shù)在于航天器是在軌道運動環(huán)境下對接受箱的加注,包括在微重力環(huán)境下對箱內(nèi)增壓氣體的排放控制、液體和蒸汽分布控制要求等。除了要設(shè)計液體在軌加注系統(tǒng)之外,還有必要對氣體加注系統(tǒng)進行設(shè)計。氣體的傳輸分為兩種類型,一種是利用壓差進行傳輸,一種是使用壓縮機進行傳輸。3.4.3注漿裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計對與加注箱和被加注箱對接的裝置進行合理設(shè)計,對接裝置才能夠?qū)崿F(xiàn)定位、鎖緊、連通、流量控制和分離的功能。在整個接對裝置中,將被加注箱的對接裝置部分設(shè)置為被動件,將加注箱的對接裝置設(shè)置為主動件,當(dāng)完成捕獲后,由加注箱的對接裝置主動尋找被加注箱的對接部位并進行定位,在完成定位后,完成對兩個對接裝置鎖緊,繼而打開加注閥門實施加注。在完成加注后,關(guān)閉加注閥門,使鎖緊裝置分離,兩個對接裝置實現(xiàn)脫離。在進行對接裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計時,要在充分考慮加注的全過程的情況下,合理地安排定位裝置、鎖緊裝置、分離裝置的位置和布局,同時還要將整個過程中的檢測裝置進行合理布局,在充分考慮其可靠性的前提下,根據(jù)空間環(huán)境的特點對各個裝置的布局進行優(yōu)化,做到整個加注裝置布置的科學(xué)、合理和安全。在進行對接裝置設(shè)計時,還要充分考慮裝置的通用性問題。對接裝置還要求結(jié)構(gòu)簡單、固有可靠性高和系統(tǒng)重量輕,航天器在軌流體補給系統(tǒng)的零件數(shù)和活動件數(shù)要盡量少。作為航天器在軌流體補給系統(tǒng),其連接機構(gòu)的可靠性和密封性是關(guān)鍵性指標(biāo),對接面結(jié)構(gòu)形式可采用現(xiàn)有的航天器在軌對接機構(gòu)。安全性設(shè)計是對接裝置設(shè)計的另一項重要內(nèi)容,對接裝置連接的剛度和密封性都有很高的要求,還需要對傳輸管路進行碎片防護設(shè)計,此外,為了確保任務(wù)的成功,應(yīng)該設(shè)計一個備用的在軌流體補給系統(tǒng),還應(yīng)該考慮在緊急情況下在軌流體補給系統(tǒng)分離的解鎖裝置3.4.4空間機器人遙操作系統(tǒng)在空間對接過程的捕獲階段,可以利用安裝在服務(wù)航天器上的空間機器人(漂浮基空間機器人)捕獲目標(biāo)衛(wèi)星,然后將捕獲到的目標(biāo)衛(wèi)星送入三叉式對接機構(gòu)的捕獲包絡(luò)區(qū)。當(dāng)目標(biāo)衛(wèi)星處在漂浮基空間機器人捕獲范圍內(nèi)時,由于太空環(huán)境的復(fù)雜性,目標(biāo)衛(wèi)星相對服務(wù)航天器的位置和姿態(tài)都具有一定的不確定性,空間機器人不可能完全按照預(yù)先設(shè)定的程序自動地完成捕獲任務(wù),需要宇航員或者地面站上的操作員對其進行干預(yù),因此構(gòu)建空間機器人遙操作系統(tǒng)是非常必要的。在高真空、微重力、大時延的太空環(huán)境下空間機器人遙操作系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng),研究其系統(tǒng)集成技術(shù)、人機交互方法、預(yù)測仿真技術(shù)、局部自主操作及空間機器人與漂浮基協(xié)調(diào)運動的自適應(yīng)控制技術(shù)是非常必要的。3.4.5航天器催化劑應(yīng)配備使航天器在軌與推進劑補給系統(tǒng)分離的解鎖裝置,補給過程如遇緊急情況時使用。嚴格控制在氧化劑和燃料混合過程中所發(fā)生的溢流和泄漏問題。用航天器推進劑在軌補給系統(tǒng)傳輸雙元推進劑時,安全是個首要問題。對接鎖緊裝置在對接后應(yīng)鎖緊,以保證連接的剛度和密封性要求。3.4.6組件泄漏檢測技術(shù)在補給過程中必須實現(xiàn)實時監(jiān)測、故障診斷和輔助決策,以提高補給注入過程的安全性和可靠性。推進劑