空間機(jī)動(dòng)服務(wù)平臺(tái)推進(jìn)劑在軌給付方案

空間機(jī)動(dòng)服務(wù)平臺(tái)推進(jìn)劑在軌給付方案

1航天器軌道機(jī)動(dòng)能力發(fā)展現(xiàn)狀自首次發(fā)射以來(lái)，實(shí)現(xiàn)模型在空間的自由移動(dòng)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(shí)現(xiàn)了戰(zhàn)機(jī)式的編隊(duì)飛行。整個(gè)編隊(duì)飛行持續(xù)了24小時(shí),飛行中各飛船之間僅相距幾公里。為了保持編隊(duì)的隊(duì)形,3艘飛船共進(jìn)行了31次變軌機(jī)動(dòng)。這次飛行既表明了軌道間自由機(jī)動(dòng)的可能性,也顯示了軌道機(jī)動(dòng)所需付出的高昂代價(jià)。進(jìn)入20世紀(jì)80年代,空間服務(wù)成為研究的重點(diǎn),航天器空間機(jī)動(dòng)飛行技術(shù)再次得到重視,歐美等國(guó)家先后提出了自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器(ATV)、軌道快車(Express)、軌道機(jī)動(dòng)飛行器(SMV)和試驗(yàn)航天器系統(tǒng)(XSS)等計(jì)劃?？臻g機(jī)動(dòng)能力取決于推進(jìn)劑的攜帶量。由于空間系統(tǒng)質(zhì)量和體積受到運(yùn)行控制特性以及運(yùn)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(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)劑儲(chǔ)量是非常有限的,而僅僅依靠衛(wèi)星自身攜帶的推進(jìn)劑遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法完成上述廣泛的軌道機(jī)動(dòng)任務(wù),因此發(fā)展液體推進(jìn)劑在軌補(bǔ)給技術(shù)是必要的。航天器壽命受到推進(jìn)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(guó)家都選擇發(fā)射不需要后勤支持的長(zhǎng)壽命衛(wèi)星,因而只能在發(fā)射時(shí)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(guò)給航天器補(bǔ)充推進(jìn)劑來(lái)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(lái)越低。衛(wèi)星越大、越昂貴,通過(guò)在軌補(bǔ)給減少發(fā)射重量的意義就越明顯。1999年美國(guó)空軍還研究了采用在軌補(bǔ)給推進(jìn)劑技術(shù)改進(jìn)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(jì)可行性,指出該項(xiàng)改進(jìn)將獲得十分顯著的效益。最近,NASA研究了美國(guó)衛(wèi)星服務(wù)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求,提出了其21世紀(jì)航天器服務(wù)與護(hù)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(bǔ)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(guó)外的發(fā)展2.1原材料氣體和燃料補(bǔ)給箱從1978年開(kāi)始,俄羅斯就使用了在軌補(bǔ)給技術(shù),使用隔膜式貯箱為目標(biāo)貯箱添加推進(jìn)劑,使用壓縮機(jī)為氣瓶添加高壓氣體。隔膜貯箱將推進(jìn)劑和壓縮氣體分開(kāi),可以通過(guò)擠壓排出推進(jìn)劑,而不用擔(dān)心有氣泡被吸入。這種隔膜式系統(tǒng)的缺點(diǎn)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(guò),俄羅斯已經(jīng)使用這種補(bǔ)給箱為空間站在軌補(bǔ)給了870kg的推進(jìn)劑(兩箱氧化劑,兩箱燃料)。所使用的壓縮氣體為高壓氮?dú)?。在接受箱?nèi)部使用一個(gè)壓縮機(jī)來(lái)降低壓力,把貯箱內(nèi)的氮?dú)夥磁沤o高壓氣瓶。當(dāng)燃料的漏率檢查完畢后,接著就進(jìn)行氧化劑的傳輸。兩種液體分開(kāi)傳輸減少了泄漏造成的危害。這個(gè)補(bǔ)給過(guò)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(jìn)行推進(jìn)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(hào)空間站(Mir)和國(guó)際空間站(ISS),其中ISS空間站第一次補(bǔ)給是在2000年8月。這些補(bǔ)給都是使用進(jìn)步號(hào)飛船完成的,其安全性和可靠性為世界各國(guó)所稱道,盡管從技術(shù)上講它并不是最先進(jìn)的。2.2美在軌認(rèn)識(shí)技術(shù)的運(yùn)用美國(guó)從80年代就開(kāi)始了利用航天飛機(jī)進(jìn)行在軌補(bǔ)給試驗(yàn),共進(jìn)行了5次:(1)ORS項(xiàng)目(OnOrbitalRefuelingSystemFlightDemonstration);(2)SFMD項(xiàng)目(StorableFluidManagementDemonstration);(3)FARE1項(xiàng)目(FluidAcquisitionandResupplyExperiment);(4)FARE2項(xiàng)目(FluidAcquisitionandResupplyExperiment);(5)VTRE項(xiàng)目(TheVentedTankResupplyExperiment)。通過(guò)多年的研究和在軌試驗(yàn),美國(guó)不僅掌握了這項(xiàng)技術(shù),而且可以推廣到技術(shù)更先進(jìn)、應(yīng)用范圍更廣泛的低溫推進(jìn)劑在軌補(bǔ)給。1999年11月由美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)正式公布了“軌道快車”計(jì)劃。該計(jì)劃用于研發(fā)支持未來(lái)美國(guó)國(guó)家安全和商業(yè)衛(wèi)星的在軌補(bǔ)給及重構(gòu)技術(shù)。美國(guó)計(jì)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(jìn)入燃料保存軌道,形成一個(gè)空間存儲(chǔ)庫(kù),然后通過(guò)空間自動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)從存儲(chǔ)庫(kù)中取出所需物品運(yùn)送到需進(jìn)行補(bǔ)充的目標(biāo)星上,實(shí)現(xiàn)整個(gè)在軌補(bǔ)給操作。通過(guò)該計(jì)劃,可以實(shí)現(xiàn)在軌衛(wèi)星的燃料補(bǔ)充、電池更換、部件升級(jí)等維修工作,延長(zhǎng)衛(wèi)星的工作壽命,增強(qiáng)衛(wèi)星的機(jī)動(dòng)能力,從而大幅度降低衛(wèi)星的成本。美國(guó)計(jì)劃在2010年實(shí)現(xiàn)部署“軌道快車”計(jì)劃,完成空間存儲(chǔ)庫(kù)的發(fā)射,建立往返于存儲(chǔ)庫(kù)和目標(biāo)星之間的運(yùn)輸通道,實(shí)現(xiàn)在軌補(bǔ)給。2.3在軌補(bǔ)給技術(shù)除了俄羅斯和美國(guó)之外,日本和歐洲也在積極開(kāi)展與在軌補(bǔ)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(jī)器人和對(duì)接裝置研究方面取得了較大進(jìn)展。迄今日本已發(fā)射兩顆航天器在軌進(jìn)行了與維修有關(guān)的技術(shù)試驗(yàn)。1995年11月18日,日本用H-Ⅱ火箭發(fā)射了試驗(yàn)、觀測(cè)兩用自由飛行器(SFV),1996年1月13日成功地用美國(guó)航天飛機(jī)STS-72回收,日本航天員操作STS-72上的機(jī)械臂捕獲到SFV并將其裝入航天飛機(jī)貨艙后帶回地面。1997年11月18日,日本發(fā)射了實(shí)驗(yàn)交會(huì)對(duì)接和空間機(jī)器人技術(shù)的技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星ETS-VII,用這顆星不僅驗(yàn)證了目標(biāo)星與追蹤星在軌分離、交會(huì)和對(duì)接技術(shù),還利用星上的大型機(jī)械臂分別采用地面遙操作和自主控制的方式完成了對(duì)目標(biāo)星的捕獲以及在軌更換模塊等試驗(yàn)。1997年德國(guó)宇航中心(DLR)提出了機(jī)器人宇航員的概念,當(dāng)時(shí)的背景是一顆剛剛發(fā)射的衛(wèi)星TV-SAT-I在進(jìn)入軌道后太陽(yáng)能電池板不能自動(dòng)打開(kāi),而衛(wèi)星所在的軌道又是載人航天無(wú)法到達(dá)的軌道。因此DLR提出了一個(gè)在移動(dòng)衛(wèi)星上安裝兩個(gè)輕型機(jī)器人手臂、兩個(gè)多指靈巧手指及兩臺(tái)立體攝像機(jī)的設(shè)想。由機(jī)器人宇航員去捕獲、并與故障衛(wèi)星對(duì)接,進(jìn)而去維修它,同樣可以通過(guò)遙操作該機(jī)器人宇航員進(jìn)行在軌補(bǔ)給服務(wù)。綜上所述,世界各主要的航天大國(guó)都已經(jīng)掌握了在軌補(bǔ)給技術(shù)。俄羅斯從1978年就已經(jīng)實(shí)施,到目前已經(jīng)成功地完成了多次在軌補(bǔ)給,而美國(guó)從上世紀(jì)80年代初就開(kāi)始了在軌補(bǔ)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(bǔ)給計(jì)劃。還有一些國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始了這方面技術(shù)的探索。在軌補(bǔ)給技術(shù)可以大規(guī)模提高衛(wèi)星的機(jī)動(dòng)能力,為具有攻防能力的衛(wèi)星提供足夠的推進(jìn)劑。在軌補(bǔ)給技術(shù)還可以延長(zhǎng)衛(wèi)星壽命,節(jié)省造價(jià),提高效能。3在張力儲(chǔ)存計(jì)劃中，討論了油水船的雙重元的列3.1壓縮機(jī)+倍壓+排氣式、貫通式在軌加注方案主要分為3大類:推進(jìn)劑直接傳輸式、推進(jìn)模塊更換式和推進(jìn)模塊補(bǔ)加式。其中推進(jìn)劑直接傳輸式是目前使用最多的,俄羅斯和美國(guó)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(jī)式、倍壓式、排氣式和貫通式等4種,它們各有優(yōu)缺點(diǎn),如表1所示。近年來(lái),國(guó)外對(duì)推進(jìn)模塊更換式和推進(jìn)模塊補(bǔ)加式方案也開(kāi)展了研究,但是這兩種方案都需要對(duì)目前的衛(wèi)星設(shè)計(jì)做大幅度地更改,因此研究?jī)H停留在試驗(yàn)室論證階段,距實(shí)際應(yīng)用還有很長(zhǎng)的距離。3.2雙組元衛(wèi)星實(shí)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(jìn)系統(tǒng)在軌加注方案,該方案屬于排氣式補(bǔ)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(tái)、空間機(jī)動(dòng)飛行器等。這些衛(wèi)星的造價(jià)昂貴,大多使用雙組元統(tǒng)一推進(jìn)系統(tǒng),對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)給的效益更加突出;另外,對(duì)該方案進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化,可以實(shí)現(xiàn)單組元衛(wèi)星的在軌推進(jìn)劑補(bǔ)給,因此,該方案具有一定的通用性。基于表面張力貯箱的雙組元推進(jìn)系統(tǒng)的在軌加注方案是將整個(gè)系統(tǒng)分為4個(gè)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(shí)施加注時(shí),在氧化劑和燃燒劑加注前需先對(duì)被加注貯箱進(jìn)行排氣,然后才分別進(jìn)行加注,而壓縮氣體單獨(dú)進(jìn)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(jì)方案如圖1所示。這種加注方案的主要優(yōu)點(diǎn)如下:(1)與現(xiàn)有衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)相匹配。目前,國(guó)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(jìn)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(bǔ)給,在補(bǔ)給過(guò)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(shí)間,提高加注的可靠性和安全性。(3)表面張力貯箱在推進(jìn)劑加注方面具有明顯優(yōu)勢(shì),該類型貯箱具有容量大、可反復(fù)加排、無(wú)活動(dòng)部件、能進(jìn)行地面驗(yàn)證的優(yōu)點(diǎn)。3.3燃料補(bǔ)給補(bǔ)徑線采用本加注方案,壓縮氣體和推進(jìn)劑需要分別加注,具體過(guò)程分為如下3步:(1)氣體補(bǔ)給先是關(guān)閉被補(bǔ)給側(cè)的減壓模塊,然后打開(kāi)加排閥,進(jìn)行高壓氣體補(bǔ)給。補(bǔ)給完畢后,關(guān)閉加排閥,完成氣體補(bǔ)給。(2)推進(jìn)劑補(bǔ)給以燃料補(bǔ)給為例。對(duì)接后,先是被補(bǔ)給側(cè)的貯箱排氣,在氣路關(guān)斷時(shí),打開(kāi)被補(bǔ)給側(cè)自鎖閥和加排閥,接通被補(bǔ)給側(cè)的加注管路,然后對(duì)補(bǔ)給側(cè)的貯箱增壓,同時(shí),打開(kāi)補(bǔ)給側(cè)的自鎖閥與加排閥,進(jìn)行補(bǔ)給。補(bǔ)給完畢后,先是關(guān)閉補(bǔ)給側(cè)的自鎖閥與加排閥,然后關(guān)閉被補(bǔ)給側(cè)的加排閥與自鎖閥,完成燃料補(bǔ)給。(3)補(bǔ)充貯箱氣墊以燃料側(cè)為例。對(duì)接后,通過(guò)補(bǔ)給側(cè)的氣體試驗(yàn)接口,在打開(kāi)貯箱上游自鎖閥、關(guān)閉加排閥的條件下,將補(bǔ)給側(cè)減壓后再將氣體補(bǔ)充到燃料箱內(nèi)。3.4關(guān)鍵技術(shù)3.4.1在軌注漿的實(shí)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(jī)加速度)決定了流體的分布,因此對(duì)微重力下流體的傳輸機(jī)理進(jìn)行研究對(duì)在軌加注的實(shí)現(xiàn)具有至關(guān)重要的意義。微重力下流動(dòng)傳輸機(jī)理的研究主要包括如下內(nèi)容:軌道運(yùn)動(dòng)條件下在軌補(bǔ)給過(guò)程中貯箱中推進(jìn)劑的定位方式、軌道運(yùn)動(dòng)條件下在軌補(bǔ)給過(guò)程中貯箱中液體與氣體的分布、推進(jìn)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(guò)程中的熱力學(xué)變化。通過(guò)對(duì)加注過(guò)程的全物理仿真,可模擬出整個(gè)過(guò)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(jì)提供數(shù)值依據(jù),為在軌加注的實(shí)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(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提是加注方案的確定。對(duì)于不同的加注方案,所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)有很大不同。液體補(bǔ)充加注系統(tǒng)可分成3個(gè)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(shí)現(xiàn)快速傳輸,這個(gè)問(wèn)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(gè)貯箱時(shí)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(wèn)題,但也可能涉及出現(xiàn)的泄漏問(wèn)題;核心技術(shù)在于航天器是在軌道運(yùn)動(dòng)環(huán)境下對(duì)接受箱的加注,包括在微重力環(huán)境下對(duì)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(jì)液體在軌加注系統(tǒng)之外,還有必要對(duì)氣體加注系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。氣體的傳輸分為兩種類型,一種是利用壓差進(jìn)行傳輸,一種是使用壓縮機(jī)進(jìn)行傳輸。3.4.3注漿裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)與加注箱和被加注箱對(duì)接的裝置進(jìn)行合理設(shè)計(jì),對(duì)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(gè)接對(duì)裝置中,將被加注箱的對(duì)接裝置部分設(shè)置為被動(dòng)件,將加注箱的對(duì)接裝置設(shè)置為主動(dòng)件,當(dāng)完成捕獲后,由加注箱的對(duì)接裝置主動(dòng)尋找被加注箱的對(duì)接部位并進(jìn)行定位,在完成定位后,完成對(duì)兩個(gè)對(duì)接裝置鎖緊,繼而打開(kāi)加注閥門(mén)實(shí)施加注。在完成加注后,關(guān)閉加注閥門(mén),使鎖緊裝置分離,兩個(gè)對(duì)接裝置實(shí)現(xiàn)脫離。在進(jìn)行對(duì)接裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),要在充分考慮加注的全過(guò)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(shí)還要將整個(gè)過(guò)程中的檢測(cè)裝置進(jìn)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(diǎn)對(duì)各個(gè)裝置的布局進(jìn)行優(yōu)化,做到整個(gè)加注裝置布置的科學(xué)、合理和安全。在進(jìn)行對(duì)接裝置設(shè)計(jì)時(shí),還要充分考慮裝置的通用性問(wèn)題。對(duì)接裝置還要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、固有可靠性高和系統(tǒng)重量輕,航天器在軌流體補(bǔ)給系統(tǒng)的零件數(shù)和活動(dòng)件數(shù)要盡量少。作為航天器在軌流體補(bǔ)給系統(tǒng),其連接機(jī)構(gòu)的可靠性和密封性是關(guān)鍵性指標(biāo),對(duì)接面結(jié)構(gòu)形式可采用現(xiàn)有的航天器在軌對(duì)接機(jī)構(gòu)。安全性設(shè)計(jì)是對(duì)接裝置設(shè)計(jì)的另一項(xiàng)重要內(nèi)容,對(duì)接裝置連接的剛度和密封性都有很高的要求,還需要對(duì)傳輸管路進(jìn)行碎片防護(hù)設(shè)計(jì),此外,為了確保任務(wù)的成功,應(yīng)該設(shè)計(jì)一個(gè)備用的在軌流體補(bǔ)給系統(tǒng),還應(yīng)該考慮在緊急情況下在軌流體補(bǔ)給系統(tǒng)分離的解鎖裝置3.4.4空間機(jī)器人遙操作系統(tǒng)在空間對(duì)接過(guò)程的捕獲階段,可以利用安裝在服務(wù)航天器上的空間機(jī)器人(漂浮基空間機(jī)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(duì)接機(jī)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(jī)器人捕獲范圍內(nèi)時(shí),由于太空環(huán)境的復(fù)雜性,目標(biāo)衛(wèi)星相對(duì)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(jī)器人不可能完全按照預(yù)先設(shè)定的程序自動(dòng)地完成捕獲任務(wù),需要宇航員或者地面站上的操作員對(duì)其進(jìn)行干預(yù),因此構(gòu)建空間機(jī)器人遙操作系統(tǒng)是非常必要的。在高真空、微重力、大時(shí)延的太空環(huán)境下空間機(jī)器人遙操作系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng),研究其系統(tǒng)集成技術(shù)、人機(jī)交互方法、預(yù)測(cè)仿真技術(shù)、局部自主操作及空間機(jī)器人與漂浮基協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)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(jìn)劑補(bǔ)給系統(tǒng)分離的解鎖裝置,補(bǔ)給過(guò)程如遇緊急情況時(shí)使用。嚴(yán)格控制在氧化劑和燃料混合過(guò)程中所發(fā)生的溢流和泄漏問(wèn)題。用航天器推進(jìn)劑在軌補(bǔ)給系統(tǒng)傳輸雙元推進(jìn)劑時(shí),安全是個(gè)首要問(wèn)題。對(duì)接鎖緊裝置在對(duì)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(cè)技術(shù)在補(bǔ)給過(guò)程中必須實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障診斷和輔助決策,以提高補(bǔ)給注入過(guò)程的安全性和可靠性。推進(jìn)劑