空间机动服务平台在轨补给技术研究*

2008-10-23魏延明潘海林

空间控制技术与应用 2008年2期

魏延明，潘海林

(北京控制工程研究所，北京 100190)

1 引言

自首颗人造地球卫星发射以来，实现航天器在空间的自由机动一直是空间技术发展的重要方向之一。早在1969年10月，苏联就用3艘“联盟”飞船在200公里椭圆轨道上实现了战机式的编队飞行。整个编队飞行持续了24小时，飞行中各飞船之间仅相距几公里。为了保持编队的队形，3艘飞船共进行了31次变轨机动。这次飞行既表明了轨道间自由机动的可能性，也显示了轨道机动所需付出的高昂代价。进入20世纪80年代，空间服务成为研究的重点，航天器空间机动飞行技术再次得到重视，欧美等国家先后提出了自动转移飞行器(ATV)、轨道快车(Express)、轨道机动飞行器(SMV)和试验航天器系统(XSS)等计划。

空间机动能力取决于推进剂的携带量。由于空间系统质量和体积受到运行控制特性以及运载系统单次发射能力的限制，所以目前的各种卫星推进系统的推进剂储量是非常有限的，而仅仅依靠卫星自身携带的推进剂远远无法完成上述广泛的轨道机动任务，因此发展液体推进剂在轨补给技术是必要的。

航天器寿命受到推进剂质量比值的限制。现今，由于发射成本很高，大多数国家都选择发射不需要后勤支持的长寿命卫星，因而只能在发射时就将卫星充满足够的燃料，这样既增加了发射成本，又降低了卫星的有效载荷和寿命。如果通过给航天器补充推进剂来提高寿命，不但减轻了发射重量，还可以把发射系统做得更小，使发射成本变得越来越低。卫星越大、越昂贵，通过在轨补给减少发射重量的意义就越明显。

1999年美国空军还研究了采用在轨补给推进剂技术改进全球定位卫星(GPS)星座的维持任务在技术方面的经济可行性，指出该项改进将获得十分显著的效益[1]。最近，NASA研究了美国卫星服务技术的经济发展需求，提出了其21世纪航天器服务与护卫空间基础设施的体系结构，并指出在轨燃料补给是最需要发展的服务内容和获利最大的技术。

2 国外发展情况及趋势

2.1 俄罗斯的在轨补给的实施情况

从1978年开始，俄罗斯就使用了在轨补给技术，使用隔膜式贮箱为目标贮箱添加推进剂，使用压缩机为气瓶添加高压气体。

隔膜贮箱将推进剂和压缩气体分开，可以通过挤压排出推进剂，而不用担心有气泡被吸入。这种隔膜式系统的缺点是隔膜的使用寿命短，重量较大，不能够消除由内部散布的液体所形成的蒸汽泡，不过，俄罗斯已经使用这种补给箱为空间站在轨补给了870kg的推进剂(两箱氧化剂，两箱燃料)。所使用的压缩气体为高压氮气。在接受箱内部使用一个压缩机来降低压力，把贮箱内的氮气反排给高压气瓶。当燃料的漏率检查完毕后，接着就进行氧化剂的传输。两种液体分开传输减少了泄漏造成的危害。这个补给过程既可以在地面站控制也可以在空间站上操作。

俄罗斯第一次进行推进剂的在轨加注是1978年1月20日，之后还用于其他空间站——和平号空间站(Mir)和国际空间站(ISS)，其中ISS空间站第一次补给是在2000年8月。这些补给都是使用进步号飞船完成的，其安全性和可靠性为世界各国所称道，尽管从技术上讲它并不是最先进的。

2.2 美国的在轨补给研究及规划

美国从80年代就开始了利用航天飞机进行在轨补给试验，共进行了5次：

(1)ORS项目(On Orbital Refueling System Flight Demonstration)；

(2)SFMD项目(Storable Fluid Management Demonstration)；

(3)FARE1项目(Fluid Acquisition and Resupply Experiment)；

(4)FARE2项目(Fluid Acquisition and Resupply Experiment)；

(5)VTRE项目(The Vented Tank Resupply Experiment)。

通过多年的研究和在轨试验，美国不仅掌握了这项技术，而且可以推广到技术更先进、应用范围更广泛的低温推进剂在轨补给。

1999年11月由美国国防部高级研究计划局(DARPA)正式公布了“轨道快车”计划[2]。该计划用于研发支持未来美国国家安全和商业卫星的在轨补给及重构技术[3]。

美国计划采取如下的步骤[4]：首先将燃料和所需的电子部件等物品发射到太空中，进入燃料保存轨道，形成一个空间存储库，然后通过空间自动运输系统从存储库中取出所需物品运送到需进行补充的目标星上，实现整个在轨补给操作。通过该计划，可以实现在轨卫星的燃料补充、电池更换、部件升级等维修工作，延长卫星的工作寿命，增强卫星的机动能力，从而大幅度降低卫星的成本[5～8]。

美国计划在2010年实现部署“轨道快车”计划，完成空间存储库的发射，建立往返于存储库和目标星之间的运输通道，实现在轨补给。

2.3 其他国家的在轨补给研究相关进展

除了俄罗斯和美国之外，日本和欧洲也在积极开展与在轨补给技术相关的研究，并且在一些相关领域，尤其是空间机器人和对接装置研究方面取得了较大进展。

迄今日本已发射两颗航天器在轨进行了与维修有关的技术试验。

1995年11月18日，日本用H-Ⅱ火箭发射了试验、观测两用自由飞行器(SFV)，1996年1月13日成功地用美国航天飞机STS-72回收，日本航天员操作STS-72上的机械臂捕获到SFV并将其装入航天飞机货舱后带回地面。

1997年11月18日，日本发射了实验交会对接和空间机器人技术的技术试验卫星ETS-VII，用这颗星不仅验证了目标星与追踪星在轨分离、交会和对接技术，还利用星上的大型机械臂分别采用地面遥操作和自主控制的方式完成了对目标星的捕获以及在轨更换模块等试验。

1997年德国宇航中心(DLR)提出了机器人宇航员的概念，当时的背景是一颗刚刚发射的卫星TV-SAT-I在进入轨道后太阳能电池板不能自动打开，而卫星所在的轨道又是载人航天无法到达的轨道。因此DLR提出了一个在移动卫星上安装两个轻型机器人手臂、两个多指灵巧手指及两台立体摄像机的设想。由机器人宇航员去捕获、并与故障卫星对接，进而去维修它，同样可以通过遥操作该机器人宇航员进行在轨补给服务。

综上所述，世界各主要的航天大国都已经掌握了在轨补给技术。俄罗斯从1978年就已经实施，到目前已经成功地完成了多次在轨补给，而美国从上世纪80年代初就开始了在轨补给技术的研究，使该技术得到了充分的发展，并提出了庞大的在轨补给计划。还有一些国家已经开始了这方面技术的探索。在轨补给技术可以大规模提高卫星的机动能力，为具有攻防能力的卫星提供足够的推进剂。在轨补给技术还可以延长卫星寿命，节省造价，提高效能。

3 基于表面张力贮箱的双组元在轨补给方案研究

3.1 多种方案比较

在轨加注方案主要分为3大类：推进剂直接传输式、推进模块更换式和推进模块补加式。其中推进剂直接传输式是目前使用最多的，俄罗斯和美国都采用了这种在轨加注方案，按照其操作方式的不同，该方案又可分为压缩机式、倍压式、排气式和贯通式等4种，它们各有优缺点，如表1所示。

表1 各种推进剂直接传输补给模式优缺点比较

近年来，国外对推进模块更换式和推进模块补加式方案也开展了研究，但是这两种方案都需要对目前的卫星设计做大幅度地更改，因此研究仅停留在试验室论证阶段，距实际应用还有很长的距离。

3.2 一种新方案

本文提出了一种基于表面张力贮箱的双组元推进系统在轨加注方案，该方案属于排气式补给方案中的一种，适合大多数航天器的在轨加注，如大型通信卫星、大型侦察卫星、天基作战平台、空间机动飞行器等。这些卫星的造价昂贵，大多使用双组元统一推进系统，对其进行补给的效益更加突出；另外，对该方案进行适当简化，可以实现单组元卫星的在轨推进剂补给，因此，该方案具有一定的通用性。

基于表面张力贮箱的双组元推进系统的在轨加注方案是将整个系统分为4个模块：被加注系统模块、氧化剂加注模块、燃烧剂加注模块和增压气体加注模块。在实施加注时，在氧化剂和燃烧剂加注前需先对被加注贮箱进行排气，然后才分别进行加注，而压缩气体单独进行加注。加注贮箱和接收贮箱都选用表面张力贮箱。初步设计方案如图1所示。

这种加注方案的主要优点如下：

(1)与现有卫星推进系统相匹配。目前，国内外绝大多数卫星上都采用的是表面张力贮箱，采用这种方案与卫星推进系统的发展相适应。

(2)采用排气式加注方式，可以在低压状态下补给，在补给过程中由压缩而产生的热量比倍压式要少，便于缩短加注时间，提高加注的可靠性和安全性。

(3)表面张力贮箱在推进剂加注方面具有明显优势，该类型贮箱具有容量大、可反复加排、无活动部件、能进行地面验证的优点。

图1 补给系统组成方案

3.3 工作原理

采用本加注方案，压缩气体和推进剂需要分别加注，具体过程分为如下3步：

(1)气体补给

先是关闭被补给侧的减压模块，然后打开加排阀，进行高压气体补给。补给完毕后，关闭加排阀，完成气体补给。

(2)推进剂补给

以燃料补给为例。对接后，先是被补给侧的贮箱排气，在气路关断时，打开被补给侧自锁阀和加排阀，接通被补给侧的加注管路，然后对补给侧的贮箱增压，同时，打开补给侧的自锁阀与加排阀，进行补给。补给完毕后，先是关闭补给侧的自锁阀与加排阀，然后关闭被补给侧的加排阀与自锁阀，完成燃料补给。

(3)补充贮箱气垫

以燃料侧为例。对接后，通过补给侧的气体试验接口，在打开贮箱上游自锁阀、关闭加排阀的条件下，将补给侧减压后再将气体补充到燃料箱内。

3.4 关键技术

3.4.1 微重力下流体传输机理研究

在微重力环境下，重力不再占主导作用，表面张力、粘性力和其他应用力(如重力梯度和随机加速度)决定了流体的分布，因此对微重力下流体的传输机理进行研究对在轨加注的实现具有至关重要的意义。

微重力下流动传输机理的研究主要包括如下内容：轨道运动条件下在轨补给过程中贮箱中推进剂的定位方式、轨道运动条件下在轨补给过程中贮箱中液体与气体的分布、推进剂管理装置在流体传输方面发挥的作用、低重力环境下箱内增压气体的排放控制和加注过程中的热力学变化。通过对加注过程的全物理仿真，可模拟出整个过程的气液分布、温度变化和流速变化情况，为加注程序的设计提供数值依据，为在轨加注的实施提供有效参考。

3.4.2 加注方和被加注方推进系统的设计

加注方和被加注方推进系统设计的前提是加注方案的确定。对于不同的加注方案，所对应的系统设计有很大不同。

液体补充加注系统可分成3个组件：供应箱、传输管和接受箱。供应箱必须能够将液体排空并不夹带蒸汽，且保持一定的压力以确保实现快速传输，这个问题已经由成功应用的表面张力贮箱解决了；传输管必须保证连接两个贮箱时流体的损失最小，能够调节到要求的参数，并保持低压降，保证连接的可靠性、密封性和分离的快速性，这虽然属于流体管路接口问题，但也可能涉及出现的泄漏问题；核心技术在于航天器是在轨道运动环境下对接受箱的加注，包括在微重力环境下对箱内增压气体的排放控制、液体和蒸汽分布控制要求等。

除了要设计液体在轨加注系统之外，还有必要对气体加注系统进行设计。气体的传输分为两种类型，一种是利用压差进行传输，一种是使用压缩机进行传输。

3.4.3 在轨加注对接装置的结构布局

对与加注箱和被加注箱对接的装置进行合理设计，对接装置才能够实现定位、锁紧、连通、流量控制和分离的功能。在整个接对装置中，将被加注箱的对接装置部分设置为被动件，将加注箱的对接装置设置为主动件，当完成捕获后，由加注箱的对接装置主动寻找被加注箱的对接部位并进行定位，在完成定位后，完成对两个对接装置锁紧，继而打开加注阀门实施加注。在完成加注后，关闭加注阀门，使锁紧装置分离，两个对接装置实现脱离。

在进行对接装置的结构设计时，要在充分考虑加注的全过程的情况下，合理地安排定位装置、锁紧装置、分离装置的位置和布局，同时还要将整个过程中的检测装置进行合理布局，在充分考虑其可靠性的前提下，根据空间环境的特点对各个装置的布局进行优化，做到整个加注装置布置的科学、合理和安全。在进行对接装置设计时，还要充分考虑装置的通用性问题。

对接装置还要求结构简单、固有可靠性高和系统重量轻，航天器在轨流体补给系统的零件数和活动件数要尽量少。作为航天器在轨流体补给系统，其连接机构的可靠性和密封性是关键性指标，对接面结构形式可采用现有的航天器在轨对接机构。

安全性设计是对接装置设计的另一项重要内容，对接装置连接的刚度和密封性都有很高的要求，还需要对传输管路进行碎片防护设计，此外，为了确保任务的成功，应该设计一个备用的在轨流体补给系统，还应该考虑在紧急情况下在轨流体补给系统分离的解锁装置

3.4.4 漂浮基空间机器人与遥操作

在空间对接过程的捕获阶段，可以利用安装在服务航天器上的空间机器人(漂浮基空间机器人)捕获目标卫星，然后将捕获到的目标卫星送入三叉式对接机构的捕获包络区。当目标卫星处在漂浮基空间机器人捕获范围内时，由于太空环境的复杂性，目标卫星相对服务航天器的位置和姿态都具有一定的不确定性，空间机器人不可能完全按照预先设定的程序自动地完成捕获任务，需要宇航员或者地面站上的操作员对其进行干预，因此构建空间机器人遥操作系统是非常必要的。在高真空、微重力、大时延的太空环境下空间机器人遥操作系统是一个非常复杂的系统，研究其系统集成技术、人机交互方法、预测仿真技术、局部自主操作及空间机器人与漂浮基协调运动的自适应控制技术是非常必要的。

3.4.5 补给过程的应急处理与安全的保障可靠性技术

应配备使航天器在轨与推进剂补给系统分离的解锁装置，补给过程如遇紧急情况时使用。

严格控制在氧化剂和燃料混合过程中所发生的溢流和泄漏问题。用航天器推进剂在轨补给系统传输双元推进剂时，安全是个首要问题。

对接锁紧装置在对接后应锁紧，以保证连接的刚度和密封性要求。

3.4.6 补给过程的实时监测及故障诊断技术

在补给过程中必须实现实时监测、故障诊断和辅助决策，以提高补给注入过程的安全性和可靠性。

推进剂泄漏检测技术是实现在轨补给和航天器正常运行的关键技术之一。为提高对泄漏检测的可靠性，可利用具有高分辨能力的质谱检测和具有高灵敏度的敏感膜，实现推进剂泄漏检测。