在轨补加技术在小卫星上的应用

2015-10-27黄立钠景育朱文杰陈志坚上海空间推进研究所

卫星与网络 2015年12期

+ 黄立钠景育朱文杰陈志坚上海空间推进研究所

在轨补加技术在小卫星上的应用

+ 黄立钠景育朱文杰陈志坚上海空间推进研究所

现代小卫星具有体轵小、质量轻、成本低、研制周期短等特点，且可协同工作形成功能相对传统卫星更完善的“虚拟卫星”，因而逐渐成为新一代卫星发展主要方向。上海空间推进研究所在“十二五”期间开展了卫星在轨补加技术研究，进行了补加控制程序验证试验和补加关键性能验证试验，掌握了气垫压缩补加控制策略和加注量测量方法。研宄表明，卫星在轨补加技术论证充分，加注量测量精度可达2%，将有效地为在轨小卫星增效延寿。

小卫星；在轨补加；加注量测量；延长寿命

表1　小行星分类表

1　引言

自20世纪80年代以来，国际上微小卫星的发展十分迅速，世界上已有20多个国家和地区开展了微小卫星的研究工作【1】。现代小卫星有别于早期的小卫星，典型特征为具有技术先进性和高功能、高密度【2】。

民用航天在轨服务技术是国防科工局支持的重点预研项目，主要研究内容包括在轨补加、在轨维护等。其中在轨补加技术通过前期研究，得到了在轨补加过程自动控制策略和加注量测量方法。

对于一般采用组网和编队飞行的小卫星来说，在轨补加优势尤为凸显，文中将对其适用性进行分析。

2　小卫星概述

2.1小卫星的应用领域

小卫星以质量为特征进行分类，在世界上有好几种版本，比较典型的有以下四种【3】，见表1。

小卫星主要有以下几方面的应用。

（1）小卫星星座

小卫星星座是指为完成某一特定空间飞行任务而协同工作的多颗小卫星集台。现有的小卫星星座主要分为通信星座、遥感星座、科学试验星座。

（2）小卫星编队飞行

小卫星编队飞行是指由若干颗卫星构成一个特定形状，各颗卫星互相协同工作，共同承担信号处理、通信和有效载荷等任务。任务功能是由整个编队飞行的星群来完成的，整个星群构成一颗大的“虚拟卫星”。

表2　补加方案适用范围

2.2小卫星的推进系统

小卫星推进系统可以选用电推进系统、冷气/液化气推进系统、单组元/双组元化学推进系统。其中，电推进系统功耗较大；冷气/液化气推进系统结构简单，但是比冲较低；化学推进系统目前仍是小卫星推进系统的首选，相对双组元推进系统，单组元推进系统更加简单，控制更加容易，其在小卫星中被选用最多。

下文针对单组元化学落压式推进系统进行在轨补加技术研究。

3　航天器在轨补加技术研究

3.1在轨补加方案

从国外常用的直接输送推进剂的方式来看，常用的补加方案有如下四种【4】：气垫压缩补加方案、气垫交换补加方案、气垫降压补加方案、贮箱放空补加方案。

（l）气垫压缩补加方案

对于落压式推进系统，可以直接把推进剂从服务航天器挤压到目标航天器贮箱内。进入目标航天器贮箱内的推进剂压缩贮箱气垫使其恢复初始压力，接收贮箱的压力决定可补加推进剂量。

（2）气垫交换朴加方案

气垫交换补加方案使用泵把服务航天器的推进剂传输到目标航天器贮箱内，要求服务航天器与目标航天器推进系统工作压力相同，两个系统之间通过管路连接，形成闭路泵压系统。泵压驱动服务航天器贮箱内推进剂进入目标航天器贮箱内，目标航天器贮箱气垫则被挤出进入服务航天器贮箱内，以填补被输出的推进剂的位置。

（3）气垫降压补加方案

气垫降压补加方案首先需要降低目标飞行贮箱内气垫压力。压力降低后，使用低压挤压气体将服务航天器贮箱内推进剂输送至目标航天器。

（4）贮箱放空补加方案

贮箱放空补加方案首先将目标航天器贮箱的所有推进剂都要排回到服务航天器贮箱内，因此需要服务航天器贮箱有空间容纳排回的推进剂；然后把残留的推进剂和挤压气体排到太空，使贮箱内部处于真空状态；最后用低压气体将服务航天器贮箱内推进剂挤压输送至目标航天器内，直至贮箱加满。

上述四种补加方案的适用范围如表2所示。

下文选择气垫压缩补加方案进行分析。

3.2气垫压缩补加技术

早在20世纪70年代，俄罗斯（苏联）的进步号飞船向其空间站成功执行了液体推进剂（N2O4和UDMH）的传输任务，随后俄罗斯完成了和平号空间站和国际空间站的星辰号和曙光号的补加任务。俄罗斯在推进剂补加方面具有较为成熟的研制和使用经验，是目前国际上唯一进行在轨补加应用的国家。

NASA也从20世纪60年代开始对推进剂直接传输加注技术展开了大量的研究工作，并进行了飞行试验，包括：

1984年STS—41G，飞行任务，对在轨推进剂补加系统进行了在轨试验，进行了6次共计142kg的肼推进剂传输；

1992年STS—53飞行任务，进行了液体推进剂获取与传输加注试验的第一次在轨试验（FARE- Ⅰ），研究筛网通道式表面张力贮箱的补加性能；

1993年STS—57飞行任务，进行了液体推进剂获取与传输加注试验的第二次在轨试验（FARE-Ⅱ ）试验，研究板式表面张力贮箱的补加性能；

1996年STS—77 飞行任务，进行了排气式加注试验，并对其在航天器加速条件下的液体位置恢复能力进行测试：

2007年3月美国轨道快车项目（ Orbital Express，OE）发射在轨服务卫星ASTRO和客户星NextSat，演示了两星之同推进剂（肼）的往返传输。流体传输过程验证了单组元推进剂肼从ASTRO传输到NextSat以及从NextSat传输到ASTRO的过程，采用了气垫交换补加和气垫压缩补加两种补加方法。

我国的在轨补加技术取得了一定的成绩，XXX工程三期规划采用货运飞船向空间站补给燃料和物资，上海空间推进研究所负责推进剂补加系统的研制，其研制的300L膜盒贮箱已随XX-1空间实验室在轨飞行近四年，其同尺寸改进型产品将用于空间站项目中，压气机也已进人试样阶段。

“十二五”期间，上海空间推进研究所又在国防科工局的支持下，开展了基于气垫压缩补加的在轨补加技术的研究。所内自主研制了气垫压缩在轨补加的演示样机（如图1所示）和攻关样机（如图2所示）.

图一气垫压缩补加演示样机

图2　气垫压缩补加攻关样机

通过多次论证和试验验证了以下关键技术：

1）可多次充填排放的表面张力贮箱设计及相关设计准则的制定；

2）补加系统方案及补加过程液体流动控制技术；

3）补加自动控制程序；

4）气垫压缩过程气垫温度场和压力场的监测与采集；

5）加注量测量方法验证并确定测量的修正参数。

试验过程中，一系统补加采用自动控制程序.采用温度和压力传感器对补加过程气垫温度和压力数据进行采集，如图3、4。所示。

图3　补加过程温度场

图4　补加过程压力场

关于加注量测量，采用温度、压力等过程参数采集和电子秤测量两种模式。经验证，参数计算的结果与电子秤实测结果基本一致，补加末期差值小于2%。补加初始阶段因为温度传递滞后，计算补加量偏低，随着补加量增多，补加量的计算结果与电子秤秤量结果一致，该补加量测算方法有效。补加过程的两次补加量计算结果与测量结果对比情况见图5和图6

图5　第一次加注量测量

图6　第二次加注量测量

图7　为配有服务星的编队飞行小卫星

4　在轨补加技术在小卫星上应用的适应性分析

卫星在轨补加可选用自备服务星（燃料补充站）的方案。这也是科工局民用航天的一项研究内容，由上海航天技术研究院和上海空间推进研究所共同完成。方案可以简单描述为：在小卫星任务发射时，除了发射多颗主份星和少量备份星外再发射一颗服务星，如图7所示。服务星与主备份星不同之处在于：无需携带过多的有效载荷，整星以推进剂贮存为功能要求仅配有必要的导航和推进系统。图7为配有服务星的编队飞行小卫星。

经分析，配备服务星的星座或“虚拟卫星”有以下优势：

1）提高功能密度。每颗小卫星初始携带推进剂量减少，在提高整星干重比的同时减轻了整星重量。

2）优化整星结构配置。卫星上贮箱体积缩小，为有效载荷省出更多的空间。

3）优化系统控制。整星液体所占的比例降低，减少固液耦合带来的影啊。

4）延长运行寿命。仅需保证服务星燃料充足和可靠运行，即可使得小卫星不会因推进剂耗光而寿命终结。

5）降低运营成本。由多颗小卫星的新旧替换，转换为服务星的补充，避免有效载荷固燃料耗尽而无故障报废。

经上述分析可见，为“虚拟卫星”配备一颗服务星，无论在技术、成本、研制周期等方面均有不可忽视的效益。推荐在小卫星新项目论证中考虑增加在轨补加项目。