交會對接發動機配置比較研究*

王 敏，解永春，張 昊，陳長青

(1.北京控制工程研究所，北京100190;2.空間智能控制技術重點實驗室，北京100190)

交會對接發動機配置比較研究*

王 敏1，2，解永春1，2，張 昊1，2，陳長青1，2

(1.北京控制工程研究所，北京100190;2.空間智能控制技術重點實驗室，北京100190)

介紹執行空間交會對接任務的幾個典型的飛船的發動機配置，通過比較，分析執行不同交會對接任務飛船的發動機配置的優缺點，提出了交會對接任務發動機配置設計時需要考慮的因素，并得出一些具有共性的結論，為后續交會對接任務的發動機配置提供參考.

發動機;配置;交會對接

空間交會對接是航天領域一項非常復雜但又十分關鍵的技術，空間站、大型空間平臺的組裝以及為這些設施正常運轉而補充物資，加注燃料，提供維修服務，都離不開交會對接技術[1-2].

前蘇聯早在20世紀60年代就開始了空間交會對接技術的研究，近幾十年來已經成功進行了一百多次空間交會對接.其開發的聯盟號載人飛船[3-4]，及其衍生物聯盟T、聯盟TM、聯盟TMA[5]，還有后來的進步號、進步M號和進步M1號貨運飛船已為空間站運送了多批航天員和物資.歐空局從20世紀80年代開始航天器的交會對接研究和地面試驗，并于2008年發射了ATV貨運飛船[6-7]與國際空間站(ISS)哥倫布實驗艙成功對接.日本在90年代先后兩次成功進行了工程試驗衛星無人自動交會對接，并于2009年發射HTV貨運飛船[8-10]成功地為國際空間站補給了物資.中國多年來也一直在進行交會對接相關技術的研究，并于2011年進行了神舟八號與天宮一號的在軌交會對接試驗.

相比其他航天任務，空間交會對接對控制的高精度、多自由度和安全性提出了更高的要求.于是，作為控制系統執行機構的發動機配置就成為關系交會對接任務成敗的關鍵因素之一.相比于一般任務的姿態軌道控制發動機配置，交會對接任務的發動機配置還需考慮多自由度交會機動時發動機的平移和姿態控制能力，在質心變化較大的情況下(如貨運船)發動機配置及其控制策略的適應性對組合體的控制能力，以及安裝位置對交會對接相對導航敏感器的影響等諸多因素.

本文將通過對聯盟飛船、ATV貨運船等執行典型交會對接任務的飛船的發動機配置的比較，分析各飛船的發動機配置的優缺點，并給出一些交會對接任務發動機配置設計需考慮的因素，得出一些具有共性的結論，為后續交會對接任務的發動機配置提供參考.

1 交會對接任務的發動機配置

1.1 聯盟飛船

俄羅斯聯盟號飛船是前蘇聯最成熟的一種載人航天器，聯盟TM是聯盟號的升級和替代物，主要執行向和平號空間站和國際空間站運送宇航員工作組的任務.俄羅斯聯盟TM載人飛船共有27臺發動機[4]:1臺軌道控制發動機，推力約2940N，搖擺半錐角為5°;26臺姿態控制發動機分成不對稱的主、備兩路，主路有14臺推力為130N的大姿態控制發動機和6臺推力為26N的小姿態控制發動機，備路有6臺推力為26N的小姿態控制發動機.26臺姿態控制發動機中，尾部配置12臺，繞質心配置14臺.

進步M貨運船負責為空間站補充燃料、運送物資和帶走廢棄物，停靠期間協助空間站進行軌道維持.其推進系統配置、工作原理、主要組件等均與聯盟TM基本一致，主要不同是進步M貨船發動機數量為29臺，比聯盟TM多2臺小姿態控制發動機.1.2 ATV貨運船

歐空局開發的ATV貨運船(如圖1[11])為ISS補充燃料、運送物資和帶走廢棄物，是迄今為止已發射使用的運載能力最大的專用貨運船.

圖1 ATV貨運船Fig.1 ATV

ATV的主推進系統包括4臺490N發動機，28臺220N姿態控制發動機，發動機配置如圖2[12]所示.4臺490N軌道控制發動機用于自身變軌和國際空間站提升軌道，安裝在推進艙底部.28臺220N姿態控制發動機中，推進艙后部安裝了 20臺，用于ATV姿態控制、交會機動、對接前的制動、分離機動以及碰撞規避機動.這20臺發動機分為4個五機機組對稱安裝在推進艙外壁，每個機組上有2臺發動機還用于制動，如圖3所示[12].另外8臺姿態控制發動機分4個雙機機組，對稱安裝在載荷艙的前錐段上，每個機組上含一臺主份發動機和一臺備份發動機，這些發動機用于增強飛行器的平移控制，如圖2所示[12].

圖2 ATV貨運船發動機配置Fig.2 Thruster configuration of ATV

圖3 姿態控制發動機配置Fig.3 Rear attitude control thruster configuration

整個推進系統可分為主份和備份兩個對等的部分.任務開始時選擇主份工作，一旦主份出現故障，立即整體切換到備份.在任務允許、有時間進行系統重構的情況下，才開展詳細的故障檢測、隔離和恢復工作.

1.3 HTV貨運船

日本的HTV貨運船(如圖4[10])是一個無人的服務和運輸工具，向 ISS運送貨物(但不運送推進劑)，不具有運輸可回收貨物返回地面的能力，離軌時從ISS上裝載廢棄物再入大氣層銷毀.

HTV的主推進系統包括4臺490N發動機，28臺110N姿態控制發動機[7-9].4個490 N的主發動機位于推進艙后部，用于軌道機動、離軌和防碰撞. 28臺姿態控制發動機用于滾動、俯仰、偏航的姿態控制和交會過程中的平移控制，對接前的制動，分離機動以及碰撞規避機動.推進艙后部安裝了16臺，分為2個5機組和2個3機組，前端貨艙增壓部分的外壁安裝了12臺，分為4個2機組和4個單機組.

1.4 神舟飛船

圖4 HTV貨運船發動機配置Fig.4 Thruster configuration of HTV

神舟載人飛船(如圖5[13])推進艙發動機主要用于完成整船三艙段飛行時的軌道和姿態控制以及返回前的制動和姿態控制.

神舟飛船的推進艙配置了3種28臺發動機，4臺2500N軌道控制發動機用于變軌控制、返回前的制動以及大氣層外應急救生控制時的制動或加速;8臺150N大姿態控制發動機和16臺25N小姿態控制發動機，通過不同組合可以產生若干種不同大小的控制力矩進行姿態控制.28臺發動機采用簡單的分組備份，分成完全對稱的主、備路，主路、備路發動機種類、臺數均相同.主、備路發動機可通過系統自鎖閥進行整組切換.

圖5 神舟飛船發動機配置Fig.5 Thruster configuration of ShenZhou manned spacecraft

與天宮一號執行交會對接任務的神舟八號飛船，是空間交會對接任務的主動飛行器，其推進艙發動機除需完成上述功能外，還需能完成交會對接階段的平移控制和姿態控制.其發動機配置在繼承神舟飛船推進艙發動機配置的基礎上，在質心附近增加了8臺117N平移發動機和4臺150N反推發動機.

2 交會對接任務發動機配置的比較

由于HTV發動機配置情況尚無詳細資料，從整體布局來看與 ATV較為相近，故將神舟飛船推進艙、ATV、聯盟TM飛船執行交會對接任務的發動機配置情況進行比較，見表1.

表1 交會對接任務發動機配置比較Tab.1 Comparison of thruster configurations for rendezvous and docking tasks

2.1 軌道控制發動機比較

2.1.1 交會對接軌道控制發動機配置需考慮的因素

交會對接任務的軌道控制發動機選擇，在其執行一般任務的基礎上還需額外考慮以下幾點:

(1)保證遠程導引段的制導精度:軌道控制量的大小是影響軌道控制精度的主要因素之一，對于同樣大小的軌道控制量，發動機的開機時間增長勢必影響軌道控制精度.

(2)交會對接后對組合體的變軌能力:欲提升組合體軌道的變軌能力，則需考慮其對不同的組合體構型所產生的不同質心位置的適應性，即對組合體軌道控制產生的干擾力矩是否有足夠的姿態控制能力來進行抵消.

2.1.2 典型交會對接任務軌道控制發動機比較分析

由表1可以看出這幾種交會對接軌道控制發動機配置的優缺點如下:

(1)聯盟TM

優點:3000N推力發動機的軌道控制能力較強，開機時間較短，軌道控制精度較高;可搖擺過質心，對不同組合體構型質心變化的適應性相對較強.

缺點:僅有一臺軌道控制發動機，無備份，可靠性較低.

(2)ATV

優點:4臺490N軌道控制發動機，變軌和制動時兩臺為主份，兩臺為備份，可靠性較高.

缺點:兩臺發動機開機時軌道控制能力約980N，相對較弱，相同軌道控制量下開機時間長，軌道控制精度較低;對組合體組裝過程和貨運飛船不同工作階段帶來的質心變化應對能力稍弱，軌道控制發動機工作時，需要打開姿態控制發動機抵消軌道控制發動機產生的干擾力矩，消耗燃料.

(3)神舟飛船

優點:4臺軌道控制發動機，其中兩臺為主份，另外兩臺為備份，可靠性較高;兩臺發動機開機時軌道控制能力約5000N，比3000N的搖擺發動機軌道控制能力強，因此相同軌道控制量下開機時間短，軌道控制精度高.

缺點:對不同組合體構型質心變化的適應性比搖擺發動機弱.軌道控制發動機工作時，需要打開姿態控制發動機抵消軌道控制發動機產生的干擾力矩，消耗燃料.

2.2姿態控制和平移發動機比較

2.2.1 交會對接姿態控制和平移發動機配置需考慮的因素

交會對接任務的姿態控制和平移發動機配置的設計，一般需考慮以下幾點:

1)滿足交會對接對姿態和平移的控制能力要求;

2)對軌道控制發動機的備份能力;

3)對組合體變軌時的姿態控制能力;

4)對于質心變化情況的適應性;

5)發動機的安裝布局需考慮發動機開機對交會對接相對測量敏感器以及太陽帆板和紅外地球敏感器的影響;

6)主備份配置模式;

7)發動機管路的復雜性;

8)發動機開機控制算法的復雜性;

2.2.2 典型交會對接姿態控制和平移發動機配置比較分析

由表1可以看出這幾種交會對接姿態控制和平移發動機配置方案的優缺點如下:

(1)聯盟TM

優點:姿態控制和平移發動機有2種共26臺，發動機種類數量較少;發動機管路較為簡單;采用不對稱的主備份分組方案(主路可以單獨完成飛行任務，副路只能完成部分功能)，可靠性較高;設計GNC分系統發動機控制模式較為簡單.

缺點:對軌道控制發動機的備份能力較弱;由于在質心附近裝有14臺發動機，對質心變化情況的適應性較弱，質心變化后，平移發動機軌道控制需姿態發動機配合完成，平移控制能力也有所損失.

(2)ATV

優點:姿態控制和平移發動機有1種共28臺，發動機種類數量較少;由于姿態控制發動機布局在前錐面和后端面，且交會對接時采用了一種新的查表法[11]，通過前后多個姿態控制推力器的配合，能適應質心變化較大的情況，便于模塊化設計，同時能更高效地實現交會對接位置和姿態的6自由度控制;ATV推進系統雖然也采用完全冗余的主備份方案，但是發動機上游管路設置了多個自鎖閥，發動機推進劑管路控制并非按主副路控制，若某個發動機發生故障，可以關閉其上游的自鎖閥，不必整路切換，因此系統的冗余度更高.

缺點:發動機控制算法較為復雜;管路系統方案比較復雜，導致系統干質量相對較重.

(3)神舟飛船

優點:用于正推的4臺150N發動機對軌道控制備份能力較強;推進系統采用主副路完全備份發動機分組方案，主副路均可單獨完成飛行任務(自主交會對接段除外)，當一路中發動機發生故障時，可以整組切換至另一路.主、備份發動機安裝基本沿主軸對稱分布，產生的控制力矩基本相似，設計GNC分系統姿態控制模式較為簡單.

缺點:姿態控制和平移發動機有3種共36臺，發動機種類數量較多;由于在質心處裝有平移發動機，對質心變化情況的適應性較弱，質心變化后，平移發動機軌道控制需姿態發動機配合完成，平移控制能力也有所損失;該安裝位置使得平移發動機開機后會帶來較大的太陽帆板羽流干擾力矩;進入自主交會對接模式后，當同一控制通道中的一臺尾部姿態控制發動機與平移發動機配對工作時，只能由另一臺姿態控制發動機提供姿態控制動力，若姿態控制主份或備份發動機故障時，則無法同時完成軌道控制和姿態控制任務.

3 結 論

本文介紹了經典交會對接任務的發動機配置，給出了一些交會對接任務發動機配置需考慮的因素.通過分析，比較了這些典型配置的優缺點，得到了以下具有一定共性的結論:

1)選擇軌道控制能力較強的軌道控制發動機，有利于提高交會對接遠程導引段的制導精度;

2)對于沿主軸對稱配置的發動機配置，發動機數量少可能使控制能力和冗余度稍弱，但發動機控制策略和管路設計較為簡單;

3)如果通過發動機斜裝來增強耦合則可增強發動機配置的控制能力和冗余度，但同時又會造成管路和控制算法的復雜性;

4)姿態控制推力器安裝在質心附近和后端面的安裝布局，對于貨運船這類不同載貨配置下質心變化較大的情況，適應性較差，不利于模塊化設計，不如裝在前錐面與后端面的安裝布局適應性強;

5)發動機安裝在前錐面會使發動機管路加長，同時也需衡量其對相對測量敏感器的影響.

總之，交會對接任務的發動機配置是個復雜的問題，需考慮的影響因素很多，應根據任務的具體情況，從飛船整體出發，權衡各種因素選出最適合的方案.

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Com parison of Thruster Con figurations for the Rendezvous and Docking Task

WANG Min1，2，XIE Yongchun1，2，ZHANG Hao1，2，CHEN Changqing1，2
(1.Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China; 2.Science and Technology on Space Intelligent Control Laboratory，Beijing 100190，China)

Several typical thruster configurations of spacecrafts for rendezvous and docking task are introduced.Advantages and disadvantages of these thruster configurations are analyzed through comparison. Accordingly，some useful conclusions for the thruster configuration designs are obtained.In addition，some infectors that should be considered when designing a thruster configuration for rendezvous and docking task are also proposed.

thruster;configuration;rendezvous and docking

V448.22

A

1674-1579(2012)03-0042-05

10.3969/j.issn.1674-1579.2012.03.009

王 敏(1981—)，女，工程師，研究方向為航天器控制;解永春(1966—)，女，博士生導師，研究員，研究方向為空間交會對接和航天器智能自主控制;張 昊(1978—)，男，高級工程師，研究方向為空間交會對接;陳長青(1979—)，男，高級工程師，研究方向為交會對接的制導方法.

*國家自然科學基金資助項目(90305024).

2011-07-28