在軌補加技術在小衛星上的應用

+ 黃立鈉 景育 朱文杰 陳志堅 上海空間推進研究所

在軌補加技術在小衛星上的應用

+ 黃立鈉 景育 朱文杰 陳志堅 上海空間推進研究所

現代小衛星具有體軹小、質量輕、成本低、研制周期短等特點，且可協同工作形成功能相對傳統衛星更完善的“虛擬衛星”，因而逐漸成為新一代衛星發展主要方向。上海空間推進研究所在“十二五”期間開展了衛星在軌補加技術研究，進行了補加控制程序驗證試驗和補加關鍵性能驗證試驗，掌握了氣墊壓縮補加控制策略和加注量測量方法。研宄表明，衛星在軌補加技術論證充分，加注量測量精度可達2%，將有效地為在軌小衛星增效延壽。

小衛星；在軌補加；加注量測量；延長壽命

表1　小行星分類表

1　引言

自20世紀80年代以來，國際上微小衛星的發展十分迅速，世界上已有20多個國家和地區開展了微小衛星的研究工作【1】。現代小衛星有別于早期的小衛星，典型特征為具有技術先進性和高功能、高密度【2】。

民用航天在軌服務技術是國防科工局支持的重點預研項目，主要研究內容包括在軌補加、在軌維護等。其中在軌補加技術通過前期研究，得到了在軌補加過程自動控制策略和加注量測量方法。

對于一般采用組網和編隊飛行的小衛星來說，在軌補加優勢尤為凸顯，文中將對其適用性進行分析。

2　小衛星概述

2.1小衛星的應用領域

小衛星以質量為特征進行分類，在世界上有好幾種版本，比較典型的有以下四種【3】，見表1。

小衛星主要有以下幾方面的應用。

（1）小衛星星座

小衛星星座是指為完成某一特定空間飛行任務而協同工作的多顆小衛星集臺。現有的小衛星星座主要分為通信星座、遙感星座、科學試驗星座。

（2）小衛星編隊飛行

小衛星編隊飛行是指由若干顆衛星構成一個特定形狀，各顆衛星互相協同工作，共同承擔信號處理、通信和有效載荷等任務。任務功能是由整個編隊飛行的星群來完成的，整個星群構成一顆大的“虛擬衛星”。

表2　補加方案適用范圍

2.2小衛星的推進系統

小衛星推進系統可以選用電推進系統、冷氣/液化氣推進系統、單組元/雙組元化學推進系統。其中，電推進系統功耗較大；冷氣/液化氣推進系統結構簡單，但是比沖較低；化學推進系統目前仍是小衛星推進系統的首選，相對雙組元推進系統，單組元推進系統更加簡單，控制更加容易，其在小衛星中被選用最多。

下文針對單組元化學落壓式推進系統進行在軌補加技術研究。

3　航天器在軌補加技術研究

3.1在軌補加方案

從國外常用的直接輸送推進劑的方式來看，常用的補加方案有如下四種【4】：氣墊壓縮補加方案、氣墊交換補加方案、氣墊降壓補加方案、貯箱放空補加方案。

（l）氣墊壓縮補加方案

對于落壓式推進系統，可以直接把推進劑從服務航天器擠壓到目標航天器貯箱內。進入目標航天器貯箱內的推進劑壓縮貯箱氣墊使其恢復初始壓力，接收貯箱的壓力決定可補加推進劑量。

（2）氣墊交換樸加方案

氣墊交換補加方案使用泵把服務航天器的推進劑傳輸到目標航天器貯箱內，要求服務航天器與目標航天器推進系統工作壓力相同，兩個系統之間通過管路連接，形成閉路泵壓系統。泵壓驅動服務航天器貯箱內推進劑進入目標航天器貯箱內，目標航天器貯箱氣墊則被擠出進入服務航天器貯箱內，以填補被輸出的推進劑的位置。

（3）氣墊降壓補加方案

氣墊降壓補加方案首先需要降低目標飛行貯箱內氣墊壓力。壓力降低后，使用低壓擠壓氣體將服務航天器貯箱內推進劑輸送至目標航天器。

（4）貯箱放空補加方案

貯箱放空補加方案首先將目標航天器貯箱的所有推進劑都要排回到服務航天器貯箱內，因此需要服務航天器貯箱有空間容納排回的推進劑；然后把殘留的推進劑和擠壓氣體排到太空，使貯箱內部處于真空狀態；最后用低壓氣體將服務航天器貯箱內推進劑擠壓輸送至目標航天器內，直至貯箱加滿。

上述四種補加方案的適用范圍如表2所示。

下文選擇氣墊壓縮補加方案進行分析。

3.2氣墊壓縮補加技術

早在20世紀70年代，俄羅斯（蘇聯）的進步號飛船向其空間站成功執行了液體推進劑（N2O4和UDMH）的傳輸任務，隨后俄羅斯完成了和平號空間站和國際空間站的星辰號和曙光號的補加任務。俄羅斯在推進劑補加方面具有較為成熟的研制和使用經驗，是目前國際上唯一進行在軌補加應用的國家。

NASA也從20世紀60年代開始對推進劑直接傳輸加注技術展開了大量的研究工作，并進行了飛行試驗，包括：

1984年STS—41G，飛行任務，對在軌推進劑補加系統進行了在軌試驗，進行了6次共計142kg的肼推進劑傳輸；

1992年STS—53飛行任務，進行了液體推進劑獲取與傳輸加注試驗的第一次在軌試驗（FARE- Ⅰ），研究篩網通道式表面張力貯箱的補加性能；

1993年STS—57飛行任務，進行了液體推進劑獲取與傳輸加注試驗的第二次在軌試驗（FARE-Ⅱ ）試驗，研究板式表面張力貯箱的補加性能；

1996年STS—77 飛行任務，進行了排氣式加注試驗，并對其在航天器加速條件下的液體位置恢復能力進行測試：

2007年3月美國軌道快車項目（ Orbital Express，OE）發射在軌服務衛星ASTRO和客戶星NextSat，演示了兩星之同推進劑（肼）的往返傳輸。流體傳輸過程驗證了單組元推進劑肼從ASTRO傳輸到NextSat以及從NextSat傳輸到ASTRO的過程，采用了氣墊交換補加和氣墊壓縮補加兩種補加方法。

我國的在軌補加技術取得了一定的成績，XXX工程三期規劃采用貨運飛船向空間站補給燃料和物資，上海空間推進研究所負責推進劑補加系統的研制，其研制的300L膜盒貯箱已隨XX-1空間實驗室在軌飛行近四年，其同尺寸改進型產品將用于空間站項目中，壓氣機也已進人試樣階段。

“十二五”期間，上海空間推進研究所又在國防科工局的支持下，開展了基于氣墊壓縮補加的在軌補加技術的研究。所內自主研制了氣墊壓縮在軌補加的演示樣機（如圖1所示）和攻關樣機（如圖2所示）.

圖一 氣墊壓縮補加演示樣機

圖2　氣墊壓縮補加攻關樣機

通過多次論證和試驗驗證了以下關鍵技術：

1）可多次充填排放的表面張力貯箱設計及相關設計準則的制定；

2）補加系統方案及補加過程液體流動控制技術；

3）補加自動控制程序；

4）氣墊壓縮過程氣墊溫度場和壓力場的監測與采集；

5）加注量測量方法驗證并確定測量的修正參數。

試驗過程中，一系統補加采用自動控制程序.采用溫度和壓力傳感器對補加過程氣墊溫度和壓力數據進行采集，如圖3、4。所示。

圖3　補加過程溫度場

圖4　補加過程壓力場

關于加注量測量，采用溫度、壓力等過程參數采集和電子秤測量兩種模式。經驗證，參數計算的結果與電子秤實測結果基本一致，補加末期差值小于2%。補加初始階段因為溫度傳遞滯后，計算補加量偏低，隨著補加量增多，補加量的計算結果與電子秤秤量結果一致，該補加量測算方法有效。補加過程的兩次補加量計算結果與測量結果對比情況見圖5和圖6

圖5　第一次加注量測量

圖6　第二次加注量測量

圖7　為配有服務星的編隊飛行小衛星

4　在軌補加技術在小衛星上應用的適應性分析

衛星在軌補加可選用自備服務星（燃料補充站）的方案。這也是科工局民用航天的一項研究內容，由上海航天技術研究院和上海空間推進研究所共同完成。方案可以簡單描述為：在小衛星任務發射時，除了發射多顆主份星和少量備份星外再發射一顆服務星，如圖7所示。服務星與主備份星不同之處在于：無需攜帶過多的有效載荷，整星以推進劑貯存為功能要求僅配有必要的導航和推進系統。圖7為配有服務星的編隊飛行小衛星。

經分析，配備服務星的星座或“虛擬衛星”有以下優勢：

1）提高功能密度。每顆小衛星初始攜帶推進劑量減少，在提高整星干重比的同時減輕了整星重量。

2）優化整星結構配置。衛星上貯箱體積縮小，為有效載荷省出更多的空間。

3）優化系統控制。整星液體所占的比例降低，減少固液耦合帶來的影啊。

4）延長運行壽命。僅需保證服務星燃料充足和可靠運行，即可使得小衛星不會因推進劑耗光而壽命終結。

5）降低運營成本。由多顆小衛星的新舊替換，轉換為服務星的補充，避免有效載荷固燃料耗盡而無故障報廢。

經上述分析可見，為“虛擬衛星”配備一顆服務星，無論在技術、成本、研制周期等方面均有不可忽視的效益。推薦在小衛星新項目論證中考慮增加在軌補加項目。

5　結束語

通過介紹小衛星的應用前景及其常用推進系統，并分析在軌補加技術成熟度、技術驗證過程和技術成果，得出在軌補加技術應用于小衛星具有延長衛星的使用壽命和減少整星的長期運營成本的優勢，建議未來小衛星論證時選用這一工作模式。

【1】王曉梅.微小衛星技術的發展現狀及趨勢【J】.數字通信世界，2006.

【2】張艷娥,等.現代小衛星技術及專題應用講座（一）【J】軍事通信技術，2006

【3】林來興.小衛星技術的發展和應用前景【J】.中國航天，2006

【4】R.EBERHARDT, T.TRACEY, W.BAILEY. Orbital Spacecrafa Resupply Technology.AIAA86-1604

注：本文出自《2015年小衛星技術交流會論文集》