可重復使用空間站補給方案設想

東華鵬，王亞軍，安雪巖

(北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

0 前言

空間站通常包括核心艙、實驗艙等多個核心艙段，通過交會對接和艙體轉位組裝構成空間站基本構型?？臻g站通常采用高度為340km～450km的近圓軌道[1-2]，軌道傾角為42°～43°，具有通過維護維修延長使用壽命的能力。

空間站的在軌維護和維修需要發射一定規模的補給艙(貨運飛船)，提供空間站在軌維護和維修用的設備、儀器以及航天員的生活補給品等物資。目前，國際上通常采用的補給方案是[3]：由火箭發射一艘一次性使用的貨運飛船，貨運飛船的服務艙具備空間姿軌控能力，可實現飛船的軌道控制、姿態控制、交會對接、貨艙環境條件控制等功能，當完成補給任務后，貨運飛船離軌再入地球大氣燒毀，服務艙無法重復使用，補給任務的靈活性、經濟性受到一定影響。

上面級具備較強的軌道機動能力[4]，基于這一特點，可利用上面級配合實施空間站補給的發射任務，補給艙由上面級轉運擺渡至空間站，是一種可以依賴現實工程保障條件，具備較強工程成熟度和可靠性，以多次重復使用提高補給發射任務經濟性的有效途徑，為開展空間站在軌補給工作提供了更多選擇，可以有效提升空間站在軌補給水平。

1 方案設想

采用軌道轉移級(Orbit Transfer Stage,OTS)轉運擺渡補給艙至空間站，待補給貨物在軌利用和消耗結束之前，將廢棄物裝填至補給艙，再利用上面級將補給艙送入再入軌道，補給艙離軌燒毀不再使用之后，上面級抬升軌道，等待下一次補給艙發射，并與之對接，實現新一輪對空間站的補給。軌道轉移級與補給艙組合體示意見圖1。

補給艙(見圖 2)可根據需求采取密封、半密封和全開放等3種貨艙構型，能夠進行空間站各類補給品和設備的上行貨物運輸、推進劑補加，也可以運輸太陽電池帆板及其他在軌需用物資。

補給艙兩端均有一個交會對接機構，其中一個與上面級連接，附有被動式輔助相對導航裝置，另一個與空間站連接，也附有輔助相對導航裝置，與空間站連接的對接口可用于航天員進艙開展工作。補給艙也可根據需要在側面開口以提供開放式貨物存放和搬運功能。補給艙表面貼太陽能電池片，具有較簡單的在軌供配電能力，采用小型集成化電氣系統實現在軌姿態控制功能。

軌道轉移級在現有液體上面級[5]的基礎上改進而來。在上面級本體上安裝有補給艙支架、交會對接機構、敷設太陽能電池片、增加姿控推進劑攜帶量，配套完善控制系統和統一供配電功能、測控系統提供指令上行能力，使上面級具備在軌交會對接和轉運擺渡補給艙的能力。

軌道轉移級的初步質量分配見表 1，其起飛質量約為4600kg。

表1 軌道轉移級質量分配

采用所提出的技術方案，補給艙只須在對接前進行姿態阻尼即可，不需要配置復雜的導航裝置和動力系統，也不需要太多的太陽能電池貼片。與現有的空間站貨運方案相比，貨運能力有所提升。由于軌道轉移級可長期在軌重復使用，補給艙成本較低，并可選擇更為經濟的運載火箭發射補給艙，從成本角度也具有一定優勢。

2 任務模式與工作流程

基礎級火箭將軌道轉移級與補給艙組合體發射至近地點高度200km、遠地點高度400km的LEO軌道，之后軌道轉移級將補給艙轉運至約400km高度的空間站圓軌道位置，完成補給任務后，上面級與攜帶廢棄物的補給艙離軌進入遠地點高度400km、近地點高度50km的再入軌道，然后軌道轉移級與補給艙分離，補給艙再入燒毀，軌道轉移級抬高軌道至近地點高度200km、遠地點高度350km的中間軌道停泊，等待下一次在軌補給任務。首次任務工作流程示意見圖4。

后續任務發射補給艙進入近地點高度200km、遠地點高度350km的中間軌道，在軌停泊。補給時，軌道轉移級機動到補給艙附近并實現交會對接，之后，軌道轉移級與補給艙組合體變軌至400km高度的空間站圓軌道位置，并實現與空間站的交會對接和第2次補給，完成補給任務后，軌道轉移級與攜帶廢棄物的補給艙離軌進入遠地點高度400km、近地點高度50km的再入軌道，然后軌道轉移級與補給艙分離，補給艙再入燒毀，軌道轉移級抬高軌道至近地點高度200km、遠地點高度350km的中間軌道等待下一次補給任務。后續補給任務工作流程示意見圖 5。經初步分析計算，按照補給艙8t、廢棄物2t的規模，整個任務流程需消耗推進劑約750kg，考慮在軌運行期間軌道維持的推進劑消耗，軌道轉移級2600kg的加注量可進行3次空間站補給任務。相比現有的空間站貨運補給方案，有較大的經濟成本優勢。

3 應用特點與發展路線

基于上面級的可重復使用空間站補給方案具有如下工程應用特點：

1) 軌道轉移級基于現役型號改進，任務保障性好；

2) 補給艙方案簡單，可形成一定的模塊化研制能力；

3) 軌道轉移級在軌可重復使用，發射可采用低成本運載火箭，任務經濟性好。

可重復使用空間站補給方案可采用如下“三步走”的發展路線：

第1步，研制補給艙，改進軌道轉移級，具備擺渡運輸補給艙和?？繉又量臻g站的任務能力；

第2步，軌道轉移級具備長期在軌能力及在軌加注能力，實現在軌多次使用，可長期在軌承擔轉運擺渡補給艙任務；

第3步，根據可能的任務需要，軌道轉移級為空間站提供軌道維持等輔助能力。

以現有液體上面級為基礎，需要開展的主要改進工作包括：

1) 新增抓捕對接機構系統；

2) 新增相對導航系統，配置交會對接敏感器；

3) 供配電系統能源由鋅銀蓄電池改為“太陽能+鋰離子電池”方案；

4) 根據交會對接及目標姿控穩定度和精度要求，適應性改進姿軌控系統；

5) 針對長期在軌任務適應性改進熱控措施；

6) 綜合任務需求，優化姿軌控推進劑加注量。

4 關鍵技術分析

4.1 適應長期在軌滯留后發動機再啟動技術

軌道轉移級長期在軌工作期間，為確保發動機結構可靠性，應盡可能使發動機各組件、非金屬件、特別是起動箱半膜組件避免長期接觸推進劑，這就需要對發動機的工作模式、控制時序及系統參數進行相應的優化設計和改進。從系統上提高發動機各組件對長期在軌工作的適應性，包括總裝氣路全焊接技術、渦輪泵氧化劑端面密封技術、閥門長期在軌密封技術、羧基亞硝基氟橡膠長期在軌工作可靠性研究。

4.2 輕質化結構優化設計技術

為提升軌道轉移級箭體結構效率，需進行結構輕質化設計技術研究。輕質化結構優化技術的主要目的在于尋求既經濟又適用的結構形式，以最少的材料、最低的造價實現結構的最佳性能。實施輕質化結構優化技術，需要解決3個優化問題，包括尺寸優化問題、形狀優化問題和拓撲優化問題。同時，由于輕質化結構不可避免地會帶來異型結構形式，為實現該類異型結構的復雜加工和裝配，并盡可能降低制造成本，還需要解決必要的工藝優化問題。

4.3 長期在軌自主導航技術

軌道轉移級在軌運行期間，慣性器件長期漂移產生的精度誤差不可忽略。需有效利用衛星導航和星光定姿信息，開展組合導航模式分析，并進行組合導航信息融合算法研究，進行慣性誤差系數在線標定和誤差補償，并開展故障情況下導航模式切換技術研究。根據補給艙入軌參數、姿態等輸入條件，軌道轉移級自主制定最優交會對接方案，實現與補給艙及空間站的交會對接，提高空間站補給任務的自主能力。

4.4 綜合電子系統集成化技術

為降低質量和功耗，綜合電子系統采用一體化設計方案，所有的控制與管理工作，包括飛行任務管理、程控和遙測、數據采集與處理、實時姿態控制、熱控管理、系統故障診斷、時間管理等，都集中在任務管理組合執行，使得任務管理與控制集中統一。這樣不但減輕了相應模塊的質量，也減少了低頻電纜網的質量。為保證長期在軌期間的高可靠性，關鍵部件/模塊引入冗余設計技術，當系統有故障出現時，將故障部件隔離開，啟動備份部件，以保證系統繼續可靠運行。

4.5 魯棒自適應姿態控制技術

軌道轉移級與補給艙完成對接后，組合體構形變化和載荷的移動會導致組合體質量特性參數的改變，該參數不能通過地面實驗準確獲得，只能進行在線辨識。此外，組合體的控制主要由上面級承擔，坐標系和構形變化引起的推力重新分配等問題難以采用傳統PID算法進行有效控制。因此，需開展基于參數不確定性和控制輸入受限情況下的魯棒自適應控制方法的研究。

5 結論

本文提出了一種基于我國現有液體上面級的可重復使用空間站補給方案，可用于空間站補給運送貨物及廢棄品轉運清理。建議圍繞空間站補給，先行對采用軌道轉移級轉運擺渡補給艙的對接機構形式、補給發射周期、補給發射任務保障條件、補給方案與貨運飛船補給方案的關系等開展進一步的論證分析工作。

[1] 楊濤.空間站軌道參數選擇[J].彈道學報,1995,4:1-6.

[2] 范劍峰. 空間站軌道高度選擇[J]. 中國空間科學技術, 1991, 11(4): 1-8.

[3] 葛姍姍, 曲晶. 后航天飛機時代國際空間站運輸服務的新選擇[J]. 導彈與航天運載技術, 2011 (4): 28-31.

[4] 林木. 運載火箭上面級功能與技術發展分析[J]. 上海航天, 2013, 30(3): 33-38.

[5] 唐軍剛, 陳塞崎, 陳益, 等. 國內外運載火箭上面級發展現狀分析[J]. 中國航天, 2012 (9): 5-10.