推进剂在轨自动补加技术研究.docx

          推进剂在轨自动补加技术研究                    李虎林 杨震春 付朝晖引言随着我国航天技术的发展，对航天器的寿命提出了越来越高的要求如何延长航天器在轨寿命已成为目前航天领域的一个研究热点就目前情况而言，推进剂携带量仍然是决定航天器在轨寿命的最为关键的一个因素因此，研究航天器推进剂在轨补加技术具有十分重要的现实意义在轨补加技术是针对在轨运行的高价值航天器推进剂耗尽或因推进剂携带量有限而使机动能力受限的情况，为在轨运行航天器提供推进剂在轨补加服务的一种技术通过补加推进剂，将极大地延长航天器的寿命，增强其执行任务的能力国外研究情况介绍(1)俄罗斯推进剂在轨补加技术俄岁斯（前苏联）是最早建立空间站的国家，对推进剂在轨补加技术进行了深入研究1978年，俄通过进步号无人货运飞船向礼炮号空间站进行·燃料补给礼炮号空间站共有6个贮箱，即3个氧化剂贮箱和3个燃料贮箱进步号货运飞船装有2个氧化剂贮箱和2个燃料贮箱，携带870公斤推进剂这些贮箱均为橡胶隔膜贮箱补加系统共有两套加注装置，一个用于补给燃料（肼），一个用于补给氧化剂进步号飞船与礼炮号空间站对接后，两者的推进剂加注管自动连接并进行管道密封性检查。

空间站一侧的压缩机把被补加贮箱中的氮气压缩到高压气瓶中飞船上的加注系统利用高压氮气向加注贮箱增压，将推进剂输送到空间站贮箱内，先补给燃料，后补给氧化剂分时补加可避免泄漏造成的危害补给过程由地面站或空间站控制俄还用类似的补加技术实现了向和平号空间站和国际空间站的燃料供给2)美国推进剂在轨补加技术美国在推进剂在轨补给技术领域进行了大量研究工作，开展了相关关键技术研究，并进行了地面试验、落塔试验、飞机抛物线飞行试验、探空火箭试验和空间飞行验证试验在轨补加系统(ORS)飞行验证”试验项目：用于验证推进剂在轨加注加注贮箱和被加注贮箱均为隔膜贮箱，输送介质是肼共进行了6次试验，往复加注了142公斤推进剂可贮流体管理验证” (SFMD)试验项目：硬件包括两个直径317.5毫米、填充了空气和水的有机玻璃贮箱加注贮箱是橡胶隔膜贮箱，被加注贮箱的下半球装有带四根筛网通道的液体捕获装置，上半球布置了一系列挡板采用放空法在最大加注流量63毫升／秒下使被补给贮箱达到了85%的填充率流体捕获再加注实验”(FARE):验证微重力条件下推进剂在轨加注操作中的推进剂管理技术FARE-1采用筛网通道式PMD贮箱，通过放空法进行加注，贮箱填充率达到60%以上。

FARE-2采用叶片式PMD贮箱，通过放空法以最大加注流量22.0毫升／秒加注，填充率达到95%以上贮箱放空法再加注实验”(VTRE)：研究叶片组件对气液界面的控制VTRE用了两个22.7升的透明贮箱，一个为球形，另一个带短柱段，进行了两个贮箱间的流体加注试验，都采用放空法加注试验包括加注期间的流体保持、无液放空和注入贮箱内的推进剂在发动机点火后的复位，在最大试验流量（172.2毫升／秒）下推进剂保持得很成功发动机点火时推进剂移动到贮箱另一端，推进剂复位完成历时30秒轨道快车”项目：主要目标是在轨航天器日常服务关键技术的演示验证，即自主交会对接、推进剂再加注以及轨道替换零件传输流体传输的主要步骤如下：气液路连接器连接、连接器泄漏检测、连接器放空、开启管路连接器、流体传输、接受贮箱推进剂测量、管路连接器吹洗以及管路连接器分离图l是“轨道快车”推进剂在轨补加系统框图，图2和图3为“轨道快车”计划泵输送法和倍压法液体输送方案3)其他国家的在轨补加研究相关进展除俄美之外，欧洲和日本也在积极开展与在轨补加技术相关的研究，并在其中一些相关领域，尤其是空间机器人和交会对接装置研究方面取得了较大进展欧空局在上个世纪80年代为其“哥伦布”空间站计划开展了推进剂在轨加注研究。

该项研究工作包括：评价推进剂在轨加注模式，提出在轨补加的一般要求，并提供了几种可选的加注方案，通过流体连接器和电连接把推进剂和增压气体从供应飞行器输送到接受飞行器推进剂由电动泵输送，增压气体的回收和再压缩由压缩机完成加拿大航天局与NASA合作开展一项“机器人燃料加注任务”(RRM)，演示验证太空机器人如何利用专用工具和独特手法为卫星加注燃料RRM任务将利用国际空间站上由加拿大建造的“巧手” (Dextre)机器人进行，由机器人接通燃料阀门管路，向模拟卫星泵送模拟液体燃料推进剂在轨自动补加技术方案(1)典型的推进剂在轨自动补加方案目前国外研究较多的自动补加方法主要有压缩机法、倍压法、放空法和泵输送法4种压缩机法是俄进步号飞船使用的补给模式它通过压缩机将增压气体回压至高压气瓶以降低被补给贮箱内的压力，通过向加注贮箱施加较小的气压即可建立推进剂输送所需的驱动压差，进而实现推进剂从加注贮箱向被补给贮箱的输送倍压法的加注系统用气瓶中的高压气体将加注贮箱的推进剂压入被加注贮箱，同时将被加注贮箱气腔气体压缩回被加注侧的气瓶中放空法在加注时将被加注贮箱内的气体放空，使其处于低压状态，然后用加注系统的增压气体将推进剂挤入被补给贮箱中。

泵输送法是美国“轨道快车”计划重点验证的补给模式加注前将补加贮箱的气腔和被补加贮箱的气腔连通，待加注贮箱和被加注贮箱气腔压力平衡后，用泵将推进剂从加注贮箱输送到被加注贮箱这4种典型的推进剂在轨补加方案各自的优、缺点如下页表所示泵输送法在补给航天器与被补给航天器之间用一个闭合回路输送推进剂，避免了气体损耗与其它加注方法相比，泵输送法在系统重量、系统功耗、研制难度等方面均具有较大优势压缩机法的重量和能耗大，很难用于卫星推进剂补给，而泵输送法则可适用于各类航天器，尤其是适于在轨卫星的推进剂加注因此，我国推进剂在轨补加可以采用泵输送法方案2)推进剂在轨自动补加泵输送法方案1)系统功能及组成推进剂在轨自动补加系统主要包括推进剂／增压气体管路连接、系统检漏、压力平衡、推进剂／增压气体补加以及管路剩余推进剂吹除等功能推进剂在轨自动补加系统示意图如图4所示2)系统工作过程补加过程分为以下7个步骤进行第一步：流体传输管路连接第二步：泄漏检测管路连接器连接成功后和流体传输前，必须对阀门进行泄漏检测检漏时，在管路连接器区域充氦气至检漏压力，并通过阀门同其它管路进行隔离然后通过传感器检测该区域的温度和压力指标，通过检测数据确定管路及阀门是否泄漏。

第三步：管路排空泄漏检测后，排空管路中的氦气，以防液体传输时检漏气体混入泵中第四步：流体传输流体传输系统具有在补给航天器和被补给航天器流体传输贮箱间双向传输推进剂的能力第五步：传输量计量传输量通过流量传感器法、泵速综合法和基于理想气体方程的APVT法进行计量第六步：管路清除由于泄漏的推进剂会污染航天器及其器件表面，因此，断开管路前须将流体管路和管路连接器中的推进剂通过无推进接触反应排放装置进行排放清除第七步：断开管路连接器：在确保所有的阀门关闭并且管路压力低于要求的压力后，断开管路连接器3)推进剂在轨自动补加关键技术1)推进剂在轨补加系统设计优化技术在进行自动补加系统设计时，要充分考虑到加注的全过程，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，做到整个补加系统的布置科学、合理、安全，在轨流体加注系统结构简单、固有可靠性高和系统质量轻同时作为一个空间服务器，必须要实现与不同类型航天器的对接，为此航天器在轨流体补给系统要具备较强的通用性与兼容性2)在轨补给精确测量与自动监测技术在轨补给推进剂或增压气体，需要实时检测补给航天器与被补给航天器的推进剂及气体补给量精确测量与自动监测是实现在轨补给的关键技术之一。

精确测量主要包括分析微重力环境下推进剂测量过程中的各种影响因素并对其进行修正，建立微重力环境下推进剂测量热力学模型，研制高精度的压力、温度传感器等工作补给过程的自动监测主要包括推进剂泄漏监测技术、补给过程的故障诊断技术及补给过程安全保障等内容为提高补给过程的可靠性和安全性，需对在轨精确测量与自动监测技术进行深入研究3)关键硬件设备研制技术推进剂在轨补加的关键硬件设备主要包括管路连接器、推进剂泵、推进剂贮箱和无推进排放装置等管路连接器实现补给过程管路定位、锁紧、连接和分离等一系列功能应尽量减少分离时推进剂的溢出量同时，应该具备足够的容错能力，减小对对接角度偏差和位置偏差的精度要求推进剂在轨补加选用由无刷直流电机驱动的齿轮泵，对泵最核心的要求是出口压力和流量范围，同时要很好地解决电机转子和输送介质肼的相容性问题推进剂贮箱不仅要完成低重力场下推进剂排放的典型功能，而且在排放完贮箱气口侧的压力后还可以满足推进剂再加注的功能贮箱的另一个研制要求就是要能够满足不同的填充流量需求为了满足对不同加注流量的需求，需在贮箱中设计一个液体入口装置该装置可以让流体绕过贮箱推进剂管理装置的筛网，流体进入贮箱时首先流过一系列的容腔，增加流体的出口面积，从而消除流体的动量。

如果流体的动量没有减小，肼将会在贮箱中形成间歇喷泉式流动这种间歇喷泉式流动将产生小的液滴，而小液滴将混入气泡中流出贮箱，减少流体转移的有效质量传统的流量传感器要么不能用于低重力环境，要么尺寸特别大，很难用于推进剂在轨补加任务为了实现在轨补加推进剂在轨精确测量，需研制高精度在轨流量传感器 “轨道快车”计划采用了一款传感器该传感器有两个探针置于流动液体中其中一个是加热器和温度传感器，另一个仅仅是温度传感器为了使两个探针维持一恒定的温度差必须消耗一定的能量，而通过测量能量消耗就可以确定液体的质量流量流体传输系统的一个特殊需求就是必须具有排空增压气体和推进剂的能力要求无推进排放装置对补给航天器和被补给航天器污染最小化、避免对航天器的扰动、可以完成100%液体到100%气体的排放对肼系统而言，最好的方式就是将无推进排放装置直接焊接在标准的单组元发动机上，单组元发动机将分解肼通过使用标准的单组元发动机，在航天器周围不会有新的污染物出现为了实现无推进排放，需在焊接在发动机喷管上的堵帽上180度对称布置两个排放孔结论推进剂在轨自动补加技术作为长期在轨飞行的必备技术，在未来卫星在轨服务、载人登月、深空探测和月球／行星基地建设等方面具有广泛的应用前景。

通过推进剂在轨补加可以降低航天器的发射成本，延长航天器的在轨寿命，极大地增加卫星执行任务的能力泵输送法作为一种已经多次飞行验证的补加方案，适用于各类航天器，尤其是适于在轨卫星的推进剂加注因此，开展泵输送法补加相关关键技术研究工作对于提高我国航天器在轨服务能力具有十分重要的意义  -全文完-。