空間機動服務平臺在軌補給技術研究*

魏延明，潘海林

(北京控制工程研究所，北京 100190)

1 引 言

自首顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射以來，實現(xiàn)航天器在空間的自由機動一直是空間技術發(fā)展的重要方向之一。早在1969年10月，蘇聯(lián)就用3艘“聯(lián)盟”飛船在200公里橢圓軌道上實現(xiàn)了戰(zhàn)機式的編隊飛行。整個編隊飛行持續(xù)了24小時，飛行中各飛船之間僅相距幾公里。為了保持編隊的隊形，3艘飛船共進行了31次變軌機動。這次飛行既表明了軌道間自由機動的可能性，也顯示了軌道機動所需付出的高昂代價。進入20世紀80年代，空間服務成為研究的重點，航天器空間機動飛行技術再次得到重視，歐美等國家先后提出了自動轉移飛行器(ATV)、軌道快車(Express)、軌道機動飛行器(SMV)和試驗航天器系統(tǒng)(XSS)等計劃。

空間機動能力取決于推進劑的攜帶量。由于空間系統(tǒng)質量和體積受到運行控制特性以及運載系統(tǒng)單次發(fā)射能力的限制，所以目前的各種衛(wèi)星推進系統(tǒng)的推進劑儲量是非常有限的，而僅僅依靠衛(wèi)星自身攜帶的推進劑遠遠無法完成上述廣泛的軌道機動任務，因此發(fā)展液體推進劑在軌補給技術是必要的。

航天器壽命受到推進劑質量比值的限制?，F(xiàn)今，由于發(fā)射成本很高，大多數(shù)國家都選擇發(fā)射不需要后勤支持的長壽命衛(wèi)星，因而只能在發(fā)射時就將衛(wèi)星充滿足夠的燃料，這樣既增加了發(fā)射成本，又降低了衛(wèi)星的有效載荷和壽命。如果通過給航天器補充推進劑來提高壽命，不但減輕了發(fā)射重量，還可以把發(fā)射系統(tǒng)做得更小，使發(fā)射成本變得越來越低。衛(wèi)星越大、越昂貴，通過在軌補給減少發(fā)射重量的意義就越明顯。

1999年美國空軍還研究了采用在軌補給推進劑技術改進全球定位衛(wèi)星(GPS)星座的維持任務在技術方面的經(jīng)濟可行性，指出該項改進將獲得十分顯著的效益[1]。最近，NASA研究了美國衛(wèi)星服務技術的經(jīng)濟發(fā)展需求，提出了其21世紀航天器服務與護衛(wèi)空間基礎設施的體系結構，并指出在軌燃料補給是最需要發(fā)展的服務內(nèi)容和獲利最大的技術。

2 國外發(fā)展情況及趨勢

2.1 俄羅斯的在軌補給的實施情況

從1978年開始，俄羅斯就使用了在軌補給技術，使用隔膜式貯箱為目標貯箱添加推進劑，使用壓縮機為氣瓶添加高壓氣體。

隔膜貯箱將推進劑和壓縮氣體分開，可以通過擠壓排出推進劑，而不用擔心有氣泡被吸入。這種隔膜式系統(tǒng)的缺點是隔膜的使用壽命短，重量較大，不能夠消除由內(nèi)部散布的液體所形成的蒸汽泡，不過，俄羅斯已經(jīng)使用這種補給箱為空間站在軌補給了870kg的推進劑(兩箱氧化劑，兩箱燃料)。所使用的壓縮氣體為高壓氮氣。在接受箱內(nèi)部使用一個壓縮機來降低壓力，把貯箱內(nèi)的氮氣反排給高壓氣瓶。當燃料的漏率檢查完畢后，接著就進行氧化劑的傳輸。兩種液體分開傳輸減少了泄漏造成的危害。這個補給過程既可以在地面站控制也可以在空間站上操作。

俄羅斯第一次進行推進劑的在軌加注是1978年1月20日，之后還用于其他空間站——和平號空間站(Mir)和國際空間站(ISS)，其中ISS空間站第一次補給是在2000年8月。這些補給都是使用進步號飛船完成的，其安全性和可靠性為世界各國所稱道，盡管從技術上講它并不是最先進的。

2.2 美國的在軌補給研究及規(guī)劃

美國從80年代就開始了利用航天飛機進行在軌補給試驗，共進行了5次：

(1)ORS項目(On Orbital Refueling System Flight Demonstration)；

(2)SFMD項目(Storable Fluid Management Demonstration)；

(3)FARE1項目(Fluid Acquisition and Resupply Experiment)；

(4)FARE2項目(Fluid Acquisition and Resupply Experiment)；

(5)VTRE項目(The Vented Tank Resupply Experiment)。

通過多年的研究和在軌試驗，美國不僅掌握了這項技術，而且可以推廣到技術更先進、應用范圍更廣泛的低溫推進劑在軌補給。

1999年11月由美國國防部高級研究計劃局(DARPA)正式公布了“軌道快車”計劃[2]。該計劃用于研發(fā)支持未來美國國家安全和商業(yè)衛(wèi)星的在軌補給及重構技術[3]。

美國計劃采取如下的步驟[4]：首先將燃料和所需的電子部件等物品發(fā)射到太空中，進入燃料保存軌道，形成一個空間存儲庫，然后通過空間自動運輸系統(tǒng)從存儲庫中取出所需物品運送到需進行補充的目標星上，實現(xiàn)整個在軌補給操作。通過該計劃，可以實現(xiàn)在軌衛(wèi)星的燃料補充、電池更換、部件升級等維修工作，延長衛(wèi)星的工作壽命，增強衛(wèi)星的機動能力，從而大幅度降低衛(wèi)星的成本[5～8]。

美國計劃在2010年實現(xiàn)部署“軌道快車”計劃，完成空間存儲庫的發(fā)射，建立往返于存儲庫和目標星之間的運輸通道，實現(xiàn)在軌補給。

2.3 其他國家的在軌補給研究相關進展

除了俄羅斯和美國之外，日本和歐洲也在積極開展與在軌補給技術相關的研究，并且在一些相關領域，尤其是空間機器人和對接裝置研究方面取得了較大進展。

迄今日本已發(fā)射兩顆航天器在軌進行了與維修有關的技術試驗。

1995年11月18日，日本用H-Ⅱ火箭發(fā)射了試驗、觀測兩用自由飛行器(SFV)，1996年1月13日成功地用美國航天飛機STS-72回收，日本航天員操作STS-72上的機械臂捕獲到SFV并將其裝入航天飛機貨艙后帶回地面。

1997年11月18日，日本發(fā)射了實驗交會對接和空間機器人技術的技術試驗衛(wèi)星ETS-VII，用這顆星不僅驗證了目標星與追蹤星在軌分離、交會和對接技術，還利用星上的大型機械臂分別采用地面遙操作和自主控制的方式完成了對目標星的捕獲以及在軌更換模塊等試驗。

1997年德國宇航中心(DLR)提出了機器人宇航員的概念，當時的背景是一顆剛剛發(fā)射的衛(wèi)星TV-SAT-I在進入軌道后太陽能電池板不能自動打開，而衛(wèi)星所在的軌道又是載人航天無法到達的軌道。因此DLR提出了一個在移動衛(wèi)星上安裝兩個輕型機器人手臂、兩個多指靈巧手指及兩臺立體攝像機的設想。由機器人宇航員去捕獲、并與故障衛(wèi)星對接，進而去維修它，同樣可以通過遙操作該機器人宇航員進行在軌補給服務。

綜上所述，世界各主要的航天大國都已經(jīng)掌握了在軌補給技術。俄羅斯從1978年就已經(jīng)實施，到目前已經(jīng)成功地完成了多次在軌補給，而美國從上世紀80年代初就開始了在軌補給技術的研究，使該技術得到了充分的發(fā)展，并提出了龐大的在軌補給計劃。還有一些國家已經(jīng)開始了這方面技術的探索。在軌補給技術可以大規(guī)模提高衛(wèi)星的機動能力，為具有攻防能力的衛(wèi)星提供足夠的推進劑。在軌補給技術還可以延長衛(wèi)星壽命，節(jié)省造價，提高效能。

3 基于表面張力貯箱的雙組元在軌補給方案研究

3.1 多種方案比較

在軌加注方案主要分為3大類：推進劑直接傳輸式、推進模塊更換式和推進模塊補加式。其中推進劑直接傳輸式是目前使用最多的，俄羅斯和美國都采用了這種在軌加注方案，按照其操作方式的不同，該方案又可分為壓縮機式、倍壓式、排氣式和貫通式等4種，它們各有優(yōu)缺點，如表1所示。

表1 各種推進劑直接傳輸補給模式優(yōu)缺點比較

近年來，國外對推進模塊更換式和推進模塊補加式方案也開展了研究，但是這兩種方案都需要對目前的衛(wèi)星設計做大幅度地更改，因此研究僅停留在試驗室論證階段，距實際應用還有很長的距離。

3.2 一種新方案

本文提出了一種基于表面張力貯箱的雙組元推進系統(tǒng)在軌加注方案，該方案屬于排氣式補給方案中的一種，適合大多數(shù)航天器的在軌加注，如大型通信衛(wèi)星、大型偵察衛(wèi)星、天基作戰(zhàn)平臺、空間機動飛行器等。這些衛(wèi)星的造價昂貴，大多使用雙組元統(tǒng)一推進系統(tǒng)，對其進行補給的效益更加突出；另外，對該方案進行適當簡化，可以實現(xiàn)單組元衛(wèi)星的在軌推進劑補給，因此，該方案具有一定的通用性。

基于表面張力貯箱的雙組元推進系統(tǒng)的在軌加注方案是將整個系統(tǒng)分為4個模塊：被加注系統(tǒng)模塊、氧化劑加注模塊、燃燒劑加注模塊和增壓氣體加注模塊。在實施加注時，在氧化劑和燃燒劑加注前需先對被加注貯箱進行排氣，然后才分別進行加注，而壓縮氣體單獨進行加注。加注貯箱和接收貯箱都選用表面張力貯箱。初步設計方案如圖1所示。

這種加注方案的主要優(yōu)點如下：

(1)與現(xiàn)有衛(wèi)星推進系統(tǒng)相匹配。目前，國內(nèi)外絕大多數(shù)衛(wèi)星上都采用的是表面張力貯箱，采用這種方案與衛(wèi)星推進系統(tǒng)的發(fā)展相適應。

(2)采用排氣式加注方式，可以在低壓狀態(tài)下補給，在補給過程中由壓縮而產(chǎn)生的熱量比倍壓式要少，便于縮短加注時間，提高加注的可靠性和安全性。

(3)表面張力貯箱在推進劑加注方面具有明顯優(yōu)勢，該類型貯箱具有容量大、可反復加排、無活動部件、能進行地面驗證的優(yōu)點。

圖1 補給系統(tǒng)組成方案

3.3 工作原理

采用本加注方案，壓縮氣體和推進劑需要分別加注，具體過程分為如下3步：

(1)氣體補給

先是關閉被補給側的減壓模塊，然后打開加排閥，進行高壓氣體補給。補給完畢后，關閉加排閥，完成氣體補給。

(2)推進劑補給

以燃料補給為例。對接后，先是被補給側的貯箱排氣，在氣路關斷時，打開被補給側自鎖閥和加排閥，接通被補給側的加注管路，然后對補給側的貯箱增壓，同時，打開補給側的自鎖閥與加排閥，進行補給。補給完畢后，先是關閉補給側的自鎖閥與加排閥，然后關閉被補給側的加排閥與自鎖閥，完成燃料補給。

(3)補充貯箱氣墊

以燃料側為例。對接后，通過補給側的氣體試驗接口，在打開貯箱上游自鎖閥、關閉加排閥的條件下，將補給側減壓后再將氣體補充到燃料箱內(nèi)。

3.4 關鍵技術

3.4.1 微重力下流體傳輸機理研究

在微重力環(huán)境下，重力不再占主導作用，表面張力、粘性力和其他應用力(如重力梯度和隨機加速度)決定了流體的分布，因此對微重力下流體的傳輸機理進行研究對在軌加注的實現(xiàn)具有至關重要的意義。

微重力下流動傳輸機理的研究主要包括如下內(nèi)容：軌道運動條件下在軌補給過程中貯箱中推進劑的定位方式、軌道運動條件下在軌補給過程中貯箱中液體與氣體的分布、推進劑管理裝置在流體傳輸方面發(fā)揮的作用、低重力環(huán)境下箱內(nèi)增壓氣體的排放控制和加注過程中的熱力學變化。通過對加注過程的全物理仿真，可模擬出整個過程的氣液分布、溫度變化和流速變化情況，為加注程序的設計提供數(shù)值依據(jù)，為在軌加注的實施提供有效參考。

3.4.2 加注方和被加注方推進系統(tǒng)的設計

加注方和被加注方推進系統(tǒng)設計的前提是加注方案的確定。對于不同的加注方案，所對應的系統(tǒng)設計有很大不同。

液體補充加注系統(tǒng)可分成3個組件：供應箱、傳輸管和接受箱。供應箱必須能夠將液體排空并不夾帶蒸汽，且保持一定的壓力以確保實現(xiàn)快速傳輸，這個問題已經(jīng)由成功應用的表面張力貯箱解決了；傳輸管必須保證連接兩個貯箱時流體的損失最小，能夠調(diào)節(jié)到要求的參數(shù)，并保持低壓降，保證連接的可靠性、密封性和分離的快速性，這雖然屬于流體管路接口問題，但也可能涉及出現(xiàn)的泄漏問題；核心技術在于航天器是在軌道運動環(huán)境下對接受箱的加注，包括在微重力環(huán)境下對箱內(nèi)增壓氣體的排放控制、液體和蒸汽分布控制要求等。

除了要設計液體在軌加注系統(tǒng)之外，還有必要對氣體加注系統(tǒng)進行設計。氣體的傳輸分為兩種類型，一種是利用壓差進行傳輸，一種是使用壓縮機進行傳輸。

3.4.3 在軌加注對接裝置的結構布局

對與加注箱和被加注箱對接的裝置進行合理設計，對接裝置才能夠實現(xiàn)定位、鎖緊、連通、流量控制和分離的功能。在整個接對裝置中，將被加注箱的對接裝置部分設置為被動件，將加注箱的對接裝置設置為主動件，當完成捕獲后，由加注箱的對接裝置主動尋找被加注箱的對接部位并進行定位，在完成定位后，完成對兩個對接裝置鎖緊，繼而打開加注閥門實施加注。在完成加注后，關閉加注閥門，使鎖緊裝置分離，兩個對接裝置實現(xiàn)脫離。

在進行對接裝置的結構設計時，要在充分考慮加注的全過程的情況下，合理地安排定位裝置、鎖緊裝置、分離裝置的位置和布局，同時還要將整個過程中的檢測裝置進行合理布局，在充分考慮其可靠性的前提下，根據(jù)空間環(huán)境的特點對各個裝置的布局進行優(yōu)化，做到整個加注裝置布置的科學、合理和安全。在進行對接裝置設計時，還要充分考慮裝置的通用性問題。

對接裝置還要求結構簡單、固有可靠性高和系統(tǒng)重量輕，航天器在軌流體補給系統(tǒng)的零件數(shù)和活動件數(shù)要盡量少。作為航天器在軌流體補給系統(tǒng)，其連接機構的可靠性和密封性是關鍵性指標，對接面結構形式可采用現(xiàn)有的航天器在軌對接機構。

安全性設計是對接裝置設計的另一項重要內(nèi)容，對接裝置連接的剛度和密封性都有很高的要求，還需要對傳輸管路進行碎片防護設計，此外，為了確保任務的成功，應該設計一個備用的在軌流體補給系統(tǒng)，還應該考慮在緊急情況下在軌流體補給系統(tǒng)分離的解鎖裝置

3.4.4 漂浮基空間機器人與遙操作

在空間對接過程的捕獲階段，可以利用安裝在服務航天器上的空間機器人(漂浮基空間機器人)捕獲目標衛(wèi)星，然后將捕獲到的目標衛(wèi)星送入三叉式對接機構的捕獲包絡區(qū)。當目標衛(wèi)星處在漂浮基空間機器人捕獲范圍內(nèi)時，由于太空環(huán)境的復雜性，目標衛(wèi)星相對服務航天器的位置和姿態(tài)都具有一定的不確定性，空間機器人不可能完全按照預先設定的程序自動地完成捕獲任務，需要宇航員或者地面站上的操作員對其進行干預，因此構建空間機器人遙操作系統(tǒng)是非常必要的。在高真空、微重力、大時延的太空環(huán)境下空間機器人遙操作系統(tǒng)是一個非常復雜的系統(tǒng)，研究其系統(tǒng)集成技術、人機交互方法、預測仿真技術、局部自主操作及空間機器人與漂浮基協(xié)調(diào)運動的自適應控制技術是非常必要的。

3.4.5 補給過程的應急處理與安全的保障可靠性技術

應配備使航天器在軌與推進劑補給系統(tǒng)分離的解鎖裝置，補給過程如遇緊急情況時使用。

嚴格控制在氧化劑和燃料混合過程中所發(fā)生的溢流和泄漏問題。用航天器推進劑在軌補給系統(tǒng)傳輸雙元推進劑時，安全是個首要問題。

對接鎖緊裝置在對接后應鎖緊，以保證連接的剛度和密封性要求。

3.4.6 補給過程的實時監(jiān)測及故障診斷技術

在補給過程中必須實現(xiàn)實時監(jiān)測、故障診斷和輔助決策，以提高補給注入過程的安全性和可靠性。

推進劑泄漏檢測技術是實現(xiàn)在軌補給和航天器正常運行的關鍵技術之一。為提高對泄漏檢測的可靠性，可利用具有高分辨能力的質譜檢測和具有高靈敏度的敏感膜，實現(xiàn)推進劑泄漏檢測。

4 應用前景

在軌補給技術在航天領域中的應用前景非常廣闊。在軌補給技術的實現(xiàn)，將極大地增加空間飛行器的機動能力，提高衛(wèi)星的效能，提升空間飛行器的經(jīng)濟效益。該技術的主要應用方向如下：

(1)具有多次軌道機動能力衛(wèi)星的在軌補給

軌道機動是以推進劑的消耗為代價的，通過在軌補給可以為各類衛(wèi)星提供充足的燃料。

(2)長壽命衛(wèi)星的在軌補給

對于具有長壽命要求的衛(wèi)星，可以使用在軌補給推進劑的方式，延長其使用壽命，降低發(fā)射成本。

(3)深空探測器的空間燃料補給

完成深空探測需要消耗大量的燃料，而在軌補給技術恰好可以為其提供補充充足燃料的保證，可以為未來的火星探測等活動提供技術支撐。

5 結 論

推進劑在軌補給技術是一項難度很大、可靠性要求非常高的技術，將其用于在軌道轉移飛行器上可使飛行器多次工作，用在普通衛(wèi)星上可成倍延長衛(wèi)星的壽命，對永久性空間站上而言，它更是一項必不可少的技術。在軌補給技術的實現(xiàn)，將極大地增加空間飛行器的機動能力，提高衛(wèi)星的效能，提升空間飛行器的經(jīng)濟效益。

當前，我國航天技術與世界先進水平相比還有一定的差距，我們更應該積極關注并研究國際空間技術前沿，抓住機遇，迎接挑戰(zhàn)，集中力量攻克例如推進劑在軌補給這樣應用前景非常廣闊的技術。以此促進我國空間飛行工程的階躍式發(fā)展。