風(fēng)云-4衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)提升我國航天器空間進(jìn)入能力

唐飛 梁軍強(qiáng) 馬云華 （北京控制工程研究所）

風(fēng)云-4衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)提升我國航天器空間進(jìn)入能力

FY-4 Satellite Propulsion System Enhances China's Capability to Access Space

唐飛 梁軍強(qiáng) 馬云華 （北京控制工程研究所）

2016年12月11日，我國風(fēng)云-4氣象衛(wèi)星發(fā)射成功，歷經(jīng)5次遠(yuǎn)地點(diǎn)變軌和2次近地點(diǎn)捕獲后，于12月17日成功定點(diǎn)于105°（E）赤道上空，使我國成為繼日本和美國后成功發(fā)射新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星的國家。作為新一代氣象衛(wèi)星的首發(fā)科研衛(wèi)星，風(fēng)云-4衛(wèi)星采用了北京控制工程研究所設(shè)計(jì)的先進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)的混合比調(diào)節(jié)和推進(jìn)劑剩余量精確測量，是我國第一個(gè)真正實(shí)現(xiàn)在軌推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)主動(dòng)調(diào)節(jié)的航天器。風(fēng)云-4衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)的完美表現(xiàn)，不僅是北京控制工程研究所航天器推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的體現(xiàn)，同時(shí)也是大幅度提升我國航天器空間進(jìn)入能力的一次展示。

1 引言

與以往高軌衛(wèi)星不同，風(fēng)云-4衛(wèi)星屬于桁架式結(jié)構(gòu)，推進(jìn)系統(tǒng)采用4個(gè)貯箱，其中氧化劑貯箱和燃燒劑貯箱各2個(gè)，它們之間采用并聯(lián)交錯(cuò)布置的安裝方式。若2個(gè)并聯(lián)貯箱不能夠?qū)崿F(xiàn)平衡排放，將會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。首先，會導(dǎo)致質(zhì)心偏移，增加姿態(tài)控制的難度和成本，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致衛(wèi)星姿態(tài)失控；其次，單個(gè)貯箱排空后可能會導(dǎo)致貯箱內(nèi)的增壓氦氣進(jìn)入管路，這些都會給衛(wèi)星的正常運(yùn)行帶來危險(xiǎn)。

同時(shí)，風(fēng)云-4衛(wèi)星發(fā)射入軌后，其推進(jìn)系統(tǒng)需要解決下一個(gè)面臨的問題，即推進(jìn)劑的剩余情況。事實(shí)上，空間液體推進(jìn)劑剩余量測量正是伴隨著液體推進(jìn)劑在航天器上的使用而出現(xiàn)的航天技術(shù)難題。準(zhǔn)確可靠的空間液體推進(jìn)劑剩余量測量，不僅是航天技術(shù)發(fā)展本身提出的急需解決的課題，而且也是能夠帶來顯著經(jīng)濟(jì)效益和航天器在軌管理效益的關(guān)鍵技術(shù)。對于大平臺的高軌衛(wèi)星，液體推進(jìn)劑快耗盡時(shí)的準(zhǔn)確測量和預(yù)報(bào)更加重要，不僅影響實(shí)際的經(jīng)濟(jì)效益，而且關(guān)系到空間軌道資源的利用率。

為了解決上述問題給航天器帶來的困擾，風(fēng)云-4衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)配置了獨(dú)特的模塊——?dú)怏w旁路模塊。該模塊獨(dú)立于氣體增壓模塊，由氣瓶直接連接至推進(jìn)劑貯箱?？紤]到貯箱補(bǔ)氣和采用氣體激勵(lì)法準(zhǔn)確控制由氣瓶注入貯箱內(nèi)的氦氣量，所以在旁路系統(tǒng)上設(shè)置了氣容。旁路上還設(shè)置了一些閥門，按一定的時(shí)序工作，可實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑剩余量的精確測量以及貯箱之間推進(jìn)劑平衡排放的功能。

2 風(fēng)云-4衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)研制歷程簡介

回首十多年來風(fēng)云-4衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)的研制歷程，作為當(dāng)時(shí)在研的推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求最高的航天器，整個(gè)研制過程中需要克服重重困難。在北京控制工程研究所及推進(jìn)系統(tǒng)部各級領(lǐng)導(dǎo)、型號兩總的精心指揮和周密部署下，推進(jìn)系統(tǒng)研制隊(duì)伍堅(jiān)持緊握戰(zhàn)勝困難的幾大法寶，有力踐行“嚴(yán)、慎、細(xì)、實(shí)”的優(yōu)良工作作風(fēng)，不放過任何一個(gè)問題，落實(shí)每一處技術(shù)細(xì)節(jié)，為推進(jìn)系統(tǒng)在軌的完美表現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在模樣和初樣研制階段，先后開展了推進(jìn)系統(tǒng)仿真分析、全系統(tǒng)水力學(xué)試驗(yàn)、整星熱試車等分析和試驗(yàn)驗(yàn)證工作，對整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的性能和可靠性進(jìn)行了全面的分析和驗(yàn)證。2014年，風(fēng)云-4衛(wèi)星推進(jìn)分系統(tǒng)轉(zhuǎn)入正樣研制階段。2016年10月，衛(wèi)星推進(jìn)分系統(tǒng)完成出廠研制工作。

3 風(fēng)云-4衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)主要技術(shù)特點(diǎn)

推進(jìn)分系統(tǒng)由北京控制工程研究所設(shè)計(jì)研制。相對于東方紅-3、4平臺，風(fēng)云-4衛(wèi)星采用四貯箱并聯(lián)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)上增加了氣體旁路，以滿足推進(jìn)劑剩余量精確測量和平衡排放精確控制問題，同時(shí)解決了氣路系統(tǒng)單點(diǎn)故障問題，提高了系統(tǒng)的可靠性。與此同時(shí)，風(fēng)云-4衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)采用高精度壓力傳感器、增加旁路系統(tǒng)調(diào)壓控制和剩余量測量功能，在線路小型化的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加閥門驅(qū)動(dòng)備份功能。

風(fēng)云-4衛(wèi)星的發(fā)射質(zhì)量為5400kg，可以攜帶的推進(jìn)劑質(zhì)量為3100kg，能夠滿足在軌7年的壽命要求。其推進(jìn)系統(tǒng)在軌期間完成的主要任務(wù)包括：衛(wèi)星變軌機(jī)動(dòng)、同步軌道定點(diǎn)捕獲、位置保持以及衛(wèi)星各階段姿態(tài)控制和調(diào)整。

風(fēng)云-4衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)主要包括：

1）該衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)劑剩余量測量精度是國內(nèi)在軌飛行器中最高的。傳統(tǒng)雙組元衛(wèi)星一般采用“壓力-體積-溫度”法和記賬法對在軌衛(wèi)星推進(jìn)劑剩余量進(jìn)行測量，測量精度約為6個(gè)月；而風(fēng)云-4衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)采用氣體注入法進(jìn)行推進(jìn)劑剩余量測量，測量精度約為1.5個(gè)月。

2）該衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)在國內(nèi)飛行器中首次具備混合比主動(dòng)調(diào)節(jié)功能。傳統(tǒng)雙組元衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)混合比的要求為1.65±3%；風(fēng)云-4衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)由于具有系統(tǒng)混合比調(diào)節(jié)功能，能夠精確控制貯箱推進(jìn)劑的不平衡排放，因此推進(jìn)系統(tǒng)混合比指標(biāo)優(yōu)于1.65±2%。

3）該衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)首次解決了雙組元推進(jìn)系統(tǒng)的減壓器單點(diǎn)故障問題。以往雙組元衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)的減壓器作為分系統(tǒng)的單點(diǎn)故障，沒有功能冗余，減壓功能失效，會使貯箱壓力升高，威脅整星安全；由于設(shè)置了氣體旁路，風(fēng)云-4衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)主氣路減壓器如果發(fā)生故障，可以切換旁路并結(jié)合閥門開關(guān)時(shí)序，使整個(gè)系統(tǒng)維持恒壓工作模式，避免整星工作失效。

風(fēng)云-4衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)的研制成功主要突破了如下關(guān)鍵技術(shù)。

1）推進(jìn)系統(tǒng)地面水試和熱試技術(shù)。新平臺衛(wèi)星推進(jìn)技術(shù)在轉(zhuǎn)正樣研制前，需要開展地面水試星和熱試星工作。試驗(yàn)中，需要通過協(xié)調(diào)模式、點(diǎn)火模式、水擊模式、旁路工作模式等試驗(yàn)，驗(yàn)證推進(jìn)系統(tǒng)的系統(tǒng)匹配性、整星推進(jìn)劑加注流程的合理性、氣體旁路工作時(shí)序的合理性以及水擊工作的系統(tǒng)安全性，并考核氣體注入法的推進(jìn)劑剩余量測量精度以及系統(tǒng)混合比調(diào)節(jié)能力。通過多輪重復(fù)的水試和熱試試驗(yàn)，充分驗(yàn)證了風(fēng)云-4衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。

2）高精度的推進(jìn)系統(tǒng)仿真技術(shù)。高精度的推進(jìn)系統(tǒng)仿真技術(shù)，包括推進(jìn)系統(tǒng)單機(jī)產(chǎn)品特性仿真建模和推進(jìn)系統(tǒng)性能高精度數(shù)值仿真軟件兩部分。開展衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)常用液路組件流動(dòng)的特性驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)合單機(jī)產(chǎn)品特性的專項(xiàng)測試結(jié)果，對單機(jī)仿真模型的流量壓降特性進(jìn)行校準(zhǔn)，提高單機(jī)產(chǎn)品的仿真模型精度。在單機(jī)仿真模型基礎(chǔ)上，研制雙組元推進(jìn)系統(tǒng)性能的高精度數(shù)值仿真軟件，進(jìn)行系統(tǒng)工作過程中的流量-壓降特性、水擊效應(yīng)、推進(jìn)系統(tǒng)極限情況下的性能仿真分析等，提高推進(jìn)系統(tǒng)工作的可靠性。

3）推進(jìn)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試平臺技術(shù)。推進(jìn)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試平臺包括氣路系統(tǒng)（帶電爆閥）試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)、電性能測試驗(yàn)證系統(tǒng)、液路系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及測試系統(tǒng)。進(jìn)行推進(jìn)系統(tǒng)正常性能試驗(yàn)驗(yàn)證、啟動(dòng)沖擊試驗(yàn)、拉偏工況試驗(yàn)驗(yàn)證、系統(tǒng)故障試驗(yàn)驗(yàn)證，具備真實(shí)推進(jìn)系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)聯(lián)試試驗(yàn)驗(yàn)證能力。對系統(tǒng)性能進(jìn)行充分的測試與驗(yàn)證，包括系統(tǒng)各點(diǎn)的流量、壓降特性，單機(jī)出現(xiàn)故障后的系統(tǒng)性能的試驗(yàn)與驗(yàn)證，系統(tǒng)改進(jìn)后的技術(shù)驗(yàn)證等。

4 風(fēng)云-4衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)在軌運(yùn)行情況

2016年12月11日，風(fēng)云-4衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心由長征-3B運(yùn)載火箭發(fā)射，星箭分離后推進(jìn)系統(tǒng)的所有遙測參數(shù)正常。

2016年12月11日-16日，衛(wèi)星進(jìn)行5次遠(yuǎn)地點(diǎn)點(diǎn)火工作，推進(jìn)系統(tǒng)工作正常。在490N發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，推進(jìn)系統(tǒng)的混合比滿足總體的技術(shù)要求。其中，平衡排放指標(biāo)滿足總體的技術(shù)要求。隨后，進(jìn)行了2次定點(diǎn)捕獲，10N推力器工作正常。

2016年12月30日，衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)開啟氣體旁路，利用氣體注入法對4個(gè)推進(jìn)劑貯箱進(jìn)行了推進(jìn)劑剩余量測量，綜合控制系統(tǒng)姿態(tài)計(jì)算及軌道轉(zhuǎn)移期間的計(jì)算結(jié)果，推進(jìn)劑剩余量測量精度滿足總體技術(shù)要求。

綜合來看，風(fēng)云-4衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)變軌過程表現(xiàn)出色，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足任務(wù)要求，為后續(xù)大型桁架式高軌衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了成功經(jīng)驗(yàn)。

5 結(jié)束語

風(fēng)云-4衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)是我國繼東方紅-3、東方紅-4大平臺衛(wèi)星之后，性能又一次實(shí)現(xiàn)跨越式升級的推進(jìn)系統(tǒng)，它突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，擁有多項(xiàng)自主知識產(chǎn)權(quán)，技術(shù)流程復(fù)雜、研制難度大，系統(tǒng)的主要指標(biāo)和性能參數(shù)達(dá)到了國際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。

該衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)的成功研制，為我國全面進(jìn)入空間領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)，依托該桁架式平臺結(jié)構(gòu)及氣體旁路技術(shù)，未來可以研制大平臺、多貯箱、對接靈活的推進(jìn)模塊，以適應(yīng)更加復(fù)雜多樣化的航天任務(wù)。