空间站的在轨技术(二)——在轨补给

空间的在轨补给技术是航天器主要的在轨服务模式之一。它是延长航天器的有效工作寿命、提高航天器经济效益的主要技术手段。本文在大量掌握材料的基础上,分析了在轨补给技术的现状;概括了空间在轨加注的技术要求;对比了三种典型的在轨加注方案:直接加注,更换贮箱,整体更换推进舵;最后以双组元推进剂加注系统为例,简介系统的结构和工作原理。     

低温推进剂集成管理技术的发展与启示

低温推进剂集成管理技术(IVF)是实现上面级等航天器长期在轨的新技术思路。通过将液氢液氧长期在轨产生的蒸汽与内燃机技术结合,实现贮箱增压、排气、姿控、沉底、发电功能一体化,减小航天器系统质量,增强任务灵活性。回顾了IVF模块设计的发展过程,探讨了IVF的技术优势,与燃料电池技术、蒸发量控制技术对比分析了IVF技术的使用范围及不足,提出了研究气氢气氧内燃机技术、IVF模块方案设计、系统仿真等关键技术的建议,并展望了其应用前景。     

国外航天器在轨故障统计与分析

统计和分析航天器在轨实际发生的故障,可以从中发现在轨故障发生的规律,并指导航天器采取预防或纠正措施。文章在收集航天器在轨故障的基础上,划分了故障的类别,总结了故障发生趋势。对航天器平台而言,控制、供配电、推进3个分系统的故障所占比例最高。针对航天器供配电、综合电子、推进、热控、环控生保等分系统的故障进行了统计,并分析了...     

氢氧推进剂在轨加注若干关键问题研究进展

为了实现深空探测和大型空间站的建设,有必要对氢氧推进剂的在轨加注技术进行研究。通过文献调研和对比,重点分析氢氧推进剂在轨加注遇到的若干热力学和流体力学问题。首先介绍了可以用于氢氧贮箱蒸发量控制的被动热防护技术,目的是实现推进剂的长期在轨贮存。其次,对9种常用的常规推进剂在轨测量技术进行比较,得出适用于氢氧贮箱内剩余推进剂的测量方法。最后,针对在轨低温推进剂的气液分离问题,分析了正推法和表面张力贮箱在氢氧贮箱气液分离中的适用性。通过对氢氧推进剂在轨加注关键问题的调研和论证,为我国氢氧推进剂在空间环境下的长期在轨使用和再加注提供技术参考。     

基于气体注入法的高精度推进剂剩余量测量方法

在载人月球探测任务中,为准确预测携带大量推进剂航天器的质量特性和在轨寿命以便进行飞行任务规划和控制,需要精确测量低重力条件下航天器推进剂剩余质量。文章对基于气体注入法的航天器贮箱推进剂剩余量测量精度和关键影响因素进行了仿真研究,研究结果表明:随着航天器贮箱中推进剂剩余量的不断减少,气体注入法测量精度不断降低;测量实施过程中贮箱压力值变化幅度越大,测量精度越高;测量精度受测量系统温度传感器精度影响相对较小,受测量系统压力传感器精度影响较大,呈近似线性相关;基于气体注入法的高精度推进剂剩余量测量方法,可通过选用高精度压力传感器和增大测量实施过程中贮箱压力值变化幅度实现。     

主结构与贮箱共承力航天器推进平台设计

航天器推进平台轻量化设计是提升航天器任务效率和优化系统性能的重要突破口。目前,通用推进平台的贮箱极少参与推进平台承载,推进平台需要通过辅助承力构件将贮箱载荷传递至主结构,降低了推进平台的承载效率。为此提出了一种主结构与贮箱共承力的推进平台构型,新研表面张力贮箱通过嵌入安装的方式安装在承力筒侧壁,并通过对承力筒主结构开展变刚度设计,实现对贮箱承载量级的合理控制。以某卫星型号的研制需求为例,基于Nastran软件对其推进平台的结构设计参数进行了优化设计,并开展仿真分析和试验验证。研究结果表明,主结构与贮箱共承力推进平台力学性能与通用推进平台相当,但推进平台干重占比可降至13.6%,可有效提升推进平台的整体效率。研究结果可作为大型航天器推进平台设计参考。     

热控涂层搭载飞行试验进展综述

文章对国内外航天器热控涂层在轨搭载飞行试验进行了调研,综述了利用和平号空间站、＂国际空间站＂、美国航天飞机、＂长期暴露装置＂等航天器进行的相关试验工作及主要的研究成果等。在此基础上提出了我国开展热控涂层搭载飞行试验的建议。     

双组元统一推进系统优化改进技术进展

不断提高推进剂在轨管理效率,是应用卫星对推进系统的基本要求,也是推进系统的重要发展方向。推进剂剩余量在轨高精度测量和并联贮箱均衡排放主动控制,是提高推进剂在轨管理效率的重要技术手段。针对我国SAST-5000卫星平台双组元统一推进系统,开展了气体注入压力激励方法的关键技术攻关,并取得重要进展。研究结果表明：改良型气体注入压力激励法的推进剂剩余量在轨测量精度达到-0.68%-0.66%,并联贮箱均衡排放控制措施将被动调节的不均衡度控制在优于1.13%,主动纠偏措施还可进一步提高并联贮箱排放推进剂的同步性。     

载人航天器密封系统漏率设计方法

载人航天器密封舱为航天员提供在轨生活、工作的环境,对密封舱及其环控生保系统、热控制系统、推进控制系统等中各管路的密封性能有严格要求。文章提出了一种漏率设计方法,建立了相应的漏率检测系统,并依据该方法制定了密封舱体和各管路的漏率设计和指标分配的流程。本流程可用作载人航天器舱体密封系统、管路密封系统的漏率设计,对保证载人航天器在轨安全可靠运行有重要参考价值。     

通信卫星在轨热控功率评估研究

电加热器是航天器常用的主动热控措施,合理准确的电加热器在轨工作分析技术可以有效地评估热控功率设计的经济性。为了获取通信卫星热控功率准确的使用情况,研究了热控功率的电流评估、开关量评估方法,通过在轨实际数据对上述方法进行了验证。根据地球静止轨道通信卫星热设计和遥测数据,给出了电加热器在轨使用规律和平均功率,结果表明:目前国内通信卫星加热器总功率余量大于48%,具有较大的统筹优化空间。该评估方法为在轨热控性能评估技术提供了新的思路,评估结果可作为设计热控功率、制定在轨智能管理策略的参考。     

航天器热设计中的系统性和鲁棒性

从航天器系统设计最优的角度,讨论了热设计应关注的几个问题:系统最优而非分系统指标最优的热设计原则,合理并充分利用航天器资源的热管理思路,解决航天器研制问题的热设计最小重构手段,适应航天器在轨意外故障的鲁棒性热设计方法。提出了现阶段航天器热设计应适当增加主动热控比例的设计原则;结合卫星应用实例,给出了充分利用电加热这种简单可靠的主动热控手段,来提高热设计鲁棒性,从而提升热设计系统性的方案和流程。     

模块化自适应热控技术体系研究

针对现有的两种热控技术体系尚不满足未来航天器要求的在轨服务能力,文章结合热控单项技术在可维修、自适应方向的发展现状,从系统层面和热量的收集、传输、排散各环节对潜在的可维修热控技术进行了分析,提出了未来的发展方向,构建出新的"模块化自适应热控技术体系"。该技术体系基于热总线,主动热控装置、设备的适应性和鲁棒性更强。在此基础上,提出了可更换、可修复、可重构和可补充4种热控系统在轨维护类型,并初步研究了各类型的实施方案和可行性。     

运载火箭低温推进剂热管理技术及应用进展分析

运载火箭低温推进剂与外界环境的传热是造成汽化的主要原因。为长期贮存和使用低温推进剂,必须采用综合的热管理技术。首先介绍国内外提出的被动热防护技术和主动制冷技术。前者的主要目的是降低贮箱与外界环境的热量交换强度;后者是通过对贮箱内的热量进行转移,以实现低温推进剂的无损贮存,但只适合已具有良好被动热防护的贮箱。其次,对国外典型低温推进剂实验应用系统进行分析,并初步提出多功能液氢实验平台方案设想,方案中通过CZ-3A号搭载多功能液氢实验平台用于验证空间环境下低温推进剂的综合应用技术。通过对低温推进剂热管理技术的调研和论证,为我国低温推进剂在空间环境下的长期在轨使用提供技术参考。     

航天器非地球轨道热环境模拟技术探讨

月球、火星探测器等非地球轨道航天器与地球轨道航天器对热控的要求有很大的不同,为验证热控设计的合理性,必须在地面做好充分的热环境模拟试验.国内绝大部分空间环模设备都是以模拟地球轨道航天器在轨环境为目的建设的,显然不能满足深空探测需要.文章针对航天器非地球轨道深空热环境模拟技术进行探讨.     

迭代法求解航天器热网络方程的收敛条件与时间步长优化

热分析计算是航天器热设计验证和在轨温度预示的重要手段,其实质是对描述航天器在轨状态的能量平衡方程即热网络方程的求解。作为典型的非线性问题,航天器热网络方程通常采用迭代法求解,且目前尚无完善的理论可以判断迭代过程的收敛性和收敛条件。文章根据航天器热控设计的工程实际,提出一种可行的近似方法,实现了热网络方程的线性化;在此基础上对迭代法求解过程中的收敛性进行分析,确定了收敛条件下对节点热参数和时间步长的约束关系;并进一步分析时间步长与计算效率的关系,提出了以计算效率为优化目标的最优时间步长确定方法。最后通过某典型航天器热物理模型的计算验证了上述方法的正确性。     

自增压系统在轨姿控动力系统中的应用

自增压轨姿控动力系统结合了涡轮泵压式火箭发动机的高性能、轻质量和挤压式推进系统的可重复启动能力。降低贮箱压力和减少惰性气体用量的同时,通过采用紧凑的高压推力室减少了其他组件的结构尺寸和重量。介绍了自增压系统在轨姿控动力系统的应用优势、技术特点、工作原理和目前的技术发展情况,分析了相应的关键技术,并基于目前技术基础,展望了发展的必要性和技术策略及途径。     

GTO卫星飞行温度预计方法与在轨验证

为了提高GTO轨道卫星温度预计的准确度,文章建立了卫星瞬态热分析模型。针对GTO特定工况,采用时段平均当量法模拟太阳翼变化规律供电时仪器间断工作热耗,并在整星热分析中应用PSCHG函数模拟贮箱推进剂相变换热以及推进系统管路温度预计方法等,准确地预计了GTO卫星在轨瞬时温度及变轨期间推进系统温度,验证结果表明：温度预计值...     

一种航天器电加热智能控制策略

降低航天器平台各分系统的功率需求是提高航天器承载能力的重要手段之一。部分航天器的热控功率占比偏高,而消耗功率的主要电加热器因控制算法简单,在轨功耗呈现明显的波峰波谷。文章提出了一种旨在优化电加热器总功率的电加热智能控制策略,并根据某导航卫星热设计和在轨遥测数据,选取蓄电池和推力器的加热器为代表进行了仿真分析,结果表明:智能控制策略具有良好的收敛性,蓄电池和推力器的加热器功率需求分别下降50%和45%,可以推广应用到其他航天器。     

长二丁运载火箭二级姿控发动机热控设计及其试验验证

根据长二丁运载火箭姿控发动机的热环境条件和系统对各组件的温控要求,初步制定了姿控发动机主要组件的热防护设计方案。以贮箱和电磁阀为主要热分析对象,用I-DEAS软件建立有限元模型,通过数值仿真计算获得各组件不同时间的温度。计算结果与贮箱和机组组件的地面模拟热辐射环境的热流试验数据进行比较,对设计作改进。最终给出了满足系统设计要求的二级姿控发动机热设计方案。     

空间原子氧环境对常用热控涂层的影响

空间原子氧（AO）是影响低地球轨道（LEO）航天器在轨性能的主要空间环境因素之一,其强氧化性能够对热控涂层和组件造成危害。文章分析了空间AO及相关综合环境对白漆、黑漆、有色有机漆、薄膜、织物、二次表面镜等各类常用热控涂层在LEO长期使用时可能引起的环境效应和危害,提出了相关使用建议,以期为今后我国以空间站为代表的LEO长寿命航天器论证及研制提供技术参考。