大功率轨道转移航天器全电推进系统研究

采用基于电推进的空间运输系统(转移级)完成使命,相对于采用化学推进可节省大量的推进剂,能够显著降低航天器的发射重量或者把更多的有效载荷送达探测目标地。调研了国外大功率电推力器的研究情况,针对近地空间的大功率轨道转移航天器任务需求,给出了电推进系统方案设计,并对采用不同性能指标推力器的多种方案进行对比,得到综合最优的方案。最后针对我国电推进技术发展现状,给出了我国大功率电推力器的关键技术和发展建议。     

航天器贮箱气液自由界面追踪数值模拟

主要讨论了航天器贮箱在轨道航行时的微重力状态下其液体推进剂在贮箱内的形态分布及控制.文中采用VOF方法,加入了表面张力的效应,追踪气液两相流的自由界面,对液面在微重力条件下的位形变化进行了数值模拟.通过比较不同重力加速度及接触角下的两相流的相图,分析了影响贮箱中液体推进剂位形变化的主要因素及对其有效的控制方法.      

侧向微重力环境下板式表面张力贮箱内推进剂晃动行为分析

侧向微重力是航天器在轨飞行时在东西位置保持和南北位置保持状态时所处的加速度环境.由于航天器贮箱内推进剂在侧向加速度环境下的重定位过程易产生晃动,因此侧向加速度环境对贮箱内推进剂管理装置(PMD)的管理能力的要求更高.为确保板式贮箱对推进剂的在轨管理能力,需要开展一系列的数值仿真与试验对PMD的管理能力进行验证.本文以板...     

航天器推力器布设对燃料消耗的影响

对航天器六自由度控制的推力分配问题进行了研究,参考卫星导航系统中几何精度衰减因子(GDOP) 的定义,首次提出了推力器构型燃料消耗因子（FCF）的概念,并将此概念用于定义推力器相对几何关系引起的期望控制量与燃料消耗间的比例关系。通过矩阵理论分析得到了燃料消耗因子随推力器数目增加而减少的结论,并通过仿真计算对结论进行了验证。     

基于Surface Evolver的推进剂贮箱气液界面分析

推进剂贮箱是航天器系统的重要部件,用于实现推进剂的管理与输运.在空间微重力条件下,贮箱内部液面呈弯曲状,掌握其液面分布特性是保证贮箱正常工作的前提.针对球形推进剂贮箱,采用Surface Evolver软件对其内部气液自由界面分布特性展开研究,分析充液比、接触角、Bond数等参数对贮箱液面的影响,得到液面分布随各参数的变化规律.研究结果表明,球形贮箱液面曲率随充液比的增大而增大,随接触角或Bond数的增大而减小.研究结果有助于实现推进剂贮箱液面快速分析,为贮箱及推进剂管理装置设计提供参考.      

Validation of a Compression Mass Gauge using ground tests for liquid propellant mass measurements

To properly estimate orbital lifetimes and predict the maneuverability of spacecraft, the remaining liquid propellant mass must be accurately known at every moment of a space mission. This paper studies the Compression Mass Gauge (CMG) method to determine the mass of liquid contained in a tank in a low-gravity environment with high accuracy. CMG is a thermodynamic method used to determine the quantity of liquid by measuring the gas pressure change when the tank volume changes, and has been previously theoretically and experimentally studied by researchers. The primary objective of this investigation is to explore the effects of attitude disturbance and the spacecraft thermal environment on the accuracy of the method. A ground test system, consisting of several test apparatuses, was fabricated and described as part of this study. The test results and analyses indicate that the CMG performs well and has an accuracy of ±1%. Additionally, demonstrations were performed to show that measurement errors do not increase drastically or exceed ±1% when the test system is vibrated to simulate the tank being perturbed as a result of an attitude disturbance. Liquid sloshing resonance was found to have a significant effect on the gauging accuracy. Measurements in a real thermal environment in which heat transfers into and out of the propellant tank were also conducted. The results show that the gauging accuracy is acceptable for normal liquid propellant. Furthermore, theoretical research shows that heat leakage has a significant influence on cryogenic propellant mass gauging.     

Small satellite survey mission to the second Earth moon

This paper presents an innovative space mission devoted to the survey of the small Earth companion asteroid by means of nano platforms. Also known as the second Earth moon, Cruithne, is the target identified for the mission. Both the trajectory to reach the target and a preliminary spacecraft budget are here detailed. The idea is to exploit high efficient ion thrusters to reduce the propellant mass fraction in such a high total impulse mission (of the order of 1e6 Ns). This approach allows for a 100 kg class spacecraft with a very small Earth escape energy (5 km²/s²) to reach the destination in about 320 days. The 31% propellant mass fraction allows for a payload mass fraction of the order of 8% and this is sufficient to embark on such a small spacecraft a couple of nano-satellites deployed once at the target to carry out a complete survey of the asteroid. Two 2U Cubesats are here considered as representative payload, but also other scientific payloads or different platforms might be considered according with the specific mission needs. The small spacecraft used to transfer these to the target guarantees the manoeuvre capabilities during the interplanetary journey, the protection against radiations along the path and the telecommunication relay functions for the data transmission with Earth stations. The approach outlined in the paper offers reliable solutions to the main issues associated with a deep space nano-satellite mission thus allowing the exploitation of distant targets by means of these tiny spacecraft. The study presents an innovative general strategy for the NEO observation and Cruithne is chosen as test bench. This target, however, mainly for its relevant inclination, requires a relatively large propellant mass fraction that can be reduced if low inclination asteroids are of interest. This might increase the payload mass fraction (e.g. additional Cubesats and/or additional scientific payloads on the main bus) for the same 100 kg class mission.     

基于并联贮箱结构的卫星推进剂剩余量测量方法

星上推进系统推进剂剩余量测量是卫星在轨管理的重要工作,事关卫星剩余寿命估计和离轨时机的选择,对于提高卫星效率具有重大的意义．中国现有的推进剂剩余量计算方法只适用于传统的双贮箱结构,不适用于桁架式卫星平台的多贮箱并联结构,为此必须开发新的计算方法,同时提高计算精度．比较多种推进剂剩余量测量方法,重点论述两种可用于并联贮箱结构的测量方法．     

差动活塞式燃气自增压系统参数设计方法

针对基于单组元肼类物质为工质的液体姿轨控发动机差动活塞式燃气自增压系统,分析了系统的工作原理,提出了系统的参数设计方法,建立了系统的参数设计流程,给出了系统的起动压力计算模型和自锁状态计算方法,并进行了实例研究。结果表明:系统最低起动压力与压力放大贮箱气体腔初始体积、活塞摩擦力和推进剂贮箱初始气垫体积直接相关;系统自锁后,推进剂贮箱压力的设计状态受推进剂贮箱所允许的最大压力上偏差和流量调节器与推进剂贮箱间的压降所约束;推进剂贮箱的工作压力范围是可以根据需要通过燃气自增压系统的设计来保证的。     

贮箱内低温推进剂汽化过程的CFD数值仿真

为研究贮箱内低温推进剂相变对推进剂温度和贮箱压力的影响,对贮箱内的传热传质过程进行了仿真.仿真涉及的物理过程包括贮箱与外界环境的换热、推进剂的自然对流、推进剂与贮箱内壁面的换热以及低温推进剂的相变过程等.根据热力学平衡原理建立了低温推进剂相变模型,使用CFD(Computational Fluid Dynamic)方法对处于地面常压停放状态的液氢贮箱进行了450 s的仿真.研究表明随着贮箱壁面传热过程的稳定,推进剂的温度分布、流动状态以及相变情况会趋于稳定;通过仿真获得了推进剂单位时间的汽化量;影响相变的主要因素是贮箱壁面漏热以及推进剂自身的对流运动.     

无中和器射频离子推力器原理研究

在电推力器的广泛应用中,大部分都采用加速正离子的方式产生推力,且需要安装中和器发射电子对喷射出的正离子进行中和,否则会导致航天器自充电,对其通信及电子器件造成损害。因此,中和器的性能成为制约电推力器工作状态和寿命的重要因素。为了克服该缺点,介绍了一种基于同时加速正、负离子的无中和器射频离子推力器,阐述了其结构组成及推进原理,分析了离子-离子的产生、正负离子的加速过程,指出了关键技术包括电负性工质气体放电特性、磁场过滤电子束缚效能,以及可周期性交替加速正、负离子的栅极偏置电压加载方式。分析表明,该推力器在低轨航天器及深空探测器中具有潜在的应用前景。     

一种板式推进剂管理装置（PMD）性能的数值仿真

板式推进剂管理装置（PMD）是板式表面张力贮箱最重要的部件之一．为分析板式PMD管理推进剂能力,以某板式贮箱为研究对象,采用三维非定常流体（VOF）体积函数的两相流模型,对不同填充比时板式PMD的推进剂管理性能进行数值仿真,得到微重力下推进剂在PMD上及贮箱内部的分布情况,仿真结果与国外空间搭载试验结果比较吻合,数值仿真结果为板式贮箱的性能提供验证依据     

电弧加热发动机羽流电子温度的探针诊断

电弧加热发动机(Arcjet)由于其比冲远高于传统的使用化学推进剂的发动机,近年来引起了愈来愈多的关注。文章建立了一套在真空环境下利用静电探针诊断技术测量Arcjet羽流电子温度的实验装置, 并且对以氩气为工质的 Arcjet 的羽流进行了测量, 得到了羽流电子温度的轴向和径向分布情况, 以及电子温度随电弧电流和工质流量变化的趋势。实验结果表明Arcjet羽流轴线处的电子温度远大于重粒子温度。     

微重力板式贮箱推进剂重定位的数值仿真

板式表面张力贮箱内推进剂重定位对确定推进剂分布情况、研究晃动影响、提高控制精度等具有重要意义．为研究板式贮箱内推进剂重定位的规律,对微重力下板式贮箱内液体重定位问题进行数值仿真．计算时使用三维非定常两相流动流体（VOF）模型,对某一板式贮箱寿命末期在不同微重力加速度情况下各种重定位过程进行数值仿真,得到各种工况下重定位的全过程,以及定位后推进剂的分布情况．数值仿真结果为板式贮箱的设计提供有利依据．     

Predictive fault-tolerant control of an all-thruster satellite in 6-DOF motion via neural network model updating

The problem of controlling an all-thruster spacecraft in the coupled translational-rotational motion in presence of actuators fault and/or failure is investigated in this paper. The nonlinear model predictive control approach is used because of its ability to predict the future behavior of the system. The fault/failure of the thrusters changes the mapping between the commanded forces to the thrusters and actual force/torque generated by the thruster system. Thus, the basic six degree-of-freedom kinetic equations are separated from this mapping and a set of neural networks are trained off-line to learn the kinetic equations. Then, two neural networks are attached to these trained networks in order to learn the thruster commands to force/torque mappings on-line. Different off-nominal conditions are modeled so that neural networks can detect any failure and fault, including scale factor and misalignment of thrusters. A simple model of the spacecraft relative motion is used in MPC to decrease the computational burden. However, a precise model by the means of orbit propagation including different types of perturbation is utilized to evaluate the usefulness of the proposed approach in actual conditions. The numerical simulation shows that this method can successfully control the all-thruster spacecraft with ON-OFF thrusters in different combinations of thruster fault and/or failure.     

基于Scrubbing的空间SRAM型FPGA抗单粒子翻转系统设计

基于SRAM工艺的FPGA在空间环境下容易受到单粒子翻转(Single Event Upsets, SEU)的影响而导致信息丢失或功能中断. 在详细讨论三模冗余(Triple Modular Redundancy, TMR)和刷新(Scrubbing)的重要原理及实现细节的基 础上, 实现了一种高可靠性、TMR+Scrubbing+Reload的容错系统设计, 用反熔丝型FPGA对SRAM型FPGA的配置数据进行毫秒级周期刷新, 同时对两个FPGA均做TMR处理. 该容错设计已实际应用于航天器电子系统, 可为高可靠性电子系统设计提供参考.      

空间站先进的推进系统

本文讨论空间站控制各种类型的推进系统。研究结论是推进剂消耗量是一个重要成本因素。电推进系统具有比化学推进器最少高一个数量级的比冲,所以采用电推进系统可以大量减少推进剂质量。电推进系统适用于比较大的总冲量的任务,诸如阻力补偿和轨道转移。     

静止轨道卫星东西位置保持控制参数的优化方法

为提高静止轨道卫星东西位置保持的轨道控制精度,提出一种优化轨道控制参数和推进剂消耗量估算的方法.这种方法考虑卫星轨道机动期间其姿态控制喷气对卫星轨道的摄动力,据此对位置保持参数中的轨控推力器点火时间进行补偿,并根据所有推力器的喷气时间估算推进剂消耗量,以修正轨控策略,实现更加精准的轨道控制效果.以在轨运行的静止轨道卫星的多次向西位置保持的变轨参数优化过程为实例,验证本方法的有效性和正确性,可应用于后续静止轨道卫星东西位置的实际操作中.     

大容量推进剂贮箱液体晃动性能试验

对某种内带推进剂管理装置（PMD）的大容量推进剂贮箱内液体晃动性能进行试验.开展不同充液比工况下空壳贮箱液体晃动试验,分析比较晃动试验结果与采用等效动力学模型的液体晃动理论计算结果,两者结果一致吻合,试验系统可靠性和理论模型的正确性得到良好验证.然后开展了不同充液比工况下内带PMD贮箱液体晃动试验,试验结果表明贮箱内液体晃动性能受内部PMD结构影响明显.该试验研究结果为运载火箭和卫星的姿态和轨道控制系统的设计优化提供重要参考和数据支撑.     

烧蚀型脉冲等离子体推力器能量分配机理

脉冲等离子体推力器（以下简称PPT）效率低下的缺点一直为使用者所诟病,但过去对其能量分配机理的研究十分匮乏,难以为高效率PPT的设计提供参考。针对这一现状,本研究以平板式烧蚀型PPT为对象,对推力器在4种不同放电能量（能量比1：2：3：4）下工作的电压、电流和脉冲烧蚀质量进行测量,并根据测量结果估算PPT的元冲量、比冲、效率等推进性能。此外,本研究还建立了能估算PPT推进剂利用率的数值模型,并用该模型分析实验研究结果。研究结果表明,能量利用率和推进剂利用率低下同时导致PPT推力器效率低下,随着放电能量的增加,PPT的能量利用率和推力器效率上升,分别从5.07%和2.88%逐渐提高至16.46%和5.23%,但推进剂利用率反而降低,由56.8%逐渐降低至31.8%。