卫星在轨加注技术

第1章 绪论 随着空间技术的快速发展和空间资源运行模式的不断变革，以航天器在轨服务为标志的空间资源可重复利用技术正逐步成为世界各航天大国竞相发展的一个重要方向。在轨服务是指在空间轨道上通过人、机器人或两者协同完成涉及延长各种航天器寿命、提升执行任务能力的一类空间操作[1]。在轨服务技术的核心使命在于延长航天器寿命、增强航天器机动能力、提升航天器效能等。航天器在轨加注技术正是通过燃料补给的方式延长航天器在轨工作寿命和增强轨道机动能力，它是航天器在轨服务技术的重要组成部分。 航天器在轨加注的概念*早被提出是在20世纪60年代，其早期的研究主要集中在通过货运飞船、航天飞机等服务航天器对在轨运行航天器进行推进剂等耗费品的在轨补给。这一概念诞生仅十余年后，苏联就使用“进步号”货运飞船向空间站成功执行了液态推进剂(N2O4和偏二甲肼)的补给任务[2]，当时采用的推进剂供给贮箱为隔膜式贮箱，通过高压气体挤压隔膜为推进剂传输提供动力。至今，大型航天器在轨燃料补给仍然普遍采用这种加注模式。而美国则发展了利用航天飞机对空间站进行在轨燃料补给的方式。 本书所研究的卫星在轨加注技术属于航天器在轨加注技术的一种，针对的服务对象主要是中小型卫星。这类卫星的在轨加注不同于大型航天器，其质量、体积等受到更严格限制，运行、应用的模式也不同，因此，在贮箱类型、对接及加注管路、近距离接近策略、剩余量及流量测量等方面，其加注系统均与大型航天器存在明显差异，主要表现在如下两方面。一方面，大型航天器采用金属隔膜贮箱，这类贮箱质量大，如50L的金属隔膜贮箱，质量往往超过60kg[3]，不满足卫星加注系统轻质化设计要求；同时，金属隔膜贮箱内部存在运动部件，在反复运动过程中存在损坏风险，工作寿命受限，不满足卫星加注系统多次可重复使用需求[4]，因此，目前卫星加注系统方案中普遍采用无运动部件的表面张力贮箱。另一方面，在对接方式上，大型航天器要求极高的可靠性，往往还需要满足人员穿行的需求，对接机构在结构上包括复杂的缓冲系统和人员通道[5]，这种对接机构无法直接缩比应用于卫星加注系统；大型航天器所用加注管路往往独立于对接机构，进一步加大了结构质量，这样的分离设计对于空间站等大型航天器是可行而且更加可靠的，但对于卫星加注系统，将极大降低补给的经济性和实用性，因此，卫星加注系统一般采用对接/加注一体化设计模式，从而降低结构质量，实现轻量化设计。 卫星在轨加注技术是卫星在轨服务体系的重要组成部分，对于高价值卫星以及组网卫星意义尤为明显。鉴于卫星在轨加注技术的重要意义，世界各主要航天大国均开展了系列研究工作，其中*为典型的是美国。美国认为在轨加注技术是未来卫星在轨服务体系的核心与关键，从20世纪60年代就开始了相关研究工作。美国多年的研究工作大致可以分为“理论研究—原理验证—集成试验—技术实用”四个阶段。在近20年的基础理论研究后，美国自1984年起，历时12年，先后在航天飞机上进行了5次原理验证实验，对在轨加注的贮箱等关键部件以及传输、测量等关键技术进行了验证[6-10]。在此基础上，2007年，美国完成了“轨道快车(Orbital Express)”集成试验，针对预留有加注接口的目标卫星(后文简称目标星)成功实施了在轨加注，这是国际上首次卫星在轨加注试验[11]；2013年，进一步完成了“机器人在轨燃料加注(Robotic Refueling Mission，RRM)”空间站舱外集成测试，验证了采用机器人空间操作对传统卫星加注接口实施在轨燃料加注的可行性[12]；2015年，进入RRM计划第二阶段，进一步验证了冷冻剂补充、工具测试、空间设备即插即用等试验操作；2018年，进入RRM计划第三阶段，首次在轨验证了低温液体零蒸发长期存储技术，在轨存储时间长达4个月。2016年，美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)启动了面向卫星在轨加注的“复原-L(Restore-L)”计划[13]，其中目标星为隶属于美国政府仍在轨服役的陆地卫星Landsat-7，该计划将于2023年发射一颗服务卫星(后文简称服务星)进入极地近地轨道，对该目标星进行燃料加注。该计划的顺利实施，将成为美国卫星在轨加注技术走向实用化的里程碑事件。值得一提的是，2020年2月，美国诺斯罗普格鲁曼(Northrop Grumman)公司的任务延寿飞行器(mission extension vehicle，简称MEV-1)成功实现了对国际通信卫星(Intelsat-901)的在轨接管，利用MEV-1自身推进系统为Intelsat-901提供姿轨控能力，使其回归地球同步轨道继续执行在轨工作任务[14]。MEV-1对Intelsat-901的成功在轨接管，是卫星在轨延寿的另一种发展思路，也值得我们高度重视。 近年来，随着我国航天技术的快速发展，特别是通信、导航、侦察等高价值在轨卫星数量的快速增加，对卫星在轨加注技术的需求也越来越迫切。同时，随着载人航天工程、探月、在轨服务、深空探测等重大工程的成功立项与实施，卫星在轨加注技术正迎来前所未有的发展契机。 1.1 卫星在轨加注概念内涵 古代，人类通过驿站补给来完成千里远行；近代，人类利用加油技术来延长汽车和飞机的行程；如今，随着航天技术的发展，卫星的高昂成本与其一次性使用特性之间的矛盾日益突出，人类开始探索如何给卫星进行在轨加注。卫星在轨加注是指在轨道上通过直接传输方式对卫星进行推进剂补给的技术，其作用可类比“太空加油机”，能大大提高卫星的机动能力、延长卫星的工作寿命、拓展卫星的达到范围。随着技术的发展，在轨补给的方式也不断拓展，出现了通过推进剂贮箱更换实现推进剂补给的方式、直接将整个推进系统模块进行更换的方式乃至用新卫星直接接管整个卫星推进任务的方式。本书主要研究以推进剂直接传输实现补给的卫星在轨加注技术。 卫星在轨加注往往以高价值卫星或组网卫星为目标，采用“一对多”或“多对一”的补给任务规划策略，提升经济效益[15，16]。发展卫星在轨加注技术的重要意义在于： 1)延长卫星在轨工作寿命 推进剂是实现轨道机动、轨道保持以及姿态控制的基础。通过推进剂的在轨加注延长卫星的在轨工作寿命，可以大大降低卫星全寿命周期费用，具有十分显著的经济效益。 2)增强卫星轨道机动能力 随着应用需求的发展，卫星对轨道机动能力提出了较高要求，如要求地球资源卫星、气象卫星、海洋卫星和防灾减灾卫星等具有较强的轨道机动能力，能够根据任务要求调整对重点地区的遥感观测，及时为用户提供充分、准确、可靠的信息等。如果能够进行在轨加注，那么可大大增强其执行任务的灵活性。 3)组建深空探测中途“加油站” 对于深空探测器，其飞行任务往往包括系列的大范围机动变轨，对推进能力要求较高，但是，其推进剂携带量受到发射条件的限制。有效解决该矛盾的途径之一就是，先将探测器发射到停泊轨道并接受在轨加注，然后出发进行星际飞行。 1.2 卫星在轨加注系统组成 卫星自主在轨加注任务涉及多个过程，包括加注需求确定、交会对接、加注前准备、加注过程监控和加注完成后分离等阶段，如图1.1所示。 图1.1中，对应于每个任务阶段，需要重点攻关的关键技术通过实线方框给出，而虚线方框中给出的关键技术则为依托当前已有技术基础。根据卫星自主在轨加注任务流程，卫星在轨加注系统设计的关键技术可归纳提炼为推进剂剩余量测量技术、近距离接近与对接锁紧技术、管路密封技术、微重力流体传输与管理技术、推进剂流量精确测量技术、气液两相流检测技术等。这些关键技术的研究成果均将物化为相应的单机产品及分系统，包括近距离相对导航与控制系统、一体化对接加注与分离释放系统、接口密封与泄漏检测系统、微重力流体传输与管理系统、贮箱内推进剂剩余量测量装置、贮箱气液分离装置、推进剂流量测量与两相流检测装置等。卫星在轨加注系统就是以上述单机产品及分系统为基本组成，通过流体管路及机、电、热等接口将这些基本单元连接为一个集成系统。卫星在轨加注系统的集成原理图如图1.2所示。 图1.1 卫星在轨加注任务流程与过程梳理 图1.2 卫星在轨加注系统集成原理图 卫星在轨加注系统被拆分为两大分系统：对接分系统与推进剂管理分系统。其中，对接分系统用于加注服务前的两星近距离接近与对接锁定，是在轨加注的基本前提，包括近距离相对导航与控制系统、一体化对接加注与分离释放系统、对接密封与泄漏检测系统等；推进剂管理分系统用于贮箱内推进剂传输与管理、加注过程监控等，是在轨加注的核心组成部分，包括微重力流体传输与管理系统、贮箱气液分离装置、贮箱内推进剂剩余量测量装置、推进剂流量测量与两相流检测装置等(图1.3)。以下将按照对接分系统与推进剂管理分系统两大部分，分别阐述卫星在轨加注系统的组成及所涉及的相关关键技术。 图1.3 卫星在轨加注系统组成 1.2.1 对接分系统 对接分系统的主要任务是实现服务星与目标星的近距离接近、对接与锁紧等，为进一步实施在轨燃料传输等操作提供前提保障。依据图1.3所示对接分系统组成，分别阐述各部分功能及所涉及的关键技术。 1. 近距离相对导航与控制系统 近距离接近技术是在轨加注的基础性技术。当两星相距较远时，星体可近似看作质点，其运动相对简单。当两星距离逐渐变小，其外形影响不能再忽略时，质点模型将不再适用。此时，需着重考虑近距离接近过程中卫星构型的影响，降低两星发生碰撞的风险。通过考虑卫星构型规划两星相对运动轨迹，才能有效确保安全接近，为后续对接及加注任务提供支撑[17，18]。图1.4给出了近距离相对导航与控制系统的基本组成要素。近距离接近过程需综合考虑两星相对位姿与卫星构型影响，建立碰撞风险评估模型，获取相对运动轨迹，并通过姿轨耦合控制与动态防撞控制实现两星近距离接近操作，为进一步对接锁定提供技术支撑。 图1.4 近距离相对导航与控制系统 2. 一体化对接加注与分离释放系统 对于卫星在轨加注，服务星与目标星的可靠对接是任务成功的前提，这里的对接包括两部分，即星体对接和管路对接。由于卫星受到严格的尺寸、重量、功耗等因素限制，直接沿用我国现有的飞船/空间站等对接机构存在以下问题：现有对接机构结构复杂、质量大，且采用刚性对接的方式对卫星的相对姿轨控精度要求较高，很难用于卫星对接任务；无法实现加注管路对接时的高效密封和泄漏监测；不具备液体传输功能，管路对接机构与星体对接机构相互独立。为解决上述问题，使卫星对接具有低冲击、高安全特点，研究考虑星体对接和管路对接要求的对接机构具有重要意义[19，20]。图1.5给出了一体化对接加注与分离释放系统的基本组成要素，包括星体对接机构、管路对接机构、星体/管路对接一体化设计、分离释放机构等。为了满足卫星自主对接锁定需求，系统整体必须满足小型化/轻量化设计要求，对接碰撞过程需实现低冲击、高可靠的锁定效果。 3. 接口密封与泄漏检测系统 两星星体顺利对接锁紧后，管路对接接口相互连接，继而服务星与目标星之间的推进剂传输管路相互连通。然而，在发送推进剂传输命令前，尚需确定管路