基于能量交换的在轨加注旋涡泵水力特性研究

传统的在轨加注容积泵因体积大、可靠性差等难以满足在轨加注对轻量化、强可靠性加注泵的迫切需求。为此,提出具有小流量、高扬程特点的旋涡泵结构,探究其处于在轨加注环境下性能的变化规律,并结合内部流场进一步揭示其能量交换机制。结果表明,纵向旋涡引导旋涡泵内流体的循环流动来完成能量交换过程,且在不同因素作用下使旋涡泵性能呈现不同的变化趋势。随着转速的增大、输送介质密度的减小、动力黏度的增大以及含气量的减小,旋涡泵的压力增长速度加快,泵壳流道和叶轮流域间交换流动更加剧烈,纵向旋涡的强度增大,泵的做功能力增强,旋涡泵的扬程增大。但同时由于耗散损失的存在,水力效率的变化趋势则与之相反。

低温推进剂在轨加注关键技术研究进展与展望

低温推进剂在轨加注技术的应用可实现天地往返与空间转移解耦的新型航天运输模式,显著提升高轨运载能力,在未来空间大规模运输、深空探测任务中有着巨大应用潜力。针对低温推进剂在轨加注关键技术进行了研究,回顾了国外在实验室小规模与真实环境大规模下开展的试验研究,分析了在轨加注的未来应用场景及其应用优势,在此基础上对中国低温推进剂在轨加注技术的研究提出后续发展建议。

低温推进剂在轨加注技术与方案研究综述

为了探究适用于低温推进剂在轨加注的相关技术与方案,通过文献调研与对比分析,介绍国内外在轨加注技术的研究现状,梳理低温推进剂在轨加注的关键技术,研究现有加注技术与方案对低温推进剂的适用性,并提出我国开展相关研究的思路与方向。研究表明:1)气液分离、蒸发量控制、质量测量和流体驱动循环等技术是直接影响推进剂在轨加注系统结构与加注性能的关键技术;2)低温推进剂具有沸点低、表面张力小等特殊性,对气液分离、系统热防护等技术的性能要求更高;3)表面张力式气液分离、纤维镜或射频质量检测、多层隔热材料、热力学排气系统(TVS)以及无排气加注等先进技术方案对低温流体和微重力环境均具有更好的适用性,将成为实现低温推进剂在轨加注的关键突破口。

地球同步轨道卫星群在轨加注任务规划

以地球同步轨道卫星群为研究对象,开展"多对多"在轨加注任务规划问题研究。首先建立了任务规划的数学模型,该任务规划属于多目标规划问题,求解过程中需要解决TSP问题。其次,给出了该规划问题的求解方法及流程,采用遗传算法进行求解并设计了相应的遗传算子。最后,选取了14颗地球同步轨道卫星作为目标星进行求解,并在小角度近似条件下对计算结果进行了分析,计算结果验证了算法的有效性。

在轨加注站概念研究

结合国内外研究情况,分析在轨加注站研究的必要性和任务前景;给出了基于在轨加注站的地球空间任务、月球探测任务、小行星探测任务和火星探测任务等任务模式和相关运输系统组成;最后给出在轨加注站初步构型设想。研究内容为后续深入开展在轨加注站技术研究打下基础。

推进剂在轨加注流体传输过程的数值模拟和地面试验研究

针对排气式在轨加注方法,对航天器在轨加注过程的流体传输行为进行数值模拟和地面试验研究.采用VOF两相流动模型数值模拟板式表面张力贮箱加注过程的流动特性,得到加注过程的流动规律.地面演示试验使用地面模拟加注系统,对排气式加注的全过程进行地面演示验证.数值模拟和地面演示试验结果表明,排气式在轨加注方法是可行的.

基于在轨加注站的空间运输系统规模分析

针对基于在轨加注站模式的空间运输系统,分析了其执行地球空间任务、载人月球探测任务、载人小行星探测任务和载人火星探测任务时采用的不同空间运输系统组合,对比了反推减速和气动减速两种方式,得到了具体的加注站及其空间运输系统的规模和数量需求。结果表明基于在轨加注站的整个空间运输系统规模和在轨加注规模有限,数量可控,可实现性强,利用两个加注站和有限数量的空间转移运载器就能满足多种空间探测任务的需求。

圆轨道航天器在轨加注任务空间燃料站部署问题

在轨服务技术因在航天器故障修复、寿命延长及军事方面有重大辅助作用而越来越受到各航天大国的重视,作为在轨服务技术重要组成部分的在轨燃料补给技术也越来越受到关注。文章针对圆轨道航天器在轨燃料加注任务,将空间燃料站技术与多目标在轨加注技术相结合,对基于燃料站的在轨加注模式进行了研究,提出了一种基于聚类分析的在轨加注任务调度及优化算法。通过对双脉冲轨道转移问题的求解与分析,获得了轨道转移速度增量和轨道参数之间的关系,在此基础上分析了圆轨道航天器在轨加注任务调度问题,并根据调度模型的变量和约束关系,建立了圆轨道航天器在轨加注任务多目标规划模型,并采用免疫遗传算法对加注任务调度空间燃料站选址问题进行了研究。以30颗目标航天器的在轨加注任务为例进行了数值仿真,并由燃料消耗的计算结果验证了算法的有效性。

常规推进剂在轨加注技术研究现状与趋势

实现推进剂的在轨加注服务能够显著提升大规模空间探测能力、减小运载器规模、降低任务成本。归纳常规推进剂在轨加注方案并进行分类和比较,对国外典型的常规推进剂在轨加注研究计划进行分析,总结其发展趋势,为后续深入开展相关研究工作提供参考。

在轨加注航天器的姿态动力学模型

针对推进剂在轨加注的过程会使航天器转动惯量产生显著变化而影响航天器的稳定姿态,对航天器在轨加注整个物理过程进行详细分析,并对在轨加注航天器转动惯量的变化规律进行研究.在一定前提条件下,给出了一种转动惯量参数的有效计算方法,进而给出时变参数航天器姿态动力学模型.通过测量推进剂流速,该方法可实现在线计算.仿真结果表明方法的正确性以及航天器结构参数对转动惯量变化的影响.

在轨加注用超声波流量计的设计与试验

针对航天器在轨加注对推进剂流量的精确测量要求,研制了在轨加注用超声波流量计。在对传播时间法研究的基础上,提出流量计管路布局的设计要求,采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)的方法模拟4种不同管路布局(直角型、45°锐角型、直线型和圆弧型)对流体速度分布的影响,对比得到了优化的管路布局。信号处理电路使用斩波稳定比较器,通过阈值比较法,保证了传播时间的测量精度。流量计经标定后,在量程(0～150g/s)范围内可达到0.1%的测量精度。为了验证在轨加注过程中流量计的作用,在地面环境下进行了在轨加注地面模拟试验,试验表明超声波流量计在推进剂在轨加注中使用是可行的和必要的。

在轨加注过程中组合体航天器动力学建模与分析

针对在轨加注过程中质量分布随时间变化的组合体航天器,研究动力学建模问题并对其动态特性进行分析。将航天器系统分为刚性组合体平台和贮箱内燃料两部分,贮箱内的燃料视为质量、外形和位置连续变化的质量块,将航天器系统抽象为一组有固定边界的变质量质点系;在推导出变质量质点系一般力学方程的基础上,通过对航天器结构进行一定限制消除方程中的反冲力和失调力矩,以组合体平台主轴作为参考坐标系,建立在轨加注过程中组合体动力学模型;该模型除了参数时变的特点外,与普通刚体动力学相比还含有阻尼项;基于李雅普诺夫稳定判据,对该时变动力学系统的动态特性进行分析。仿真计算展现了不同结构参数对姿态运动轨迹的影响,也证明了理论分析的正确性。

面向航天器在轨加注的地面模拟技术

文章结合近年来航天器在轨加注的相关研究,着重对其地面模拟试验技术进行了探讨。首先对国外相关地面模拟技术进行了综述,其次对一种新型地面模拟系统进行了详细介绍。该系统由气浮平台、航天器模拟器、光学测量系统、地面控制系统、自主对接和流体加注机构等组成,不仅能演示航天器在轨加注任务的全过程,而且能完整演示自主对接与分离、流体传输与控制、导引测量与推进等在轨加注关键技术。

一种基于燃料站的可往返式在轨加注任务调度模型及优化算法

基于空间燃料站的在轨加注任务作为未来轨道运输系统的新模式,为未来航天器在轨服务任务提供了有效的选择。本文针对多GEO目标航天器在轨加注任务,将空间燃料站技术与传统"一对多"在轨加注技术相结合,提出一种基于燃料站的可往返式在轨加注任务调度模型。模型中,考虑了服务航天器可重复利用与自身携带的燃料限制,结合轨道机动与交会问题,通过对双脉冲轨道转移的分析与求解,获得轨道转移速度增量和转移时间等目标优化参数。在此基础上,针对多目标优化问题,根据调度模型的速度增量、时间等待优化变量的对应与约束关系,面向多GEO目标航天器,设计了一种基于燃料站的可往返式在轨加注任务多目标优化算法。该算法利用设置断点的方式改进了遗传算法对加注任务调度及其多目标优化问题的求解方法,获得了服务航天器在需往返燃料站时,优化的燃料消耗、服务顺序及该顺序下的时间分配策略。以10颗GEO圆轨道目标航天器的在轨加注任务为例,进行了数值仿真计算。结果表明算法能够解决加入空间燃料站对传统在轨加注任务调度的影响。

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。

一种板式贮箱在轨加注过程流体分布的数值模拟

在轨加注的主要任务是实现推进剂的在轨管理与传输,其中推进剂的在轨管理是通过板式贮箱实现的.空间环境下板式贮箱内液体定位和重复补加技术是在轨加注的关键技术,决定了在轨加注任务的成败.为了确保板式贮箱对流体的在轨管理性能,需要开展大量的仿真与试验研究.以在轨加注技术中叶片式板式贮箱进行研究,采用VOF(volume of fluid)两相流动模型对微重力条件下板式贮箱内流体行为以及加注过程中推进剂的流动特性进行数值仿真,获得流体分布规律,验证板式贮箱良好的管理特性,为板式贮箱设计与在轨加注技术研究提供参考.

一种以燃耗为优化目标的航天器在轨加注作业调度

针对基于空间燃料站的多目标航天器在轨加注任务,以GEO航天器为加注对象,对"多对多"模式的航天器在轨加注作业调度问题进行研究。首先以轨道转移燃耗为优化目标,考虑时间、燃料等约束条件,建立了在轨加注作业调度问题的数学模型。模型中,通过设计优化变量,结合多圈Lambert问题中速度增量与转移时间的关系,将航天器在轨加注作业调度问题转换成整数规划问题,在此基础上,采用遗传算法对其求解。然后以14颗GEO轨道航天器作为目标航天器进行数值仿真计算,并对仿真结果进行分析,验证解的正确性以及算法的可行性,结果表明算法能够有效地解决基于空间燃料站的在轨加注调度问题。

面向在轨加注的组合体姿态SAC智能控制

提出了面向在轨加注任务的组合体姿态柔性动作-评价(SAC)智能控制方法,以保证组合体姿态稳定。首先,建立了储箱内液体燃料晃动-转移耦合运动的等效模型,并构建了在轨加注组合体时变惯量姿态动力学环境,用于对智能控制器的训练。然后,针对随机控制信号会给姿态执行机构带来较大负担的问题,对SAC算法进行了改进。训练过程中采用随机性动作增强寻优效率,实际应用时则输出确定性动作增强控制稳定性。在此基础上,设计了SAC姿态智能控制器,通过自适应输出控制力矩实现在轨加注组合体的姿态稳定收敛。同时设计了SAC加注压强智能控制器,通过自主调节加注压强减小随机扰动对姿态的影响。仿真结果表明,在应对由时变惯量引起的随机扰动时,相较于双延迟深度确定性策略梯度(TD3)算法,提出的SAC姿态智能控制器具有更强的鲁棒性。采用SAC加注压强智能控制器能够在保证加注效率的前提下有效减小加注带来的随机扰动。

对GEO卫星在轨加注的服务航天器组网方案优化

对地球静止轨道（Geosynchronous Orbit,GEO）卫星在轨加注燃料以延长其工作寿命蕴含着巨大的经济价值,而执行加注任务的服务航天器在轨组网方案直接影响在轨加注任务全局。文章以GEO卫星为在轨服务对象,开展了提供加注服务的航天器最优组网方案研究。提出了1个燃料存储站加N个加注飞行器的服务航天器体系架构,燃料存储站承载大量燃料,长期在轨稳定运行;加注飞行器机动运行,执行对GEO卫星加注任务,当加注飞行器燃料不足时,返回燃料存储站获取燃料。燃料存储站的质量、运行轨道,加注飞行器的数目、质量与运行轨道、对GEO卫星提供加注的加注飞行器任务分配等是组网方案研究的重点,建立了以对GEO卫星加注任务的响应时间短、服务系统成本低为互斥评价准则的服务航天器组网方案的多目标优化设计数学模型,分析了组网方案优化问题的求解方法及流程,采用多目标粒子群算法对服务航天器组网方案进行了优化设计,通过分析一组非支配优化设计结果对于2个互斥评价准则的平衡性,提出了1个燃料存储站加4~6个加注飞行器的服务航天器最优组网方案。

“多对多”模式下GEO卫星在轨加注任务规划

随着在轨服务技术的发展和对航天器发射运营成本的控制,航天器在轨服务模式将由“一对一”服务逐步发展为“一对多”“多对多”的服务模式。在具有多个服务目标的模式下,针对服务航天器的任务分配与规划将变得尤为关键。因此,本文研究了多服务航天器为多个地球同步轨道(GEO)卫星进行在轨加注的任务规划问题。首先,考虑服务航天器容量约束、服务路径约束等多类约束条件,以最小化燃料消耗为优化指标,以每个服务航天器的服务顺序为决策变量,建立“多对多”在轨加注任务规划模型。其次,针对遗传算法局部搜索能力差、易陷入局部最优的缺陷,设计了一种将大邻域搜索算法和遗传算法相结合的混合启发式算法(LNS-GA),用以求解该任务规划问题。该算法利用大邻域搜索算法中的“破坏”和“修复”思想,对遗传算法每一代种群中的精英个体进行进一步的迭代搜索,从而增强算法的局部搜索能力。最后,通过设定的仿真场景与单一遗传算法进行仿真对比,验证了本文所提出算法的有效性和优越性。