新型绿色单组元液体推进剂发展现状与趋势

随着对生态环境、安全的日益关注以及航天推进技术的不断发展,对推进剂提出了绿色无毒的性能要求,新型绿色单组元液体推进系统成为航天推进的重要研究方向之一。硝酸羟铵基单组元液体推进剂(HAN基单组元推进剂)和二硝酰胺铵基单组元液体推进剂(ADN基单组元推进剂)具有绿色无污染、密度大、比冲性能可调节、饱和蒸汽压低和使用维护成本低等特点,可以应用于卫星、飞船、运载火箭等飞行器的姿轨控动力系统,二者均已完成多次飞行演示验证并获得应用,受到了各国航天领域的广泛关注。

充液航天器姿轨耦合预设性终端滑模控制

主要研究充液航天器在存在参数不确定和外部扰动的情况下,姿轨耦合一体化运动与控制问题。将液体晃动等效为一阶弹簧质量模型,基于对偶四元数建立了充液航天器姿轨耦合动力学模型,按照动量与动量矩守恒定律推导充液航天器姿轨耦合动力学方程与运动学方程;考虑外界干扰和模型耦合特性,提出了一种基于指数形式的预设性能终端滑模控制策略,采用干扰观测器对综合扰动进行估计;并利用Lyapunov理论证明闭环系统的稳定性;最后,数值仿真结果表明,在设计的控制器作用下,充液航天器可以实现精确的姿轨控制,验证了控制器的有效性。

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。

液氧/甲烷轨姿控推进系统集成演示试验

为验证液氧/甲烷轨姿控一体化推进系统涉及的主要关键技术和安全操作流程,上海空间推进研究所研制了国内首款氦气恒压挤压式液氧甲烷推进系统演示样机。历时3年,演示样机于2021年底顺利完成多轮次地面热试车考核,系统运行平稳,轨/姿控发动机工作协调、产品状态良好。介绍了演示样机的设计方案、研制历程和集成演示试验结果,以及轨/姿控发动机的设计与试验情况。液氧甲烷推进系统累计完成48次/约6000 s系统冷/热态试验考核,配套的5 kN轨控发动机累计完成点火工作40次/1860 s,配套的150 N/25 N姿控发动机累计完成稳态工作1690 s/脉冲点火约1250次。演示样机热试车的成功,标志着我国液氧甲烷空间推进系统实现了从“0”到“1”的突破,为后续型号工程应用奠定了基础,也为我国液体空间动力的升级换代和可持续发展提供了有力支撑。

微波等离子推进器(MPT)的应用探索研究

重点分析讨论了微波等离子推进器（ＭＰＴ）的基本原理、结构特征和应用前景，并通过对已有理论与实验研究结果的分析，认为ＭＰＴ是一种高比冲、长寿命的小推力动力装置，特别适合用作空间动力，进行航天器的轨道转移、姿态控制、位置保持、对接交会和星际航行。尽管ＭＰＴ目前仍处于理论探索与实验研究阶段，但研究结果表明，它是前景十分诱人的新型空间动力系统。

轨姿控动力系统集成设计平台关键技术研究

为支持轨姿控动力系统数字化设计,提出了轨姿控动力系统集成设计环境架构体系。详细探讨了集成设计平台构建的资源层、服务层、集成层、样机层、应用层等基本5层框架结构以及各自功能;讨论了平台构建中的4个关键的技术问题——设计过程协调管理、设计活动数据流及数据管理、知识库构建和知识推送应用;研究并提出了相应的解决途径。提出了包括3个维度的设计过程协调管理体系、三V型数据流组织模式、3个层次的知识库管理机制;同时针对知识推送提出了自动分析推送和流程推送2种方法;系统分析讨论了集成设计平台功能场景及技术可行性,为后续平台实施建设工作的开展做了先行性探讨。

全电推商业卫星平台研究综述

近年来,电推进技术在空间推进中的应用越来越普遍,电推进系统主要应用于低地球轨道、同步地球轨道和星际任务三个方面。在轨道转移过程中,与传统双组元化学推进系统需消耗数吨推进剂相比,全电推进完成从地球转移轨道到同步地球轨道的变轨过程仅需数百千克推进剂,从而能够有效降低发射质量,显著提高商业效益。基于全电推进的商业卫星平台能够较大限度地提升卫星荷载比、充分发挥卫星平台承载能力,并提升卫星平台综合性能。从调研电推进系统研制和应用现状入手,介绍了国外全电推商业卫星平台开发情况,借鉴国外发展模式并结合我国电推力器研制基础和能力,提出了国内全电推商业卫星平台总体方案。

内编队重力场测量卫星微推力器姿轨一体化控制

内编队重力场测量卫星通过精密定轨和相对状态测量实现高精度高分辨率地球重力场测量。这两项技术都依赖于精密编队控制和姿态控制。稳态工作期间,要求相对位移必须控制在厘米量级内,外卫星对地定向精度优于0.1°。姿轨一体化控制的目标是利用微推力器保障稳态工作期间的科学测量。基于带推力器布局的耦合线性模型进行了内编队重力场测量卫星全推力设计。基于模型预测控制算法实现了卫星的姿轨一体化控制,仿真结果证实全推力器一体化控制方案的可行性与有效性。

微波等离子推进器的原理与应用研究

简要介绍空间动力装置的分类及其特点，重点分析和讨论新型空间动力装置———微波等离子推进器（ＭＰＴ）的基本原理、结构特征和应用前景。分析现有理论与实验研究结果后认为，ＭＰＴ是一种高比冲、长寿命的小推力动力装置，特别适合用作空间动力，进行航天器的轨道转移、姿态控制、位置保持、对接交会和星际航行。尽管目前ＭＰＴ仍处于理论探索与实验研究阶段，但研究结果表明，它是前景十分诱人的新型空间动力系统。

轨姿控推进系统用电磁阀性能仿真研究

轨姿控推进系统采用电磁阀控制内部流体通路的开启与断流,从而实现其重复启动和脉冲工作。在轨姿控推进系统快速稳定工作问题的研究中,电磁阀的性能对推进系统至关重要。针对轨姿控推进系统用电磁阀,基于电磁学及运动学等基本原理,建立了电磁阀动态数学模型,利用Matlab Simulink软件进行了动态仿真,得到了电磁阀动态响应特性;采用CFD软件对阀门内部流场进行数值模拟仿真,获得了精确的静态流阻特性,直观展现了电磁阀动态流场,为电磁阀的性能优化和轨姿控推进系统的性能提高提供依据。

轨姿控液体火箭发动机水击仿真模拟

以轨姿控液体火箭发动机为研究对象,根据模块化思想,利用AMESim建立了仿真平台,仿真计算了发动机系统工作中管路的水击压力。结果表明:轨控发动机的工作是引起大水击的主要因素。通过与理论计算和试验数据的对比表明,仿真模型较好地描述了管路水击的生成过程。介绍了减小系统水击量的措施。

国外全电推进卫星平台的发展及启示

介绍了国外典型全电推进卫星平台的主要技术参数和最新研制进展,分析了这些卫星平台及其有关卫星的技术特点和发射情况/计划,以及全电推进卫星平台的应用优势与市场机遇,提出了对我国全电推卫星平台发展的启示和建议。

NASA液氧甲烷集成推进系统热真空试验

为降低液氧/甲烷空间推进系统未来应用的技术风险,NASA先后实施了多个研究计划,持续不断地提升液氧/甲烷空间推进技术的成熟度水平。低温推进系统集成试验平台(ICPTA)顺利在梅溪试验站空间推进热真空舱内完成一系列热真空模拟环境下的集成热试车,标志着NASA液氧/甲烷轨姿控一体化推进技术已经具备了在轨飞行验证试验的条件。介绍了ICPTA的研制背景,采用的液氧/甲烷轨姿控一体化推进系统的构成、冷氦加温增压方案和供应管路热控方案。重点讨论了ICPTA热真空模拟试验的具体情况,以及变推力主发动机、姿控动力系统和COP点火系统等核心组件的设计方案、涉及的主要技术问题与试验结果,其成果对于未来星球着陆器的先进低温推进系统的研制具有重要参考价值。

中国液体火箭发动机发展之我见

本文试图根据运载火箭和航天器的需要来分析液体火箭推进技术的发展趋势。简要介绍长征运载火箭液体推进系统的现状和技术进展。对各种型式的液体火箭发动机的发展途径进行讨论。

姿轨控动力系统复合材料主承力结构的设计与试验

针对某液体姿轨控动力系统主承力结构选用铝、镁合金等金属材料难以达到减重设计的目的,选用碳纤维双马来酰亚胺树脂复合材料加工制造该主承力结构,从而实现在满足结构强度和适应温度环境要求的前提下,达到非常好的减少质量效果,进而实现航天器轻质化设计、提高航天器运载能力、增大有效载荷的目的。根据主承力结构使用环境及功能要求,在完成复合材料的选用及结构设计后,对主承力结构进行了有限元仿真分析及静力试验,通过仿真计算、静力试验的迭代及优化改进,使得产品性能满足了技术要求。研究方法可为复合材料应用于类似主承力结构提供借鉴参考,并对该复合材料主承力结构在型号应用中遇到的技术难点进行总结,对复合材料的发展趋势进行展望。

基于PXI的液体姿轨控火箭发动机试验测控系统设计与实现

针对液体姿轨控火箭发动机地面试验高精度、高风险和灵活多变的特点,设计研发了一套以PXI(PCI extensions for instrumentation)控制器为主体的发动机试验测控系统.控制系统拥有40路开关量控制能力,综合运用手动、时序和自动控制方式.测量系统拥有120路信号同步采集能力,具备故障诊断功能.测控系统软件使用LabVIEW开发,通用性良好.为增强控制可靠性,设计了面向工艺流程的试验面板,应用嵌入式控制,进行信号多级监测并引入紧急自动关机控制.为提高测量精度,对测量参数进行原位标定,提出了一种改进的干扰消除电路.该系统已多次成功应用于液体姿轨控火箭发动机地面试验,采用的设计方法有效地提高了测控系统的可靠性,测量精度和控制精度分别达到0.5%和0.1ms,能够充分满足多种类型的液体姿轨控火箭发动机对试验测控系统的要求.

高室压发动机系统适用性研究

应用Gibbs自由能法和喷管冻结流动模型,对双组元液体发动机推力室进行了热力气动计算;以系统总质量为目标函数,建立了姿轨控推进系统仿真模型,分析了推力室压强对系统性能参数的影响。结果表明:在空间尺寸受限条件下,提高推力室压强,可有效缩小推力室尺寸,增加喷管面积比,提高发动机比冲和系统总体性能。但当推力室压强较高时,这种效果减缓,同时推进系统总质量增幅较大,设计时应综合权衡。