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衛(wèi)星在軌加注技術 版權信息
- ISBN：9787030670175
- 條形碼：9787030670175 ; 978-7-03-067017-5
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
衛(wèi)星在軌加注技術 內容簡介
《衛(wèi)星在軌加注技術(精)》聚焦衛(wèi)星在軌加注技術(精)，按任務流程將其總結為“安全接近—可靠對接—穩(wěn)定傳輸—準確測量”等過程，并以此為主線，分別提煉出近距離接近與避撞、空間軟對接、流體傳輸與管理、剩余量與流量高精度測量、任務規(guī)劃等工程問題和相應的剛柔耦合動力學、密封面分形理論、微重力流體特性、多物理場耦合等科學問題，系統(tǒng)闡述作者團隊持續(xù)十余年理論攻關與工程實踐的研究成果。
衛(wèi)星在軌加注技術 目錄
目錄
序
前言
第1章 緒論 1
1.1 衛(wèi)星在軌加注概念內涵 2
1.2 衛(wèi)星在軌加注系統(tǒng)組成 3
1.2.1 對接分系統(tǒng) 5
1.2.2 推進劑管理分系統(tǒng) 7
1.3 衛(wèi)星在軌加注的效益分析 11
1.4 本書內容安排 13
參考文獻 15
第2章 衛(wèi)星在軌加注技術研究現(xiàn)狀 18
2.1 衛(wèi)星在軌加注空間試驗總體情況 18
2.1.1 試驗情況概述 18
2.1.2 試驗情況分析 35
2.2 關鍵技術國內外研究現(xiàn)狀 36
2.2.1 近距離接近技術 36
2.2.2 空間對接技術 44
2.2.3 流體傳輸與管理技術 53
2.2.4 推進劑高精度測量技術 57
2.3 本章小結 64
參考文獻 65
第3章 空間目標近距離接近與避撞控制 70
3.1 近距離相對運動動力學 70
3.1.1 坐標系定義及轉換 70
3.1.2 基于對偶四元數(shù)的相對運動模型及分析 73
3.1.3 相對運動誤差模型及其線性化 79
3.1.4 相對運動模型線性化 82
3.2 近距離飛行碰撞風險評估 83
3.2.1 問題描述 84
3.2.2 常用碰撞風險評估方法 85
3.2.3 基于性能參數(shù)的碰撞風險評估方法 89
3.3 近距離操作動態(tài)智能防撞控制 94
3.3.1 問題描述 94
3.3.2 動態(tài)智能防撞控制算法 95
3.3.3 仿真分析 100
3.4 衛(wèi)星避撞機動姿軌耦合控制 104
3.4.1 問題描述 104
3.4.2 規(guī)避方案描述 106
3.4.3 控制器設計 107
3.4.4 仿真分析 112
3.5 本章小結 118
參考文獻 119
第4章 基于結構變形的軟對接動態(tài)接觸理論 121
4.1 變分不等式接觸基本原理 122
4.1.1 接觸約束條件 123
4.1.2 變分不等式接觸基本方程 124
4.1.3 數(shù)值求解方法 128
4.1.4 仿真算例 133
4.2 基于變分不等式接觸原理的軟對接動力學模型 140
4.2.1 軟對接動態(tài)接觸模型 140
4.2.2 結果與討論 148
4.3 本章小結 152
參考文獻 153
第5章 真空條件下接口密封與泄漏理論 156
5.1 密封端面形貌的分形表征 157
5.1.1 分形幾何簡介 158
5.1.2 表面形貌的分形表征 158
5.1.3 具有自仿射分形特征的密封表面數(shù)值模擬 164
5.2 考慮尺寸效應的端面密封接觸力學 167
5.2.1 接觸問題的多尺度力學模型 167
5.2.2 密封面塑性變形對接觸行為的影響 182
5.2.3 表面黏著力對密封接觸行為的影響 185
5.2.4 端面密封接觸理論模型仿真驗證 190
5.3 端面密封泄漏孔道的輸運性質 201
5.3.1 泄漏孔道中流體流動的多樣性 201
5.3.2 泄漏孔道中的連續(xù)壓力流 204
5.3.3 端面密封流體泄漏率逾滲模型 211
5.3.4 端面密封泄漏影響因素分析 214
5.4 本章小結 221
參考文獻 222
第6章 微重力條件下板式貯箱內推進劑流動特性分析 224
6.1 表面張力流動的基本理論 224
6.1.1 表面張力作用 224
6.1.2 內角流動理論概述 228
6.2 微重力下內角自流研究 231
6.2.1 不對稱內角模型 232
6.2.2 液面特征參數(shù)求解 233
6.2.3 不對稱內角流動過程計算 233
6.2.4 內角自流落塔試驗 242
6.3 微重力下內角過流穩(wěn)定性研究 246
6.3.1 內角過流的基本概念 246
6.3.2 內角過流控制方程與求解 248
6.3.3 內角過流試驗驗證 257
6.4 基于內角流動理論的板式貯箱設計 261
6.4.1 貯箱結構設計 261
6.4.2 導流板布局設計與優(yōu)化 261
6.4.3 導流板構型設計與優(yōu)化 266
6.4.4 貯箱設計實例 270
6.4.5 推進劑加注過程仿真 274
6.5 本章小結 275
參考文獻 276
第7章 微重力條件下多孔介質中的液體輸運特性 279
7.1 基于隨機幾何理論的多孔介質結構特征 279
7.1.1 多孔介質結構特征統(tǒng)計模型 279
7.1.2 多孔介質孔隙的分形分布特性 284
7.1.3 多孔介質結構特征建模 285
7.2 多孔介質過流特性與潤濕特性 292
7.2.1 多孔介質過流特性 292
7.2.2 多孔介質潤濕特性 296
7.3 微重力條件下多孔介質中的毛細流動 302
7.3.1 多孔介質中的毛細流動模型 302
7.3.2 模型求解及分析 304
7.3.3 微重力條件下大顆粒大孔隙率多孔介質中的毛細流動 309
7.3.4 液體在多層多孔介質中的毛細流動過程分析 316
7.4 衛(wèi)星貯箱多孔介質氣液分離裝置設計與試驗 324
7.4.1 氣液分離裝置設計 324
7.4.2 氣液分離裝置數(shù)值仿真 327
7.4.3 氣液分離裝置地面試驗 334
7.4.4 氣液分離裝置落塔試驗 336
7.5 本章小結 339
參考文獻 340
第8章 貯箱內推進劑剩余量精確測量 343
8.1 微重力條件下推進劑量測量的特點 343
8.1.1 微重力影響分析 343
8.1.2 低溫推進劑貯存 344
8.2 體積激勵法測量推進劑量的原理與數(shù)值仿真 345
8.2.1 測量方法分析 345
8.2.2 體積激勵法的測量原理 348
8.2.3 影響體積激勵法測量的因素及修正 349
8.2.4 其余影響因素討論 355
8.2.5 測量系統(tǒng)的誤差分析 361
8.2.6 貯箱體積激勵過程仿真 362
8.3 低溫推進劑貯存的壓力與溫度控制方法 372
8.3.1 物理及數(shù)學模型 373
8.3.2 壁面肋片對壓控的影響性分析 375
8.3.3 排氣降壓 383
8.4 低溫推進劑貯存中的液體量測量方法 388
8.4.1 試驗系統(tǒng)設計 388
8.4.2 試驗方案及流程 390
8.4.3 試驗結果與討論 391
8.4.4 貯箱非接觸式測量的影響 397
8.5 衛(wèi)星姿態(tài)干擾和貯箱漏熱對液體量測量的影響分析 402
8.5.1 衛(wèi)星姿態(tài)干擾對體積激勵法測量的影響 402
8.5.2 貯箱漏熱對體積激勵法測量的影響 412
8.6 本章小結 418
參考文獻 418
第9章 推進劑流量高精度測量技術 420
9.1 超聲波流量測量方法 421
9.2 基于側音技術的流量測量方法 426
9.2.1 側音技術解相位模糊 429
9.2.2 鎖相環(huán)技術跟蹤相位 431
9.3 傳播時間法對比分析 436
9.3.1 直接時間測量法 438
9.3.2 互相關法 438
9.4 本章小結 440
參考文獻 441
第10章 氣液兩相流特性分析與檢測 442
10.1 流場中氣泡的動力學特性分析 443
10.1.1 流場中氣泡的非線性振動 443
10.1.2 氣泡動力學模型的線性化分析 452
10.2 聲波在氣液兩相流中的傳播 456
10.2.1 氣液兩相流中的聲波傳播方程 456
10.2.2 兩相流中的聲衰減系數(shù)與等效聲速求解 459
10.3 超聲波兩相流含氣率檢測方法 465
10.3.1 單頻聲波幅值衰減法 466
10.3.2 雙頻聲波幅值衰減法 469
10.4 超聲波兩相流含氣率檢測試驗 471
10.4.1 試驗原理 472
10.4.2 試驗方案 472
10.4.3 試驗內容 477
10.4.4 試驗結果 482
10.5 本章小結 486
參考文獻 486
第11章 衛(wèi)星在軌加注任務規(guī)劃 488
11.1 共面圓軌道衛(wèi)星群P2P在軌加注任務規(guī)劃 489
11.1.1 問題描述 489
11.1.2 問題分析與建模 490
11.1.3 模型分析與簡化 493
11.1.4 求解策略 495
11.1.5 仿真分析 496
11.2 考慮攝動與復雜約束的LEO衛(wèi)星群P2P在軌加注任務規(guī)劃 498
11.2.1 問題描述與分析 498
11.2.2 復雜約束條件下多階段交會任務分析 499
11.2.3 復雜約束條件下多階段交會任務優(yōu)化模型 502
11.2.4 復雜約束條件下多階段交會任務優(yōu)化策略 505
11.2.5 復雜約束條件下多階段交會任務仿真分析 508
11.2.6 考慮攝動與復雜約束的P2P在軌加注任務規(guī)劃仿真分析 513
11.3 目標不確定的GEO衛(wèi)星群一對多在軌加注任務規(guī)劃 515
11.3.1 問題描述與分析 515
11.3.2 基于混雜優(yōu)化控制理論的任務規(guī)劃模型 516
11.3.3 模型求解 522
11.3.4 仿真分析 524
11.4 混合模式下GEO衛(wèi)星群在軌加注任務規(guī)劃 529
11.4.1 問題描述與分析 530
11.4.2 成本與收益模型 530
11.4.3 優(yōu)化模型建模 534
11.4.4 模型求解 536
11.4.5 仿真分析 539
11.5 考慮位置優(yōu)化的GEO衛(wèi)星群多對多在軌加注任務規(guī)劃 546
11.5.1 問題描述與分析 546
11.5.2 優(yōu)化模型 548
11.5.3 求解方法 550
11.5.4 數(shù)值仿真 552
11.6 本章小結 559
參考文獻 559
第12章 衛(wèi)星在軌加注技術總結與展望 561
12.1 衛(wèi)星在軌加注關鍵技術總結 561
12.1.1 近距離接近技術 561
12.1.2 空間對接技術 562
12.1.3 流體傳輸與管理技術 563
12.1.4 推進劑高精度測量技術 563
12.1.5 衛(wèi)星在軌加注任務規(guī)劃 564
12.2 衛(wèi)星在軌加注技術發(fā)展展望 565
12.3 對我國衛(wèi)星在軌加注技術發(fā)展的啟示 567
索引 570
后記 573
序
前言
第1章 緒論 1
1.1 衛(wèi)星在軌加注概念內涵 2
1.2 衛(wèi)星在軌加注系統(tǒng)組成 3
1.2.1 對接分系統(tǒng) 5
1.2.2 推進劑管理分系統(tǒng) 7
1.3 衛(wèi)星在軌加注的效益分析 11
1.4 本書內容安排 13
參考文獻 15
第2章 衛(wèi)星在軌加注技術研究現(xiàn)狀 18
2.1 衛(wèi)星在軌加注空間試驗總體情況 18
2.1.1 試驗情況概述 18
2.1.2 試驗情況分析 35
2.2 關鍵技術國內外研究現(xiàn)狀 36
2.2.1 近距離接近技術 36
2.2.2 空間對接技術 44
2.2.3 流體傳輸與管理技術 53
2.2.4 推進劑高精度測量技術 57
2.3 本章小結 64
參考文獻 65
第3章 空間目標近距離接近與避撞控制 70
3.1 近距離相對運動動力學 70
3.1.1 坐標系定義及轉換 70
3.1.2 基于對偶四元數(shù)的相對運動模型及分析 73
3.1.3 相對運動誤差模型及其線性化 79
3.1.4 相對運動模型線性化 82
3.2 近距離飛行碰撞風險評估 83
3.2.1 問題描述 84
3.2.2 常用碰撞風險評估方法 85
3.2.3 基于性能參數(shù)的碰撞風險評估方法 89
3.3 近距離操作動態(tài)智能防撞控制 94
3.3.1 問題描述 94
3.3.2 動態(tài)智能防撞控制算法 95
3.3.3 仿真分析 100
3.4 衛(wèi)星避撞機動姿軌耦合控制 104
3.4.1 問題描述 104
3.4.2 規(guī)避方案描述 106
3.4.3 控制器設計 107
3.4.4 仿真分析 112
3.5 本章小結 118
參考文獻 119
第4章 基于結構變形的軟對接動態(tài)接觸理論 121
4.1 變分不等式接觸基本原理 122
4.1.1 接觸約束條件 123
4.1.2 變分不等式接觸基本方程 124
4.1.3 數(shù)值求解方法 128
4.1.4 仿真算例 133
4.2 基于變分不等式接觸原理的軟對接動力學模型 140
4.2.1 軟對接動態(tài)接觸模型 140
4.2.2 結果與討論 148
4.3 本章小結 152
參考文獻 153
第5章 真空條件下接口密封與泄漏理論 156
5.1 密封端面形貌的分形表征 157
5.1.1 分形幾何簡介 158
5.1.2 表面形貌的分形表征 158
5.1.3 具有自仿射分形特征的密封表面數(shù)值模擬 164
5.2 考慮尺寸效應的端面密封接觸力學 167
5.2.1 接觸問題的多尺度力學模型 167
5.2.2 密封面塑性變形對接觸行為的影響 182
5.2.3 表面黏著力對密封接觸行為的影響 185
5.2.4 端面密封接觸理論模型仿真驗證 190
5.3 端面密封泄漏孔道的輸運性質 201
5.3.1 泄漏孔道中流體流動的多樣性 201
5.3.2 泄漏孔道中的連續(xù)壓力流 204
5.3.3 端面密封流體泄漏率逾滲模型 211
5.3.4 端面密封泄漏影響因素分析 214
5.4 本章小結 221
參考文獻 222
第6章 微重力條件下板式貯箱內推進劑流動特性分析 224
6.1 表面張力流動的基本理論 224
6.1.1 表面張力作用 224
6.1.2 內角流動理論概述 228
6.2 微重力下內角自流研究 231
6.2.1 不對稱內角模型 232
6.2.2 液面特征參數(shù)求解 233
6.2.3 不對稱內角流動過程計算 233
6.2.4 內角自流落塔試驗 242
6.3 微重力下內角過流穩(wěn)定性研究 246
6.3.1 內角過流的基本概念 246
6.3.2 內角過流控制方程與求解 248
6.3.3 內角過流試驗驗證 257
6.4 基于內角流動理論的板式貯箱設計 261
6.4.1 貯箱結構設計 261
6.4.2 導流板布局設計與優(yōu)化 261
6.4.3 導流板構型設計與優(yōu)化 266
6.4.4 貯箱設計實例 270
6.4.5 推進劑加注過程仿真 274
6.5 本章小結 275
參考文獻 276
第7章 微重力條件下多孔介質中的液體輸運特性 279
7.1 基于隨機幾何理論的多孔介質結構特征 279
7.1.1 多孔介質結構特征統(tǒng)計模型 279
7.1.2 多孔介質孔隙的分形分布特性 284
7.1.3 多孔介質結構特征建模 285
7.2 多孔介質過流特性與潤濕特性 292
7.2.1 多孔介質過流特性 292
7.2.2 多孔介質潤濕特性 296
7.3 微重力條件下多孔介質中的毛細流動 302
7.3.1 多孔介質中的毛細流動模型 302
7.3.2 模型求解及分析 304
7.3.3 微重力條件下大顆粒大孔隙率多孔介質中的毛細流動 309
7.3.4 液體在多層多孔介質中的毛細流動過程分析 316
7.4 衛(wèi)星貯箱多孔介質氣液分離裝置設計與試驗 324
7.4.1 氣液分離裝置設計 324
7.4.2 氣液分離裝置數(shù)值仿真 327
7.4.3 氣液分離裝置地面試驗 334
7.4.4 氣液分離裝置落塔試驗 336
7.5 本章小結 339
參考文獻 340
第8章 貯箱內推進劑剩余量精確測量 343
8.1 微重力條件下推進劑量測量的特點 343
8.1.1 微重力影響分析 343
8.1.2 低溫推進劑貯存 344
8.2 體積激勵法測量推進劑量的原理與數(shù)值仿真 345
8.2.1 測量方法分析 345
8.2.2 體積激勵法的測量原理 348
8.2.3 影響體積激勵法測量的因素及修正 349
8.2.4 其余影響因素討論 355
8.2.5 測量系統(tǒng)的誤差分析 361
8.2.6 貯箱體積激勵過程仿真 362
8.3 低溫推進劑貯存的壓力與溫度控制方法 372
8.3.1 物理及數(shù)學模型 373
8.3.2 壁面肋片對壓控的影響性分析 375
8.3.3 排氣降壓 383
8.4 低溫推進劑貯存中的液體量測量方法 388
8.4.1 試驗系統(tǒng)設計 388
8.4.2 試驗方案及流程 390
8.4.3 試驗結果與討論 391
8.4.4 貯箱非接觸式測量的影響 397
8.5 衛(wèi)星姿態(tài)干擾和貯箱漏熱對液體量測量的影響分析 402
8.5.1 衛(wèi)星姿態(tài)干擾對體積激勵法測量的影響 402
8.5.2 貯箱漏熱對體積激勵法測量的影響 412
8.6 本章小結 418
參考文獻 418
第9章 推進劑流量高精度測量技術 420
9.1 超聲波流量測量方法 421
9.2 基于側音技術的流量測量方法 426
9.2.1 側音技術解相位模糊 429
9.2.2 鎖相環(huán)技術跟蹤相位 431
9.3 傳播時間法對比分析 436
9.3.1 直接時間測量法 438
9.3.2 互相關法 438
9.4 本章小結 440
參考文獻 441
第10章 氣液兩相流特性分析與檢測 442
10.1 流場中氣泡的動力學特性分析 443
10.1.1 流場中氣泡的非線性振動 443
10.1.2 氣泡動力學模型的線性化分析 452
10.2 聲波在氣液兩相流中的傳播 456
10.2.1 氣液兩相流中的聲波傳播方程 456
10.2.2 兩相流中的聲衰減系數(shù)與等效聲速求解 459
10.3 超聲波兩相流含氣率檢測方法 465
10.3.1 單頻聲波幅值衰減法 466
10.3.2 雙頻聲波幅值衰減法 469
10.4 超聲波兩相流含氣率檢測試驗 471
10.4.1 試驗原理 472
10.4.2 試驗方案 472
10.4.3 試驗內容 477
10.4.4 試驗結果 482
10.5 本章小結 486
參考文獻 486
第11章 衛(wèi)星在軌加注任務規(guī)劃 488
11.1 共面圓軌道衛(wèi)星群P2P在軌加注任務規(guī)劃 489
11.1.1 問題描述 489
11.1.2 問題分析與建模 490
11.1.3 模型分析與簡化 493
11.1.4 求解策略 495
11.1.5 仿真分析 496
11.2 考慮攝動與復雜約束的LEO衛(wèi)星群P2P在軌加注任務規(guī)劃 498
11.2.1 問題描述與分析 498
11.2.2 復雜約束條件下多階段交會任務分析 499
11.2.3 復雜約束條件下多階段交會任務優(yōu)化模型 502
11.2.4 復雜約束條件下多階段交會任務優(yōu)化策略 505
11.2.5 復雜約束條件下多階段交會任務仿真分析 508
11.2.6 考慮攝動與復雜約束的P2P在軌加注任務規(guī)劃仿真分析 513
11.3 目標不確定的GEO衛(wèi)星群一對多在軌加注任務規(guī)劃 515
11.3.1 問題描述與分析 515
11.3.2 基于混雜優(yōu)化控制理論的任務規(guī)劃模型 516
11.3.3 模型求解 522
11.3.4 仿真分析 524
11.4 混合模式下GEO衛(wèi)星群在軌加注任務規(guī)劃 529
11.4.1 問題描述與分析 530
11.4.2 成本與收益模型 530
11.4.3 優(yōu)化模型建模 534
11.4.4 模型求解 536
11.4.5 仿真分析 539
11.5 考慮位置優(yōu)化的GEO衛(wèi)星群多對多在軌加注任務規(guī)劃 546
11.5.1 問題描述與分析 546
11.5.2 優(yōu)化模型 548
11.5.3 求解方法 550
11.5.4 數(shù)值仿真 552
11.6 本章小結 559
參考文獻 559
第12章 衛(wèi)星在軌加注技術總結與展望 561
12.1 衛(wèi)星在軌加注關鍵技術總結 561
12.1.1 近距離接近技術 561
12.1.2 空間對接技術 562
12.1.3 流體傳輸與管理技術 563
12.1.4 推進劑高精度測量技術 563
12.1.5 衛(wèi)星在軌加注任務規(guī)劃 564
12.2 衛(wèi)星在軌加注技術發(fā)展展望 565
12.3 對我國衛(wèi)星在軌加注技術發(fā)展的啟示 567
索引 570
后記 573
展開全部
衛(wèi)星在軌加注技術 節(jié)選
第1章 緒論 隨著空間技術的快速發(fā)展和空間資源運行模式的不斷變革，以航天器在軌服務為標志的空間資源可重復利用技術正逐步成為世界各航天大國競相發(fā)展的一個重要方向。在軌服務是指在空間軌道上通過人、機器人或兩者協(xié)同完成涉及延長各種航天器壽命、提升執(zhí)行任務能力的一類空間操作[1]。在軌服務技術的核心使命在于延長航天器壽命、增強航天器機動能力、提升航天器效能等。航天器在軌加注技術正是通過燃料補給的方式延長航天器在軌工作壽命和增強軌道機動能力，它是航天器在軌服務技術的重要組成部分。 航天器在軌加注的概念*早被提出是在20世紀60年代，其早期的研究主要集中在通過貨運飛船、航天飛機等服務航天器對在軌運行航天器進行推進劑等耗費品的在軌補給。這一概念誕生僅十余年后，蘇聯(lián)就使用“進步號”貨運飛船向空間站成功執(zhí)行了液態(tài)推進劑(N2O4和偏二甲肼)的補給任務[2]，當時采用的推進劑供給貯箱為隔膜式貯箱，通過高壓氣體擠壓隔膜為推進劑傳輸提供動力。至今，大型航天器在軌燃料補給仍然普遍采用這種加注模式。而美國則發(fā)展了利用航天飛機對空間站進行在軌燃料補給的方式。 本書所研究的衛(wèi)星在軌加注技術屬于航天器在軌加注技術的一種，針對的服務對象主要是中小型衛(wèi)星。這類衛(wèi)星的在軌加注不同于大型航天器，其質量、體積等受到更嚴格限制，運行、應用的模式也不同，因此，在貯箱類型、對接及加注管路、近距離接近策略、剩余量及流量測量等方面，其加注系統(tǒng)均與大型航天器存在明顯差異，主要表現(xiàn)在如下兩方面。一方面，大型航天器采用金屬隔膜貯箱，這類貯箱質量大，如50L的金屬隔膜貯箱，質量往往超過60kg[3]，不滿足衛(wèi)星加注系統(tǒng)輕質化設計要求；同時，金屬隔膜貯箱內部存在運動部件，在反復運動過程中存在損壞風險，工作壽命受限，不滿足衛(wèi)星加注系統(tǒng)多次可重復使用需求[4]，因此，目前衛(wèi)星加注系統(tǒng)方案中普遍采用無運動部件的表面張力貯箱。另一方面，在對接方式上，大型航天器要求極高的可靠性，往往還需要滿足人員穿行的需求，對接機構在結構上包括復雜的緩沖系統(tǒng)和人員通道[5]，這種對接機構無法直接縮比應用于衛(wèi)星加注系統(tǒng)；大型航天器所用加注管路往往獨立于對接機構，進一步加大了結構質量，這樣的分離設計對于空間站等大型航天器是可行而且更加可靠的，但對于衛(wèi)星加注系統(tǒng)，將極大降低補給的經濟性和實用性，因此，衛(wèi)星加注系統(tǒng)一般采用對接/加注一體化設計模式，從而降低結構質量，實現(xiàn)輕量化設計。 衛(wèi)星在軌加注技術是衛(wèi)星在軌服務體系的重要組成部分，對于高價值衛(wèi)星以及組網衛(wèi)星意義尤為明顯。鑒于衛(wèi)星在軌加注技術的重要意義，世界各主要航天大國均開展了系列研究工作，其中*為典型的是美國。美國認為在軌加注技術是未來衛(wèi)星在軌服務體系的核心與關鍵，從20世紀60年代就開始了相關研究工作。美國多年的研究工作大致可以分為“理論研究—原理驗證—集成試驗—技術實用”四個階段。在近20年的基礎理論研究后，美國自1984年起，歷時12年，先后在航天飛機上進行了5次原理驗證實驗，對在軌加注的貯箱等關鍵部件以及傳輸、測量等關鍵技術進行了驗證[6-10]。在此基礎上，2007年，美國完成了“軌道快車(Orbital Express)”集成試驗，針對預留有加注接口的目標衛(wèi)星(后文簡稱目標星)成功實施了在軌加注，這是國際上首次衛(wèi)星在軌加注試驗[11]；2013年，進一步完成了“機器人在軌燃料加注(Robotic Refueling Mission，RRM)”空間站艙外集成測試，驗證了采用機器人空間操作對傳統(tǒng)衛(wèi)星加注接口實施在軌燃料加注的可行性[12]；2015年，進入RRM計劃第二階段，進一步驗證了冷凍劑補充、工具測試、空間設備即插即用等試驗操作；2018年，進入RRM計劃第三階段，首次在軌驗證了低溫液體零蒸發(fā)長期存儲技術，在軌存儲時間長達4個月。2016年，美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)啟動了面向衛(wèi)星在軌加注的“復原-L(Restore-L)”計劃[13]，其中目標星為隸屬于美國政府仍在軌服役的陸地衛(wèi)星Landsat-7，該計劃將于2023年發(fā)射一顆服務衛(wèi)星(后文簡稱服務星)進入極地近地軌道，對該目標星進行燃料加注。該計劃的順利實施，將成為美國衛(wèi)星在軌加注技術走向實用化的里程碑事件。值得一提的是，2020年2月，美國諾斯羅普格魯曼(Northrop Grumman)公司的任務延壽飛行器(mission extension vehicle，簡稱MEV-1)成功實現(xiàn)了對國際通信衛(wèi)星(Intelsat-901)的在軌接管，利用MEV-1自身推進系統(tǒng)為Intelsat-901提供姿軌控能力，使其回歸地球同步軌道繼續(xù)執(zhí)行在軌工作任務[14]。MEV-1對Intelsat-901的成功在軌接管，是衛(wèi)星在軌延壽的另一種發(fā)展思路，也值得我們高度重視。 近年來，隨著我國航天技術的快速發(fā)展，特別是通信、導航、偵察等高價值在軌衛(wèi)星數(shù)量的快速增加，對衛(wèi)星在軌加注技術的需求也越來越迫切。同時，隨著載人航天工程、探月、在軌服務、深空探測等重大工程的成功立項與實施，衛(wèi)星在軌加注技術正迎來前所未有的發(fā)展契機。 1.1 衛(wèi)星在軌加注概念內涵 古代，人類通過驛站補給來完成千里遠行；近代，人類利用加油技術來延長汽車和飛機的行程；如今，隨著航天技術的發(fā)展，衛(wèi)星的高昂成本與其一次性使用特性之間的矛盾日益突出，人類開始探索如何給衛(wèi)星進行在軌加注。衛(wèi)星在軌加注是指在軌道上通過直接傳輸方式對衛(wèi)星進行推進劑補給的技術，其作用可類比“太空加油機”，能大大提高衛(wèi)星的機動能力、延長衛(wèi)星的工作壽命、拓展衛(wèi)星的達到范圍。隨著技術的發(fā)展，在軌補給的方式也不斷拓展，出現(xiàn)了通過推進劑貯箱更換實現(xiàn)推進劑補給的方式、直接將整個推進系統(tǒng)模塊進行更換的方式乃至用新衛(wèi)星直接接管整個衛(wèi)星推進任務的方式。本書主要研究以推進劑直接傳輸實現(xiàn)補給的衛(wèi)星在軌加注技術。 衛(wèi)星在軌加注往往以高價值衛(wèi)星或組網衛(wèi)星為目標，采用“一對多”或“多對一”的補給任務規(guī)劃策略，提升經濟效益[15，16]。發(fā)展衛(wèi)星在軌加注技術的重要意義在于： 1)延長衛(wèi)星在軌工作壽命 推進劑是實現(xiàn)軌道機動、軌道保持以及姿態(tài)控制的基礎。通過推進劑的在軌加注延長衛(wèi)星的在軌工作壽命，可以大大降低衛(wèi)星全壽命周期費用，具有十分顯著的經濟效益。 2)增強衛(wèi)星軌道機動能力 隨著應用需求的發(fā)展，衛(wèi)星對軌道機動能力提出了較高要求，如要求地球資源衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星和防災減災衛(wèi)星等具有較強的軌道機動能力，能夠根據(jù)任務要求調整對重點地區(qū)的遙感觀測，及時為用戶提供充分、準確、可靠的信息等。如果能夠進行在軌加注，那么可大大增強其執(zhí)行任務的靈活性。 3)組建深空探測中途“加油站” 對于深空探測器，其飛行任務往往包括系列的大范圍機動變軌，對推進能力要求較高，但是，其推進劑攜帶量受到發(fā)射條件的限制。有效解決該矛盾的途徑之一就是，先將探測器發(fā)射到停泊軌道并接受在軌加注，然后出發(fā)進行星際飛行。 1.2 衛(wèi)星在軌加注系統(tǒng)組成 衛(wèi)星自主在軌加注任務涉及多個過程，包括加注需求確定、交會對接、加注前準備、加注過程監(jiān)控和加注完成后分離等階段，如圖1.1所示。 圖1.1中，對應于每個任務階段，需要重點攻關的關鍵技術通過實線方框給出，而虛線方框中給出的關鍵技術則為依托當前已有技術基礎。根據(jù)衛(wèi)星自主在軌加注任務流程，衛(wèi)星在軌加注系統(tǒng)設計的關鍵技術可歸納提煉為推進劑剩余量測量技術、近距離接近與對接鎖緊技術、管路密封技術、微重力流體傳輸與管理技術、推進劑流量精確測量技術、氣液兩相流檢測技術等。這些關鍵技術的研究成果均將物化為相應的單機產品及分系統(tǒng)，包括近距離相對導航與控制系統(tǒng)、一體化對接加注與分離釋放系統(tǒng)、接口密封與泄漏檢測系統(tǒng)、微重力流體傳輸與管理系統(tǒng)、貯箱內推進劑剩余量測量裝置、貯箱氣液分離裝置、推進劑流量測量與兩相流檢測裝置等。衛(wèi)星在軌加注系統(tǒng)就是以上述單機產品及分系統(tǒng)為基本組成，通過流體管路及機、電、熱等接口將這些基本單元連接為一個集成系統(tǒng)。衛(wèi)星在軌加注系統(tǒng)的集成原理圖如圖1.2所示。 圖1.1 衛(wèi)星在軌加注任務流程與過程梳理 圖1.2 衛(wèi)星在軌加注系統(tǒng)集成原理圖 衛(wèi)星在軌加注系統(tǒng)被拆分為兩大分系統(tǒng)：對接分系統(tǒng)與推進劑管理分系統(tǒng)。其中，對接分系統(tǒng)用于加注服務前的兩星近距離接近與對接鎖定，是在軌加注的基本前提，包括近距離相對導航與控制系統(tǒng)、一體化對接加注與分離釋放系統(tǒng)、對接密封與泄漏檢測系統(tǒng)等；推進劑管理分系統(tǒng)用于貯箱內推進劑傳輸與管理、加注過程監(jiān)控等，是在軌加注的核心組成部分，包括微重力流體傳輸與管理系統(tǒng)、貯箱氣液分離裝置、貯箱內推進劑剩余量測量裝置、推進劑流量測量與兩相流檢測裝置等(圖1.3)。以下將按照對接分系統(tǒng)與推進劑管理分系統(tǒng)兩大部分，分別闡述衛(wèi)星在軌加注系統(tǒng)的組成及所涉及的相關關鍵技術。 圖1.3 衛(wèi)星在軌加注系統(tǒng)組成 1.2.1 對接分系統(tǒng) 對接分系統(tǒng)的主要任務是實現(xiàn)服務星與目標星的近距離接近、對接與鎖緊等，為進一步實施在軌燃料傳輸?shù)炔僮魈峁┣疤岜Ｕ。依?jù)圖1.3所示對接分系統(tǒng)組成，分別闡述各部分功能及所涉及的關鍵技術。 1. 近距離相對導航與控制系統(tǒng) 近距離接近技術是在軌加注的基礎性技術。當兩星相距較遠時，星體可近似看作質點，其運動相對簡單。當兩星距離逐漸變小，其外形影響不能再忽略時，質點模型將不再適用。此時，需著重考慮近距離接近過程中衛(wèi)星構型的影響，降低兩星發(fā)生碰撞的風險。通過考慮衛(wèi)星構型規(guī)劃兩星相對運動軌跡，才能有效確保安全接近，為后續(xù)對接及加注任務提供支撐[17，18]。圖1.4給出了近距離相對導航與控制系統(tǒng)的基本組成要素。近距離接近過程需綜合考慮兩星相對位姿與衛(wèi)星構型影響，建立碰撞風險評估模型，獲取相對運動軌跡，并通過姿軌耦合控制與動態(tài)防撞控制實現(xiàn)兩星近距離接近操作，為進一步對接鎖定提供技術支撐。 圖1.4 近距離相對導航與控制系統(tǒng) 2. 一體化對接加注與分離釋放系統(tǒng) 對于衛(wèi)星在軌加注，服務星與目標星的可靠對接是任務成功的前提，這里的對接包括兩部分，即星體對接和管路對接。由于衛(wèi)星受到嚴格的尺寸、重量、功耗等因素限制，直接沿用我國現(xiàn)有的飛船/空間站等對接機構存在以下問題：現(xiàn)有對接機構結構復雜、質量大，且采用剛性對接的方式對衛(wèi)星的相對姿軌控精度要求較高，很難用于衛(wèi)星對接任務；無法實現(xiàn)加注管路對接時的高效密封和泄漏監(jiān)測；不具備液體傳輸功能，管路對接機構與星體對接機構相互獨立。為解決上述問題，使衛(wèi)星對接具有低沖擊、高安全特點，研究考慮星體對接和管路對接要求的對接機構具有重要意義[19，20]。圖1.5給出了一體化對接加注與分離釋放系統(tǒng)的基本組成要素，包括星體對接機構、管路對接機構、星體/管路對接一體化設計、分離釋放機構等。為了滿足衛(wèi)星自主對接鎖定需求，系統(tǒng)整體必須滿足小型化/輕量化設計要求，對接碰撞過程需實現(xiàn)低沖擊、高可靠的鎖定效果。 3. 接口密封與泄漏檢測系統(tǒng) 兩星星體順利對接鎖緊后，管路對接接口相互連接，繼而服務星與目標星之間的推進劑傳輸管路相互連通。然而，在發(fā)送推進劑傳輸命令前，尚需確定管路
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