可重復(fù)使用空間站補(bǔ)給方案設(shè)想

東華鵬，王亞軍，安雪巖

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 前言

空間站通常包括核心艙、實(shí)驗(yàn)艙等多個(gè)核心艙段，通過(guò)交會(huì)對(duì)接和艙體轉(zhuǎn)位組裝構(gòu)成空間站基本構(gòu)型?？臻g站通常采用高度為340km～450km的近圓軌道[1-2]，軌道傾角為42°～43°，具有通過(guò)維護(hù)維修延長(zhǎng)使用壽命的能力。

空間站的在軌維護(hù)和維修需要發(fā)射一定規(guī)模的補(bǔ)給艙(貨運(yùn)飛船)，提供空間站在軌維護(hù)和維修用的設(shè)備、儀器以及航天員的生活補(bǔ)給品等物資。目前，國(guó)際上通常采用的補(bǔ)給方案是[3]：由火箭發(fā)射一艘一次性使用的貨運(yùn)飛船，貨運(yùn)飛船的服務(wù)艙具備空間姿軌控能力，可實(shí)現(xiàn)飛船的軌道控制、姿態(tài)控制、交會(huì)對(duì)接、貨艙環(huán)境條件控制等功能，當(dāng)完成補(bǔ)給任務(wù)后，貨運(yùn)飛船離軌再入地球大氣燒毀，服務(wù)艙無(wú)法重復(fù)使用，補(bǔ)給任務(wù)的靈活性、經(jīng)濟(jì)性受到一定影響。

上面級(jí)具備較強(qiáng)的軌道機(jī)動(dòng)能力[4]，基于這一特點(diǎn)，可利用上面級(jí)配合實(shí)施空間站補(bǔ)給的發(fā)射任務(wù)，補(bǔ)給艙由上面級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)擺渡至空間站，是一種可以依賴現(xiàn)實(shí)工程保障條件，具備較強(qiáng)工程成熟度和可靠性，以多次重復(fù)使用提高補(bǔ)給發(fā)射任務(wù)經(jīng)濟(jì)性的有效途徑，為開(kāi)展空間站在軌補(bǔ)給工作提供了更多選擇，可以有效提升空間站在軌補(bǔ)給水平。

1 方案設(shè)想

采用軌道轉(zhuǎn)移級(jí)(Orbit Transfer Stage,OTS)轉(zhuǎn)運(yùn)擺渡補(bǔ)給艙至空間站，待補(bǔ)給貨物在軌利用和消耗結(jié)束之前，將廢棄物裝填至補(bǔ)給艙，再利用上面級(jí)將補(bǔ)給艙送入再入軌道，補(bǔ)給艙離軌燒毀不再使用之后，上面級(jí)抬升軌道，等待下一次補(bǔ)給艙發(fā)射，并與之對(duì)接，實(shí)現(xiàn)新一輪對(duì)空間站的補(bǔ)給。軌道轉(zhuǎn)移級(jí)與補(bǔ)給艙組合體示意見(jiàn)圖1。

補(bǔ)給艙(見(jiàn)圖 2)可根據(jù)需求采取密封、半密封和全開(kāi)放等3種貨艙構(gòu)型，能夠進(jìn)行空間站各類補(bǔ)給品和設(shè)備的上行貨物運(yùn)輸、推進(jìn)劑補(bǔ)加，也可以運(yùn)輸太陽(yáng)電池帆板及其他在軌需用物資。

補(bǔ)給艙兩端均有一個(gè)交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)，其中一個(gè)與上面級(jí)連接，附有被動(dòng)式輔助相對(duì)導(dǎo)航裝置，另一個(gè)與空間站連接，也附有輔助相對(duì)導(dǎo)航裝置，與空間站連接的對(duì)接口可用于航天員進(jìn)艙開(kāi)展工作。補(bǔ)給艙也可根據(jù)需要在側(cè)面開(kāi)口以提供開(kāi)放式貨物存放和搬運(yùn)功能。補(bǔ)給艙表面貼太陽(yáng)能電池片，具有較簡(jiǎn)單的在軌供配電能力，采用小型集成化電氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在軌姿態(tài)控制功能。

軌道轉(zhuǎn)移級(jí)在現(xiàn)有液體上面級(jí)[5]的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)。在上面級(jí)本體上安裝有補(bǔ)給艙支架、交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)、敷設(shè)太陽(yáng)能電池片、增加姿控推進(jìn)劑攜帶量，配套完善控制系統(tǒng)和統(tǒng)一供配電功能、測(cè)控系統(tǒng)提供指令上行能力，使上面級(jí)具備在軌交會(huì)對(duì)接和轉(zhuǎn)運(yùn)擺渡補(bǔ)給艙的能力。

軌道轉(zhuǎn)移級(jí)的初步質(zhì)量分配見(jiàn)表 1，其起飛質(zhì)量約為4600kg。

表1 軌道轉(zhuǎn)移級(jí)質(zhì)量分配

采用所提出的技術(shù)方案，補(bǔ)給艙只須在對(duì)接前進(jìn)行姿態(tài)阻尼即可，不需要配置復(fù)雜的導(dǎo)航裝置和動(dòng)力系統(tǒng)，也不需要太多的太陽(yáng)能電池貼片。與現(xiàn)有的空間站貨運(yùn)方案相比，貨運(yùn)能力有所提升。由于軌道轉(zhuǎn)移級(jí)可長(zhǎng)期在軌重復(fù)使用，補(bǔ)給艙成本較低，并可選擇更為經(jīng)濟(jì)的運(yùn)載火箭發(fā)射補(bǔ)給艙，從成本角度也具有一定優(yōu)勢(shì)。

2 任務(wù)模式與工作流程

基礎(chǔ)級(jí)火箭將軌道轉(zhuǎn)移級(jí)與補(bǔ)給艙組合體發(fā)射至近地點(diǎn)高度200km、遠(yuǎn)地點(diǎn)高度400km的LEO軌道，之后軌道轉(zhuǎn)移級(jí)將補(bǔ)給艙轉(zhuǎn)運(yùn)至約400km高度的空間站圓軌道位置，完成補(bǔ)給任務(wù)后，上面級(jí)與攜帶廢棄物的補(bǔ)給艙離軌進(jìn)入遠(yuǎn)地點(diǎn)高度400km、近地點(diǎn)高度50km的再入軌道，然后軌道轉(zhuǎn)移級(jí)與補(bǔ)給艙分離，補(bǔ)給艙再入燒毀，軌道轉(zhuǎn)移級(jí)抬高軌道至近地點(diǎn)高度200km、遠(yuǎn)地點(diǎn)高度350km的中間軌道停泊，等待下一次在軌補(bǔ)給任務(wù)。首次任務(wù)工作流程示意見(jiàn)圖4。

后續(xù)任務(wù)發(fā)射補(bǔ)給艙進(jìn)入近地點(diǎn)高度200km、遠(yuǎn)地點(diǎn)高度350km的中間軌道，在軌停泊。補(bǔ)給時(shí)，軌道轉(zhuǎn)移級(jí)機(jī)動(dòng)到補(bǔ)給艙附近并實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接，之后，軌道轉(zhuǎn)移級(jí)與補(bǔ)給艙組合體變軌至400km高度的空間站圓軌道位置，并實(shí)現(xiàn)與空間站的交會(huì)對(duì)接和第2次補(bǔ)給，完成補(bǔ)給任務(wù)后，軌道轉(zhuǎn)移級(jí)與攜帶廢棄物的補(bǔ)給艙離軌進(jìn)入遠(yuǎn)地點(diǎn)高度400km、近地點(diǎn)高度50km的再入軌道，然后軌道轉(zhuǎn)移級(jí)與補(bǔ)給艙分離，補(bǔ)給艙再入燒毀，軌道轉(zhuǎn)移級(jí)抬高軌道至近地點(diǎn)高度200km、遠(yuǎn)地點(diǎn)高度350km的中間軌道等待下一次補(bǔ)給任務(wù)。后續(xù)補(bǔ)給任務(wù)工作流程示意見(jiàn)圖 5。經(jīng)初步分析計(jì)算，按照補(bǔ)給艙8t、廢棄物2t的規(guī)模，整個(gè)任務(wù)流程需消耗推進(jìn)劑約750kg，考慮在軌運(yùn)行期間軌道維持的推進(jìn)劑消耗，軌道轉(zhuǎn)移級(jí)2600kg的加注量可進(jìn)行3次空間站補(bǔ)給任務(wù)。相比現(xiàn)有的空間站貨運(yùn)補(bǔ)給方案，有較大的經(jīng)濟(jì)成本優(yōu)勢(shì)。

3 應(yīng)用特點(diǎn)與發(fā)展路線

基于上面級(jí)的可重復(fù)使用空間站補(bǔ)給方案具有如下工程應(yīng)用特點(diǎn)：

1) 軌道轉(zhuǎn)移級(jí)基于現(xiàn)役型號(hào)改進(jìn)，任務(wù)保障性好；

2) 補(bǔ)給艙方案簡(jiǎn)單，可形成一定的模塊化研制能力；

3) 軌道轉(zhuǎn)移級(jí)在軌可重復(fù)使用，發(fā)射可采用低成本運(yùn)載火箭，任務(wù)經(jīng)濟(jì)性好。

可重復(fù)使用空間站補(bǔ)給方案可采用如下“三步走”的發(fā)展路線：

第1步，研制補(bǔ)給艙，改進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移級(jí)，具備擺渡運(yùn)輸補(bǔ)給艙和停靠對(duì)接至空間站的任務(wù)能力；

第2步，軌道轉(zhuǎn)移級(jí)具備長(zhǎng)期在軌能力及在軌加注能力，實(shí)現(xiàn)在軌多次使用，可長(zhǎng)期在軌承擔(dān)轉(zhuǎn)運(yùn)擺渡補(bǔ)給艙任務(wù)；

第3步，根據(jù)可能的任務(wù)需要，軌道轉(zhuǎn)移級(jí)為空間站提供軌道維持等輔助能力。

以現(xiàn)有液體上面級(jí)為基礎(chǔ)，需要開(kāi)展的主要改進(jìn)工作包括：

1) 新增抓捕對(duì)接機(jī)構(gòu)系統(tǒng)；

2) 新增相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)，配置交會(huì)對(duì)接敏感器；

3) 供配電系統(tǒng)能源由鋅銀蓄電池改為“太陽(yáng)能+鋰離子電池”方案；

4) 根據(jù)交會(huì)對(duì)接及目標(biāo)姿控穩(wěn)定度和精度要求，適應(yīng)性改進(jìn)姿軌控系統(tǒng)；

5) 針對(duì)長(zhǎng)期在軌任務(wù)適應(yīng)性改進(jìn)熱控措施；

6) 綜合任務(wù)需求，優(yōu)化姿軌控推進(jìn)劑加注量。

4 關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 適應(yīng)長(zhǎng)期在軌滯留后發(fā)動(dòng)機(jī)再啟動(dòng)技術(shù)

軌道轉(zhuǎn)移級(jí)長(zhǎng)期在軌工作期間，為確保發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性，應(yīng)盡可能使發(fā)動(dòng)機(jī)各組件、非金屬件、特別是起動(dòng)箱半膜組件避免長(zhǎng)期接觸推進(jìn)劑，這就需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作模式、控制時(shí)序及系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)。從系統(tǒng)上提高發(fā)動(dòng)機(jī)各組件對(duì)長(zhǎng)期在軌工作的適應(yīng)性，包括總裝氣路全焊接技術(shù)、渦輪泵氧化劑端面密封技術(shù)、閥門長(zhǎng)期在軌密封技術(shù)、羧基亞硝基氟橡膠長(zhǎng)期在軌工作可靠性研究。

4.2 輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

為提升軌道轉(zhuǎn)移級(jí)箭體結(jié)構(gòu)效率，需進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化設(shè)計(jì)技術(shù)研究。輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的主要目的在于尋求既經(jīng)濟(jì)又適用的結(jié)構(gòu)形式，以最少的材料、最低的造價(jià)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的最佳性能。實(shí)施輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，需要解決3個(gè)優(yōu)化問(wèn)題，包括尺寸優(yōu)化問(wèn)題、形狀優(yōu)化問(wèn)題和拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題。同時(shí)，由于輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)不可避免地會(huì)帶來(lái)異型結(jié)構(gòu)形式，為實(shí)現(xiàn)該類異型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜加工和裝配，并盡可能降低制造成本，還需要解決必要的工藝優(yōu)化問(wèn)題。

4.3 長(zhǎng)期在軌自主導(dǎo)航技術(shù)

軌道轉(zhuǎn)移級(jí)在軌運(yùn)行期間，慣性器件長(zhǎng)期漂移產(chǎn)生的精度誤差不可忽略。需有效利用衛(wèi)星導(dǎo)航和星光定姿信息，開(kāi)展組合導(dǎo)航模式分析，并進(jìn)行組合導(dǎo)航信息融合算法研究，進(jìn)行慣性誤差系數(shù)在線標(biāo)定和誤差補(bǔ)償，并開(kāi)展故障情況下導(dǎo)航模式切換技術(shù)研究。根據(jù)補(bǔ)給艙入軌參數(shù)、姿態(tài)等輸入條件，軌道轉(zhuǎn)移級(jí)自主制定最優(yōu)交會(huì)對(duì)接方案，實(shí)現(xiàn)與補(bǔ)給艙及空間站的交會(huì)對(duì)接，提高空間站補(bǔ)給任務(wù)的自主能力。

4.4 綜合電子系統(tǒng)集成化技術(shù)

為降低質(zhì)量和功耗，綜合電子系統(tǒng)采用一體化設(shè)計(jì)方案，所有的控制與管理工作，包括飛行任務(wù)管理、程控和遙測(cè)、數(shù)據(jù)采集與處理、實(shí)時(shí)姿態(tài)控制、熱控管理、系統(tǒng)故障診斷、時(shí)間管理等，都集中在任務(wù)管理組合執(zhí)行，使得任務(wù)管理與控制集中統(tǒng)一。這樣不但減輕了相應(yīng)模塊的質(zhì)量，也減少了低頻電纜網(wǎng)的質(zhì)量。為保證長(zhǎng)期在軌期間的高可靠性，關(guān)鍵部件/模塊引入冗余設(shè)計(jì)技術(shù)，當(dāng)系統(tǒng)有故障出現(xiàn)時(shí)，將故障部件隔離開(kāi)，啟動(dòng)備份部件，以保證系統(tǒng)繼續(xù)可靠運(yùn)行。

4.5 魯棒自適應(yīng)姿態(tài)控制技術(shù)

軌道轉(zhuǎn)移級(jí)與補(bǔ)給艙完成對(duì)接后，組合體構(gòu)形變化和載荷的移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致組合體質(zhì)量特性參數(shù)的改變，該參數(shù)不能通過(guò)地面實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確獲得，只能進(jìn)行在線辨識(shí)。此外，組合體的控制主要由上面級(jí)承擔(dān)，坐標(biāo)系和構(gòu)形變化引起的推力重新分配等問(wèn)題難以采用傳統(tǒng)PID算法進(jìn)行有效控制。因此，需開(kāi)展基于參數(shù)不確定性和控制輸入受限情況下的魯棒自適應(yīng)控制方法的研究。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于我國(guó)現(xiàn)有液體上面級(jí)的可重復(fù)使用空間站補(bǔ)給方案，可用于空間站補(bǔ)給運(yùn)送貨物及廢棄品轉(zhuǎn)運(yùn)清理。建議圍繞空間站補(bǔ)給，先行對(duì)采用軌道轉(zhuǎn)移級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)擺渡補(bǔ)給艙的對(duì)接機(jī)構(gòu)形式、補(bǔ)給發(fā)射周期、補(bǔ)給發(fā)射任務(wù)保障條件、補(bǔ)給方案與貨運(yùn)飛船補(bǔ)給方案的關(guān)系等開(kāi)展進(jìn)一步的論證分析工作。

[1] 楊濤.空間站軌道參數(shù)選擇[J].彈道學(xué)報(bào),1995,4:1-6.

[2] 范劍峰. 空間站軌道高度選擇[J]. 中國(guó)空間科學(xué)技術(shù), 1991, 11(4): 1-8.

[3] 葛姍姍, 曲晶. 后航天飛機(jī)時(shí)代國(guó)際空間站運(yùn)輸服務(wù)的新選擇[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 2011 (4): 28-31.

[4] 林木. 運(yùn)載火箭上面級(jí)功能與技術(shù)發(fā)展分析[J]. 上海航天, 2013, 30(3): 33-38.

[5] 唐軍剛, 陳塞崎, 陳益, 等. 國(guó)內(nèi)外運(yùn)載火箭上面級(jí)發(fā)展現(xiàn)狀分析[J]. 中國(guó)航天, 2012 (9): 5-10.