劉曉豐　何欣

摘 要 針對衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計周期長、成本高、故障復(fù)現(xiàn)難度大等特點(diǎn)，文章利用數(shù)值仿真的方法構(gòu)建了一種推進(jìn)系統(tǒng)仿真平臺。該仿真平臺由衛(wèi)星模擬系統(tǒng)、環(huán)境動力學(xué)模擬系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和仿真時間管理系統(tǒng)四部分組成，四個模擬系統(tǒng)完成對衛(wèi)星、空間環(huán)境、以及地面遙測遙控的模擬。在該平臺下對推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了總體仿真。該仿真平臺能夠?yàn)橥七M(jìn)系統(tǒng)故障復(fù)現(xiàn)與診斷提供支持。

關(guān)鍵詞 推進(jìn)系統(tǒng)；仿真；故障診斷

中圖分類號：V416 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）14-0009-02

航天器推進(jìn)系統(tǒng)承載著衛(wèi)星軌道與姿態(tài)控制、軌道與姿態(tài)機(jī)動及位置保持等各種功能。推進(jìn)系統(tǒng)在衛(wèi)星上扮演重要角色，其性能好壞，直接影響衛(wèi)星的控制精度、壽命與可靠性；航天器推進(jìn)系統(tǒng)絕大部分時間處于落壓式工作階段，并且推力器的推力是不穩(wěn)定的，尤其是處于落壓式工作階段，因而產(chǎn)生的力與力矩的大小也不是恒定的。工程實(shí)踐表明，非穩(wěn)態(tài)階段推進(jìn)系統(tǒng)各物理參數(shù)急劇變化，是推進(jìn)系統(tǒng)故障發(fā)生的敏感期，還可將仿真結(jié)果用于故障復(fù)現(xiàn)仿真系統(tǒng)。

航天器推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，研制生產(chǎn)周期長，試驗(yàn)成本高，試驗(yàn)安全性要求高。大量的研究工作依靠試驗(yàn)來完成是不經(jīng)濟(jì)的，有些甚至是不可能的。數(shù)值仿真技術(shù)的出現(xiàn)為解決研制、試驗(yàn)過程中的一些難題提供了一個很好的平臺。與試驗(yàn)相比，數(shù)值仿真不受外部條件制約，具有優(yōu)良的可控性和無破壞性，可重復(fù)使用。基于理論模型的數(shù)值仿真可以在一定程度上分析和預(yù)估推進(jìn)系統(tǒng)性能，為推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計和研制提供有價值的參考。數(shù)值仿真和試驗(yàn)相結(jié)合，可以顯著降低研制成本，縮短研制周期，已經(jīng)成為現(xiàn)代航天領(lǐng)域普遍采用的研究方法[1]。

1 推進(jìn)系統(tǒng)組成與工作原理

1.1 推進(jìn)系統(tǒng)的組成

以某衛(wèi)星平臺為例，推進(jìn)系統(tǒng)主要的部件包括貯箱（氧化劑箱和還原劑箱）、氣瓶（2個氦氣瓶）、1臺遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動機(jī)、12個姿控推力器以及一些閥門。推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)的模塊劃分

根據(jù)推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，推進(jìn)系統(tǒng)可以劃分成以下模塊：貯箱模塊、氣瓶模塊、推力器模塊和遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動機(jī)模塊。

1.2.1 貯箱

貯箱分為氧化劑箱和燃料箱兩部分，可以通過閥門的開關(guān)以及燃料的流速控制貯箱內(nèi)的壓力以及燃料變化。除此以外，貯箱的一些相關(guān)參數(shù)還與貯箱的溫度有關(guān)。

1.2.2 高壓氣瓶

高壓氣瓶內(nèi)儲存的氣體是一般氦氣。氣瓶是與貯箱相連接的。在推力器或遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動機(jī)工作時，必須保證貯箱內(nèi)有一定的壓力，從而把燃料和氧化劑從氣瓶內(nèi)壓出，而氣瓶正是保障貯箱內(nèi)保持預(yù)期壓力的裝置。

1.2.3 推力器

推力器是衛(wèi)星進(jìn)行姿態(tài)控制，東西位置保持和南北位置保持以及軌道機(jī)動等的主要部件。某衛(wèi)星平臺有12個姿控推力器。推力器模塊主要功能是計算推力器提供的推力，如果推進(jìn)系統(tǒng)恒壓工作，姿控推力器提供的推力是額定值；如果落壓工作，那么推力器提供的推力與燃燒室的壓力有關(guān)。

1.2.4 軌控發(fā)動機(jī)

某衛(wèi)星平臺軌控發(fā)動機(jī)提供的標(biāo)準(zhǔn)推力為軌控。如果推進(jìn)系統(tǒng)恒壓工作，軌控遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動機(jī)提供的推力是軌控；如果推進(jìn)系統(tǒng)落壓工作，遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動機(jī)提供的推力與燃燒室的壓力

有關(guān)。

2 推進(jìn)系統(tǒng)的仿真平臺的架構(gòu)設(shè)計

在星箭分離后，第一次遠(yuǎn)地點(diǎn)點(diǎn)火前，所有推力器按落壓式工作，預(yù)充的氦氣作為擠壓氣體；由姿控推力器完成星箭分離后阻尼，太陽捕獲并建立繞負(fù)Z軸的慢旋。遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動在推進(jìn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動機(jī)點(diǎn)火是按恒壓工作模式，高壓氣路和液體主管路的常閉電爆閥通電打開，減壓器處于工作狀態(tài)；為防止推進(jìn)劑蒸汽混合，在減壓器下游設(shè)置單向閥；由姿控推力器，把衛(wèi)星調(diào)整到遠(yuǎn)地點(diǎn)點(diǎn)火姿態(tài)，姿控推力器使推進(jìn)劑沉底。遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動機(jī)點(diǎn)火期間，姿控推力器保持穩(wěn)定點(diǎn)火姿態(tài)。遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動機(jī)變軌完畢后，常開電爆閥通電，使之關(guān)閉。這樣遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動機(jī)、高壓氣瓶、減壓閥和單向閥等與正常軌道運(yùn)行的貯箱，自鎖閥和姿控推力器等部件隔開。推進(jìn)系統(tǒng)按落壓式工作，完成衛(wèi)星姿控，東西位置保持和南北位置保持。星上12臺姿控推力器分為兩個獨(dú)立互為備份的半系統(tǒng)。

姿控推力器除了完成衛(wèi)星姿控和南北位置保持等機(jī)動任務(wù)外，還可作為軌控發(fā)動機(jī)備份，在軌控發(fā)動機(jī)出現(xiàn)故障時，由多臺姿控推力器完成轉(zhuǎn)移軌道的變軌任務(wù)，因此要求姿控推力器具有高總沖和長壽命。

此外，衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)與熱控系統(tǒng)、姿軌控、遙測遙控系統(tǒng)之間是耦合的。貯箱和氣瓶的壓力與溫度有關(guān)，推進(jìn)系統(tǒng)的閥門的開關(guān)需要地面提供遙控指令。

根據(jù)衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)工作原理，推進(jìn)系統(tǒng)的總體仿真平臺結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 推進(jìn)系統(tǒng)總體仿真

本文編寫了衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)仿真平臺軟件，包括對衛(wèi)星姿軌控、天體、衛(wèi)星熱控系統(tǒng)以及時間系統(tǒng)、三維演示系統(tǒng)的模擬。對衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了總體仿真。仿真數(shù)據(jù)一方面發(fā)送到OSG進(jìn)行三維演示，另一方面歸檔至Acess數(shù)據(jù)庫，如圖3所示。

三維演示模型可以獲得推進(jìn)系統(tǒng)各個部件參數(shù)的瞬時數(shù)據(jù)，通過半實(shí)物仿真很好的實(shí)現(xiàn)了所有的數(shù)據(jù)傳輸，對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行直觀的分析。

4 結(jié)論

本文主要介紹了衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)的組成、工作原理、推進(jìn)系統(tǒng)部件模型以及組件建立的方法，用C++編寫了推進(jìn)系統(tǒng)的仿真程序，對推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。該仿真平臺能夠?yàn)楣收显\斷與復(fù)現(xiàn)提供支持。

參考文獻(xiàn)

[1]毛根旺，唐金蘭，等.航天器推進(jìn)系統(tǒng)及其應(yīng)用[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2009：73-190.

作者簡介

劉曉豐（1984-），男，漢族，吉林長春人，碩士，主要從事空間光學(xué)遙感技術(shù)，衛(wèi)星系統(tǒng)仿真。

何欣，研究員，吉林長春人，主要從事光學(xué)遙感技術(shù)。endprint