唐飛 梁軍強 馬云華 （北京控制工程研究所）

風云-4衛(wèi)星推進系統(tǒng)提升我國航天器空間進入能力

FY-4 Satellite Propulsion System Enhances China's Capability to Access Space

唐飛 梁軍強 馬云華 （北京控制工程研究所）

2016年12月11日，我國風云-4氣象衛(wèi)星發(fā)射成功，歷經5次遠地點變軌和2次近地點捕獲后，于12月17日成功定點于105°（E）赤道上空，使我國成為繼日本和美國后成功發(fā)射新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星的國家。作為新一代氣象衛(wèi)星的首發(fā)科研衛(wèi)星，風云-4衛(wèi)星采用了北京控制工程研究所設計的先進推進系統(tǒng)技術，能夠實現(xiàn)推進系統(tǒng)的混合比調節(jié)和推進劑剩余量精確測量，是我國第一個真正實現(xiàn)在軌推進系統(tǒng)技術指標主動調節(jié)的航天器。風云-4衛(wèi)星推進系統(tǒng)的完美表現(xiàn)，不僅是北京控制工程研究所航天器推進系統(tǒng)設計能力的體現(xiàn)，同時也是大幅度提升我國航天器空間進入能力的一次展示。

1 引言

與以往高軌衛(wèi)星不同，風云-4衛(wèi)星屬于桁架式結構，推進系統(tǒng)采用4個貯箱，其中氧化劑貯箱和燃燒劑貯箱各2個，它們之間采用并聯(lián)交錯布置的安裝方式。若2個并聯(lián)貯箱不能夠實現(xiàn)平衡排放，將會產生嚴重的后果。首先，會導致質心偏移，增加姿態(tài)控制的難度和成本，嚴重時甚至會導致衛(wèi)星姿態(tài)失控；其次，單個貯箱排空后可能會導致貯箱內的增壓氦氣進入管路，這些都會給衛(wèi)星的正常運行帶來危險。

同時，風云-4衛(wèi)星發(fā)射入軌后，其推進系統(tǒng)需要解決下一個面臨的問題，即推進劑的剩余情況。事實上，空間液體推進劑剩余量測量正是伴隨著液體推進劑在航天器上的使用而出現(xiàn)的航天技術難題。準確可靠的空間液體推進劑剩余量測量，不僅是航天技術發(fā)展本身提出的急需解決的課題，而且也是能夠帶來顯著經濟效益和航天器在軌管理效益的關鍵技術。對于大平臺的高軌衛(wèi)星，液體推進劑快耗盡時的準確測量和預報更加重要，不僅影響實際的經濟效益，而且關系到空間軌道資源的利用率。

為了解決上述問題給航天器帶來的困擾，風云-4衛(wèi)星推進系統(tǒng)配置了獨特的模塊——氣體旁路模塊。該模塊獨立于氣體增壓模塊，由氣瓶直接連接至推進劑貯箱?？紤]到貯箱補氣和采用氣體激勵法準確控制由氣瓶注入貯箱內的氦氣量，所以在旁路系統(tǒng)上設置了氣容。旁路上還設置了一些閥門，按一定的時序工作，可實現(xiàn)推進劑剩余量的精確測量以及貯箱之間推進劑平衡排放的功能。

2 風云-4衛(wèi)星推進系統(tǒng)研制歷程簡介

回首十多年來風云-4衛(wèi)星推進系統(tǒng)的研制歷程，作為當時在研的推進系統(tǒng)技術指標要求最高的航天器，整個研制過程中需要克服重重困難。在北京控制工程研究所及推進系統(tǒng)部各級領導、型號兩總的精心指揮和周密部署下，推進系統(tǒng)研制隊伍堅持緊握戰(zhàn)勝困難的幾大法寶，有力踐行“嚴、慎、細、實”的優(yōu)良工作作風，不放過任何一個問題，落實每一處技術細節(jié)，為推進系統(tǒng)在軌的完美表現(xiàn)奠定了堅實基礎。在模樣和初樣研制階段，先后開展了推進系統(tǒng)仿真分析、全系統(tǒng)水力學試驗、整星熱試車等分析和試驗驗證工作，對整個推進系統(tǒng)的性能和可靠性進行了全面的分析和驗證。2014年，風云-4衛(wèi)星推進分系統(tǒng)轉入正樣研制階段。2016年10月，衛(wèi)星推進分系統(tǒng)完成出廠研制工作。

3 風云-4衛(wèi)星推進系統(tǒng)主要技術特點

推進分系統(tǒng)由北京控制工程研究所設計研制。相對于東方紅-3、4平臺，風云-4衛(wèi)星采用四貯箱并聯(lián)結構，系統(tǒng)設計上增加了氣體旁路，以滿足推進劑剩余量精確測量和平衡排放精確控制問題，同時解決了氣路系統(tǒng)單點故障問題，提高了系統(tǒng)的可靠性。與此同時，風云-4衛(wèi)星推進系統(tǒng)采用高精度壓力傳感器、增加旁路系統(tǒng)調壓控制和剩余量測量功能，在線路小型化的基礎上適當增加閥門驅動備份功能。

風云-4衛(wèi)星的發(fā)射質量為5400kg，可以攜帶的推進劑質量為3100kg，能夠滿足在軌7年的壽命要求。其推進系統(tǒng)在軌期間完成的主要任務包括：衛(wèi)星變軌機動、同步軌道定點捕獲、位置保持以及衛(wèi)星各階段姿態(tài)控制和調整。

風云-4衛(wèi)星推進系統(tǒng)的技術特點主要包括：

1）該衛(wèi)星推進系統(tǒng)的推進劑剩余量測量精度是國內在軌飛行器中最高的。傳統(tǒng)雙組元衛(wèi)星一般采用“壓力-體積-溫度”法和記賬法對在軌衛(wèi)星推進劑剩余量進行測量，測量精度約為6個月；而風云-4衛(wèi)星推進系統(tǒng)采用氣體注入法進行推進劑剩余量測量，測量精度約為1.5個月。

2）該衛(wèi)星推進系統(tǒng)在國內飛行器中首次具備混合比主動調節(jié)功能。傳統(tǒng)雙組元衛(wèi)星推進系統(tǒng)混合比的要求為1.65±3%；風云-4衛(wèi)星推進系統(tǒng)由于具有系統(tǒng)混合比調節(jié)功能，能夠精確控制貯箱推進劑的不平衡排放，因此推進系統(tǒng)混合比指標優(yōu)于1.65±2%。

3）該衛(wèi)星推進系統(tǒng)首次解決了雙組元推進系統(tǒng)的減壓器單點故障問題。以往雙組元衛(wèi)星推進系統(tǒng)的減壓器作為分系統(tǒng)的單點故障，沒有功能冗余，減壓功能失效，會使貯箱壓力升高，威脅整星安全；由于設置了氣體旁路，風云-4衛(wèi)星推進系統(tǒng)主氣路減壓器如果發(fā)生故障，可以切換旁路并結合閥門開關時序，使整個系統(tǒng)維持恒壓工作模式，避免整星工作失效。

風云-4衛(wèi)星推進系統(tǒng)的研制成功主要突破了如下關鍵技術。

1）推進系統(tǒng)地面水試和熱試技術。新平臺衛(wèi)星推進技術在轉正樣研制前，需要開展地面水試星和熱試星工作。試驗中，需要通過協(xié)調模式、點火模式、水擊模式、旁路工作模式等試驗，驗證推進系統(tǒng)的系統(tǒng)匹配性、整星推進劑加注流程的合理性、氣體旁路工作時序的合理性以及水擊工作的系統(tǒng)安全性，并考核氣體注入法的推進劑剩余量測量精度以及系統(tǒng)混合比調節(jié)能力。通過多輪重復的水試和熱試試驗，充分驗證了風云-4衛(wèi)星推進系統(tǒng)設計的合理性和可靠性。

2）高精度的推進系統(tǒng)仿真技術。高精度的推進系統(tǒng)仿真技術，包括推進系統(tǒng)單機產品特性仿真建模和推進系統(tǒng)性能高精度數(shù)值仿真軟件兩部分。開展衛(wèi)星推進系統(tǒng)常用液路組件流動的特性驗證試驗，結合單機產品特性的專項測試結果，對單機仿真模型的流量壓降特性進行校準，提高單機產品的仿真模型精度。在單機仿真模型基礎上，研制雙組元推進系統(tǒng)性能的高精度數(shù)值仿真軟件，進行系統(tǒng)工作過程中的流量-壓降特性、水擊效應、推進系統(tǒng)極限情況下的性能仿真分析等，提高推進系統(tǒng)工作的可靠性。

3）推進系統(tǒng)聯(lián)調聯(lián)試平臺技術。推進系統(tǒng)聯(lián)調聯(lián)試平臺包括氣路系統(tǒng)（帶電爆閥）試驗驗證系統(tǒng)、電性能測試驗證系統(tǒng)、液路系統(tǒng)聯(lián)調聯(lián)試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及測試系統(tǒng)。進行推進系統(tǒng)正常性能試驗驗證、啟動沖擊試驗、拉偏工況試驗驗證、系統(tǒng)故障試驗驗證，具備真實推進系統(tǒng)的聯(lián)調聯(lián)試試驗驗證能力。對系統(tǒng)性能進行充分的測試與驗證，包括系統(tǒng)各點的流量、壓降特性，單機出現(xiàn)故障后的系統(tǒng)性能的試驗與驗證，系統(tǒng)改進后的技術驗證等。

4 風云-4衛(wèi)星推進系統(tǒng)在軌運行情況

2016年12月11日，風云-4衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心由長征-3B運載火箭發(fā)射，星箭分離后推進系統(tǒng)的所有遙測參數(shù)正常。

2016年12月11日-16日，衛(wèi)星進行5次遠地點點火工作，推進系統(tǒng)工作正常。在490N發(fā)動機工作過程中，推進系統(tǒng)的混合比滿足總體的技術要求。其中，平衡排放指標滿足總體的技術要求。隨后，進行了2次定點捕獲，10N推力器工作正常。

2016年12月30日，衛(wèi)星推進系統(tǒng)開啟氣體旁路，利用氣體注入法對4個推進劑貯箱進行了推進劑剩余量測量，綜合控制系統(tǒng)姿態(tài)計算及軌道轉移期間的計算結果，推進劑剩余量測量精度滿足總體技術要求。

綜合來看，風云-4衛(wèi)星推進系統(tǒng)變軌過程表現(xiàn)出色，各項指標均滿足任務要求，為后續(xù)大型桁架式高軌衛(wèi)星推進系統(tǒng)設計提供了成功經驗。

5 結束語

風云-4衛(wèi)星推進系統(tǒng)是我國繼東方紅-3、東方紅-4大平臺衛(wèi)星之后，性能又一次實現(xiàn)跨越式升級的推進系統(tǒng)，它突破了多項關鍵技術，擁有多項自主知識產權，技術流程復雜、研制難度大，系統(tǒng)的主要指標和性能參數(shù)達到了國際同類產品的先進水平。

該衛(wèi)星推進系統(tǒng)的成功研制，為我國全面進入空間領域奠定了基礎，依托該桁架式平臺結構及氣體旁路技術，未來可以研制大平臺、多貯箱、對接靈活的推進模塊，以適應更加復雜多樣化的航天任務。