交會對接發(fā)動機配置比較研究*

王 敏，解永春，張 昊，陳長青

(1.北京控制工程研究所，北京100190;2.空間智能控制技術重點實驗室，北京100190)

交會對接發(fā)動機配置比較研究*

王 敏1，2，解永春1，2，張 昊1，2，陳長青1，2

(1.北京控制工程研究所，北京100190;2.空間智能控制技術重點實驗室，北京100190)

介紹執(zhí)行空間交會對接任務的幾個典型的飛船的發(fā)動機配置，通過比較，分析執(zhí)行不同交會對接任務飛船的發(fā)動機配置的優(yōu)缺點，提出了交會對接任務發(fā)動機配置設計時需要考慮的因素，并得出一些具有共性的結論，為后續(xù)交會對接任務的發(fā)動機配置提供參考.

發(fā)動機;配置;交會對接

空間交會對接是航天領域一項非常復雜但又十分關鍵的技術，空間站、大型空間平臺的組裝以及為這些設施正常運轉而補充物資，加注燃料，提供維修服務，都離不開交會對接技術[1-2].

前蘇聯(lián)早在20世紀60年代就開始了空間交會對接技術的研究，近幾十年來已經(jīng)成功進行了一百多次空間交會對接.其開發(fā)的聯(lián)盟號載人飛船[3-4]，及其衍生物聯(lián)盟T、聯(lián)盟TM、聯(lián)盟TMA[5]，還有后來的進步號、進步M號和進步M1號貨運飛船已為空間站運送了多批航天員和物資.歐空局從20世紀80年代開始航天器的交會對接研究和地面試驗，并于2008年發(fā)射了ATV貨運飛船[6-7]與國際空間站(ISS)哥倫布實驗艙成功對接.日本在90年代先后兩次成功進行了工程試驗衛(wèi)星無人自動交會對接，并于2009年發(fā)射HTV貨運飛船[8-10]成功地為國際空間站補給了物資.中國多年來也一直在進行交會對接相關技術的研究，并于2011年進行了神舟八號與天宮一號的在軌交會對接試驗.

相比其他航天任務，空間交會對接對控制的高精度、多自由度和安全性提出了更高的要求.于是，作為控制系統(tǒng)執(zhí)行機構的發(fā)動機配置就成為關系交會對接任務成敗的關鍵因素之一.相比于一般任務的姿態(tài)軌道控制發(fā)動機配置，交會對接任務的發(fā)動機配置還需考慮多自由度交會機動時發(fā)動機的平移和姿態(tài)控制能力，在質心變化較大的情況下(如貨運船)發(fā)動機配置及其控制策略的適應性對組合體的控制能力，以及安裝位置對交會對接相對導航敏感器的影響等諸多因素.

本文將通過對聯(lián)盟飛船、ATV貨運船等執(zhí)行典型交會對接任務的飛船的發(fā)動機配置的比較，分析各飛船的發(fā)動機配置的優(yōu)缺點，并給出一些交會對接任務發(fā)動機配置設計需考慮的因素，得出一些具有共性的結論，為后續(xù)交會對接任務的發(fā)動機配置提供參考.

1 交會對接任務的發(fā)動機配置

1.1 聯(lián)盟飛船

俄羅斯聯(lián)盟號飛船是前蘇聯(lián)最成熟的一種載人航天器，聯(lián)盟TM是聯(lián)盟號的升級和替代物，主要執(zhí)行向和平號空間站和國際空間站運送宇航員工作組的任務.俄羅斯聯(lián)盟TM載人飛船共有27臺發(fā)動機[4]:1臺軌道控制發(fā)動機，推力約2940N，搖擺半錐角為5°;26臺姿態(tài)控制發(fā)動機分成不對稱的主、備兩路，主路有14臺推力為130N的大姿態(tài)控制發(fā)動機和6臺推力為26N的小姿態(tài)控制發(fā)動機，備路有6臺推力為26N的小姿態(tài)控制發(fā)動機.26臺姿態(tài)控制發(fā)動機中，尾部配置12臺，繞質心配置14臺.

進步M貨運船負責為空間站補充燃料、運送物資和帶走廢棄物，?？科陂g協(xié)助空間站進行軌道維持.其推進系統(tǒng)配置、工作原理、主要組件等均與聯(lián)盟TM基本一致，主要不同是進步M貨船發(fā)動機數(shù)量為29臺，比聯(lián)盟TM多2臺小姿態(tài)控制發(fā)動機.1.2 ATV貨運船

歐空局開發(fā)的ATV貨運船(如圖1[11])為ISS補充燃料、運送物資和帶走廢棄物，是迄今為止已發(fā)射使用的運載能力最大的專用貨運船.

圖1 ATV貨運船F(xiàn)ig.1 ATV

ATV的主推進系統(tǒng)包括4臺490N發(fā)動機，28臺220N姿態(tài)控制發(fā)動機，發(fā)動機配置如圖2[12]所示.4臺490N軌道控制發(fā)動機用于自身變軌和國際空間站提升軌道，安裝在推進艙底部.28臺220N姿態(tài)控制發(fā)動機中，推進艙后部安裝了 20臺，用于ATV姿態(tài)控制、交會機動、對接前的制動、分離機動以及碰撞規(guī)避機動.這20臺發(fā)動機分為4個五機機組對稱安裝在推進艙外壁，每個機組上有2臺發(fā)動機還用于制動，如圖3所示[12].另外8臺姿態(tài)控制發(fā)動機分4個雙機機組，對稱安裝在載荷艙的前錐段上，每個機組上含一臺主份發(fā)動機和一臺備份發(fā)動機，這些發(fā)動機用于增強飛行器的平移控制，如圖2所示[12].

圖2 ATV貨運船發(fā)動機配置Fig.2 Thruster configuration of ATV

圖3 姿態(tài)控制發(fā)動機配置Fig.3 Rear attitude control thruster configuration

整個推進系統(tǒng)可分為主份和備份兩個對等的部分.任務開始時選擇主份工作，一旦主份出現(xiàn)故障，立即整體切換到備份.在任務允許、有時間進行系統(tǒng)重構的情況下，才開展詳細的故障檢測、隔離和恢復工作.

1.3 HTV貨運船

日本的HTV貨運船(如圖4[10])是一個無人的服務和運輸工具，向 ISS運送貨物(但不運送推進劑)，不具有運輸可回收貨物返回地面的能力，離軌時從ISS上裝載廢棄物再入大氣層銷毀.

HTV的主推進系統(tǒng)包括4臺490N發(fā)動機，28臺110N姿態(tài)控制發(fā)動機[7-9].4個490 N的主發(fā)動機位于推進艙后部，用于軌道機動、離軌和防碰撞. 28臺姿態(tài)控制發(fā)動機用于滾動、俯仰、偏航的姿態(tài)控制和交會過程中的平移控制，對接前的制動，分離機動以及碰撞規(guī)避機動.推進艙后部安裝了16臺，分為2個5機組和2個3機組，前端貨艙增壓部分的外壁安裝了12臺，分為4個2機組和4個單機組.

1.4 神舟飛船

圖4 HTV貨運船發(fā)動機配置Fig.4 Thruster configuration of HTV

神舟載人飛船(如圖5[13])推進艙發(fā)動機主要用于完成整船三艙段飛行時的軌道和姿態(tài)控制以及返回前的制動和姿態(tài)控制.

神舟飛船的推進艙配置了3種28臺發(fā)動機，4臺2500N軌道控制發(fā)動機用于變軌控制、返回前的制動以及大氣層外應急救生控制時的制動或加速;8臺150N大姿態(tài)控制發(fā)動機和16臺25N小姿態(tài)控制發(fā)動機，通過不同組合可以產(chǎn)生若干種不同大小的控制力矩進行姿態(tài)控制.28臺發(fā)動機采用簡單的分組備份，分成完全對稱的主、備路，主路、備路發(fā)動機種類、臺數(shù)均相同.主、備路發(fā)動機可通過系統(tǒng)自鎖閥進行整組切換.

圖5 神舟飛船發(fā)動機配置Fig.5 Thruster configuration of ShenZhou manned spacecraft

與天宮一號執(zhí)行交會對接任務的神舟八號飛船，是空間交會對接任務的主動飛行器，其推進艙發(fā)動機除需完成上述功能外，還需能完成交會對接階段的平移控制和姿態(tài)控制.其發(fā)動機配置在繼承神舟飛船推進艙發(fā)動機配置的基礎上，在質心附近增加了8臺117N平移發(fā)動機和4臺150N反推發(fā)動機.

2 交會對接任務發(fā)動機配置的比較

由于HTV發(fā)動機配置情況尚無詳細資料，從整體布局來看與 ATV較為相近，故將神舟飛船推進艙、ATV、聯(lián)盟TM飛船執(zhí)行交會對接任務的發(fā)動機配置情況進行比較，見表1.

表1 交會對接任務發(fā)動機配置比較Tab.1 Comparison of thruster configurations for rendezvous and docking tasks

2.1 軌道控制發(fā)動機比較

2.1.1 交會對接軌道控制發(fā)動機配置需考慮的因素

交會對接任務的軌道控制發(fā)動機選擇，在其執(zhí)行一般任務的基礎上還需額外考慮以下幾點:

(1)保證遠程導引段的制導精度:軌道控制量的大小是影響軌道控制精度的主要因素之一，對于同樣大小的軌道控制量，發(fā)動機的開機時間增長勢必影響軌道控制精度.

(2)交會對接后對組合體的變軌能力:欲提升組合體軌道的變軌能力，則需考慮其對不同的組合體構型所產(chǎn)生的不同質心位置的適應性，即對組合體軌道控制產(chǎn)生的干擾力矩是否有足夠的姿態(tài)控制能力來進行抵消.

2.1.2 典型交會對接任務軌道控制發(fā)動機比較分析

由表1可以看出這幾種交會對接軌道控制發(fā)動機配置的優(yōu)缺點如下:

(1)聯(lián)盟TM

優(yōu)點:3000N推力發(fā)動機的軌道控制能力較強，開機時間較短，軌道控制精度較高;可搖擺過質心，對不同組合體構型質心變化的適應性相對較強.

缺點:僅有一臺軌道控制發(fā)動機，無備份，可靠性較低.

(2)ATV

優(yōu)點:4臺490N軌道控制發(fā)動機，變軌和制動時兩臺為主份，兩臺為備份，可靠性較高.

缺點:兩臺發(fā)動機開機時軌道控制能力約980N，相對較弱，相同軌道控制量下開機時間長，軌道控制精度較低;對組合體組裝過程和貨運飛船不同工作階段帶來的質心變化應對能力稍弱，軌道控制發(fā)動機工作時，需要打開姿態(tài)控制發(fā)動機抵消軌道控制發(fā)動機產(chǎn)生的干擾力矩，消耗燃料.

(3)神舟飛船

優(yōu)點:4臺軌道控制發(fā)動機，其中兩臺為主份，另外兩臺為備份，可靠性較高;兩臺發(fā)動機開機時軌道控制能力約5000N，比3000N的搖擺發(fā)動機軌道控制能力強，因此相同軌道控制量下開機時間短，軌道控制精度高.

缺點:對不同組合體構型質心變化的適應性比搖擺發(fā)動機弱.軌道控制發(fā)動機工作時，需要打開姿態(tài)控制發(fā)動機抵消軌道控制發(fā)動機產(chǎn)生的干擾力矩，消耗燃料.

2.2姿態(tài)控制和平移發(fā)動機比較

2.2.1 交會對接姿態(tài)控制和平移發(fā)動機配置需考慮的因素

交會對接任務的姿態(tài)控制和平移發(fā)動機配置的設計，一般需考慮以下幾點:

1)滿足交會對接對姿態(tài)和平移的控制能力要求;

2)對軌道控制發(fā)動機的備份能力;

3)對組合體變軌時的姿態(tài)控制能力;

4)對于質心變化情況的適應性;

5)發(fā)動機的安裝布局需考慮發(fā)動機開機對交會對接相對測量敏感器以及太陽帆板和紅外地球敏感器的影響;

6)主備份配置模式;

7)發(fā)動機管路的復雜性;

8)發(fā)動機開機控制算法的復雜性;

2.2.2 典型交會對接姿態(tài)控制和平移發(fā)動機配置比較分析

由表1可以看出這幾種交會對接姿態(tài)控制和平移發(fā)動機配置方案的優(yōu)缺點如下:

(1)聯(lián)盟TM

優(yōu)點:姿態(tài)控制和平移發(fā)動機有2種共26臺，發(fā)動機種類數(shù)量較少;發(fā)動機管路較為簡單;采用不對稱的主備份分組方案(主路可以單獨完成飛行任務，副路只能完成部分功能)，可靠性較高;設計GNC分系統(tǒng)發(fā)動機控制模式較為簡單.

缺點:對軌道控制發(fā)動機的備份能力較弱;由于在質心附近裝有14臺發(fā)動機，對質心變化情況的適應性較弱，質心變化后，平移發(fā)動機軌道控制需姿態(tài)發(fā)動機配合完成，平移控制能力也有所損失.

(2)ATV

優(yōu)點:姿態(tài)控制和平移發(fā)動機有1種共28臺，發(fā)動機種類數(shù)量較少;由于姿態(tài)控制發(fā)動機布局在前錐面和后端面，且交會對接時采用了一種新的查表法[11]，通過前后多個姿態(tài)控制推力器的配合，能適應質心變化較大的情況，便于模塊化設計，同時能更高效地實現(xiàn)交會對接位置和姿態(tài)的6自由度控制;ATV推進系統(tǒng)雖然也采用完全冗余的主備份方案，但是發(fā)動機上游管路設置了多個自鎖閥，發(fā)動機推進劑管路控制并非按主副路控制，若某個發(fā)動機發(fā)生故障，可以關閉其上游的自鎖閥，不必整路切換，因此系統(tǒng)的冗余度更高.

缺點:發(fā)動機控制算法較為復雜;管路系統(tǒng)方案比較復雜，導致系統(tǒng)干質量相對較重.

(3)神舟飛船

優(yōu)點:用于正推的4臺150N發(fā)動機對軌道控制備份能力較強;推進系統(tǒng)采用主副路完全備份發(fā)動機分組方案，主副路均可單獨完成飛行任務(自主交會對接段除外)，當一路中發(fā)動機發(fā)生故障時，可以整組切換至另一路.主、備份發(fā)動機安裝基本沿主軸對稱分布，產(chǎn)生的控制力矩基本相似，設計GNC分系統(tǒng)姿態(tài)控制模式較為簡單.

缺點:姿態(tài)控制和平移發(fā)動機有3種共36臺，發(fā)動機種類數(shù)量較多;由于在質心處裝有平移發(fā)動機，對質心變化情況的適應性較弱，質心變化后，平移發(fā)動機軌道控制需姿態(tài)發(fā)動機配合完成，平移控制能力也有所損失;該安裝位置使得平移發(fā)動機開機后會帶來較大的太陽帆板羽流干擾力矩;進入自主交會對接模式后，當同一控制通道中的一臺尾部姿態(tài)控制發(fā)動機與平移發(fā)動機配對工作時，只能由另一臺姿態(tài)控制發(fā)動機提供姿態(tài)控制動力，若姿態(tài)控制主份或備份發(fā)動機故障時，則無法同時完成軌道控制和姿態(tài)控制任務.

3 結 論

本文介紹了經(jīng)典交會對接任務的發(fā)動機配置，給出了一些交會對接任務發(fā)動機配置需考慮的因素.通過分析，比較了這些典型配置的優(yōu)缺點，得到了以下具有一定共性的結論:

1)選擇軌道控制能力較強的軌道控制發(fā)動機，有利于提高交會對接遠程導引段的制導精度;

2)對于沿主軸對稱配置的發(fā)動機配置，發(fā)動機數(shù)量少可能使控制能力和冗余度稍弱，但發(fā)動機控制策略和管路設計較為簡單;

3)如果通過發(fā)動機斜裝來增強耦合則可增強發(fā)動機配置的控制能力和冗余度，但同時又會造成管路和控制算法的復雜性;

4)姿態(tài)控制推力器安裝在質心附近和后端面的安裝布局，對于貨運船這類不同載貨配置下質心變化較大的情況，適應性較差，不利于模塊化設計，不如裝在前錐面與后端面的安裝布局適應性強;

5)發(fā)動機安裝在前錐面會使發(fā)動機管路加長，同時也需衡量其對相對測量敏感器的影響.

總之，交會對接任務的發(fā)動機配置是個復雜的問題，需考慮的影響因素很多，應根據(jù)任務的具體情況，從飛船整體出發(fā)，權衡各種因素選出最適合的方案.

[1] 馬婷婷，魏辰曦.空間交會對接概述[J].中國航天，2004(7):33-34 Ma T T，Wei C X.A brief introduction to space rendezvous&docking[J].Aerospace China，2004(7):33-34

[2] 周前祥，聯(lián)順國.空間交會對接技術及其發(fā)展趨勢[J].中國航天，1998(1):25-28 Zhou Q X，Lian S G.The development of rendezvous and docking[J].Aerospace China，1998(1):25-28

[3] Viehbock F.Soyuz-the Russian human transportation vehicle[C].AIAA Space Programs and Technologies Conference，Huntsville，AL，September 27-29，1994

[4] Hall R D，Shayler D J.聯(lián)盟號飛船[M].周曉飛，張柏楠，尚志等，譯.北京:中國宇航出版社，2006 Hall R D，Shayler D J.Soyuz-a universal spacecraft [M].Zhou X F，Zhang B N，Shang Z，et al，version. Beijing:China Astronautic Publishing House，2006

[5] 吳國興.俄羅斯的新型飛船——聯(lián)盟TMA(上)[J].國際太空，2003，8:20-24 Wu G X.Russia's new human transportation vehicle-Soyuz TMA[J].Space International，2003，8:20-24

[6] Labourdette P，Julien E，Chemama F，et al.ATV jules verne m ission maneuver p lan[C].The 21stInternational Sympolsium on Space Flight Dynamics，Toulouse France，September 28-October 2，2009

[7] 張艷麗.ATV、HTV與ISS交會對接技術分析[J].載人航天，2010:1-8 Zhang Y L.Analysis on rendezvous and docking techinique of ATV，HTV and ISS[J].Manned Spaceflight，2010:1-8

[8] Tanaka T.H-II transfer vehicle missions and capbilities [R].IAF-99-T.1.07

[9] Kawasaki.On-orbit demonstration and operations plan of the H-II transfer vehicle[R].IAF-00-T.2.08

[10] Satoshi U，Toru K，Hirohiko U.HTV rendezvous technique and GN&C design evaluation based on 1stflight on-orbit operation result[C].AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conference，Toronto，Ontario Canada，August 2-5，2010

[11] Martel F.Optimal simultaneous 6 axis command of a space vehicle with a precomputed thruster selection catalogue table[C].AAS 03-587，AAS/AIAA Astrodynamical Specialist Conference Meeting，Montana，Aug.，2003

[12] Silva N，Martel F，Delpy P.Automated transfer vehicle thrusters selection and management function[C].The 6thESA International Conference on Spacecraft Guidance，Navigation and Control Systems，ESA SP-606，F(xiàn)rance，2006

[13] 藏家亮.“神舟”號載人飛船推進分系統(tǒng)的研制[J].上海航天，2003，20(5):5-10 Zang J L.The development of the propulsion subsystem of shenzhou manned spacecraft[J].Aerospace Shanghai，2003，20(5):5-10

Com parison of Thruster Con figurations for the Rendezvous and Docking Task

WANG Min1，2，XIE Yongchun1，2，ZHANG Hao1，2，CHEN Changqing1，2
(1.Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China; 2.Science and Technology on Space Intelligent Control Laboratory，Beijing 100190，China)

Several typical thruster configurations of spacecrafts for rendezvous and docking task are introduced.Advantages and disadvantages of these thruster configurations are analyzed through comparison. Accordingly，some useful conclusions for the thruster configuration designs are obtained.In addition，some infectors that should be considered when designing a thruster configuration for rendezvous and docking task are also proposed.

thruster;configuration;rendezvous and docking

V448.22

A

1674-1579(2012)03-0042-05

10.3969/j.issn.1674-1579.2012.03.009

王 敏(1981—)，女，工程師，研究方向為航天器控制;解永春(1966—)，女，博士生導師，研究員，研究方向為空間交會對接和航天器智能自主控制;張 昊(1978—)，男，高級工程師，研究方向為空間交會對接;陳長青(1979—)，男，高級工程師，研究方向為交會對接的制導方法.

*國家自然科學基金資助項目(90305024).

2011-07-28