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IAA宇航研究小組——推進劑在軌加注站

國際宇航科學院研究中心2020-01-21 08:02:51

根據調查,對于LEO以上的任務,例如從LEOGTO,航天器大約需要LEO初始重量的42%的推進劑。對于這些特定任務,除了設計體積和推力更大的火箭,技術人員可以選擇熱核推進、太陽能、電推進等方式作為入軌后的動力,這樣也可以降低對火箭初始推力的要求。另外,作為一種替代方案,通過在軌加注推進劑的方式,也可以滿足這一要求。

1、推進劑空間加注系統架構

如果將推進劑空間加注站作為未來空間探測任務計劃的一個重要設施,加注站推進劑貯箱可以放置在LEO的不同位置,用以滿足衛星、載人探月、月球基地、小行星任務、載人探火、火星移民等多種不同的任務需求。

為滿足推進劑空間加注的任務需求,相關系統至少應該包括三個重要部分,分別是:1)一次性運載火箭ELVExpendable Launch Vehicle)和載人飛船CRVCrewReturn Vehicle);2Depot(加注站);3)空間飛行器。

2、推進劑空間加注站概念

加注站設想方案

推進劑在軌加注加注站的基本結構與“國際空間站”類似,其主要功能包括存儲、轉移推進劑,轉運載荷和宇航員,并能夠與各類航天器進行對接。

加注站推進劑的來源

考慮到在軌加注的可操作性和可重復性,加注站應該選用液體推進劑??梢允褂没鸺龑⑼七M劑從地球運送至LEO,也可以收集上面級剩余、殘留的推進劑。另外,也可以直接從地球將水運送至加注站,加注站將水電解獲得液氫和液氧,目前電解水技術已經在“國際空間站”等項目中得到了應用。

3、基于加注站的空間任務場景設計

1)地球軌道任務

基于LEO加注站可以滿足空間太陽能電站、空間站、航天器在軌服務、GEO衛星部署與推進劑加注、太空旅游等地球軌道任務的需求。

基于LEO加注站,地球軌道任務可以基于兩種方案實現:1)運載火箭將載荷送至LEO,火箭上面級在軌加注推進劑,上面級繼續將載荷運送至GEO、GTO等目標軌道,或者2)由火箭再將載荷運至LEO,由??吭?/span>LEO加注站的可重復使用轉移運載器將載荷運送至目標軌道?;?/span>LEO加注站,地球軌道載荷運載能力大約能夠提升100%~200%。

2)地月軌道任務

基于LEO加注站與地月L1平動點加注站可以滿足載人月球探測、地月空間站系統建設與推進劑加注、月球基地建設與運營等地月軌道任務的需求。

3)小行星任務

基于LEO加注站和地月L1平動點加注站可以滿足載人小行星探測等任務需求。

基于LEO加注站和地月L1平動點加注站的載人小行星探測任務涉及八個系統:1LEO加注站;2)地月L1平動點加注站;3)運載火箭;4)可重復使用上面級(RUS);5)可重復使用乘員轉移飛船(CTV);6)載人飛船(CRV);7)深空載人飛船(DSH);8)小行星探測器(AEV)。

4)火星任務

通過在軌加注的方案實現火星任務,其整個過程涉及8個系統:1LEO加注站;2)地月L1平動點加注站;3)火星軌道加注站與火星著陸器;4)運載火箭;5)可重復使用上面級(RUS);6)可重復使用乘員轉移飛船(CTV);7)載人飛船(CRV);8)深空載人飛船(DSH)。

4、在軌加注的關鍵技術及路線圖

低溫推進劑在軌存儲。低溫推進劑是空間運輸最經濟、有效的化學推進劑,但是由于低溫推進劑的沸點很低,在空間環境中很容易氣化,因此低溫推進劑在軌儲存的關鍵是控制推進劑的氣化率,一些有效的方法包括:隔熱、制冷、降低結構熱載等。

推進劑轉移。如何在空間微重力環境下,將加注站中的推進劑輸送至目標飛行器是推進劑在軌加注的關鍵。加注過程的具體實現,一方面取決于加注站貯箱和目標飛行器貯箱的結構設計,另一方面也依賴加注接口的設計。加注過程中,推進劑的溫度控制也需要注意。

加注站貯箱壓力控制。空間環境中,隨著推進劑氣化現象的發生,加注站貯箱壓力不斷變大,即使局部溫度上升都可能是致命危險。

推進劑加注過程的姿態控制。在軌加注過程中,需要保持加注站與目標飛行器的姿態穩定,還必須根據加注過程中因推進劑轉移帶來的質量變化情況采取自適應的姿態控制方案。

液體晃動與大型結構耦合動態建模與控制。由于在軌加注站貯存的推進劑質量非常大,因此液體推進劑的晃動會對加注站穩定造成非常嚴重的影響,這需要針對液體晃動與大型結構耦合動態建模。

加注站能源管理。加注站長期處于外空軌道,必須有足夠的能源供應以及有效的能源管理系統,系統相關技術涉及能源充放電技術、低溫推進劑真空冷槽技術、低溫推進劑溫控技術。

低加速沉淀。在空間微重力環境下,需要確保推進劑加注過程中的二相流分離。為保證推進劑轉移過程的質量準確,需要對推進劑流進行準確的計量控制。

低溫推進劑計量。包括低溫推進劑加注站中流速的計量,加注站貯箱中液位監測,以及加注站流體回路的壓力與溫度計量。

5、結論
  • 推進劑空間加注站能夠大幅降低空間探索的成本,并能夠推動新的項目的發展。

  • 空間加注站的建設應該采用漸進的方式,首先在2025年左右建立地球軌道加注站,然后2035年左右在地月平動點建立加注站。

  • 探索空間加注站運營的商業模式。

  • 空間加注站是一個大型的在軌空間系統,需要巨大的經費支出?;诖?,相關的國際合作是非常有必要的。

  • 空間加注站項目需要盡量多的國家和機構參加,但是必須有一個國家或機構來承擔協調人的角色。

  • 空間加注站相關的可行性研究應該盡快啟動,相關的研究機構和組織也應盡快成立。

  • 空間加注站作為國際性項目,相關的法律框架應盡早明確

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本課題由中國運載火箭技術研究院(航天一院)發起申請立項和牽頭開展研究工作,秘書單位為航天一院研發中心。

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*以上內容摘自國際宇航科學院研究小組報告,若您對報告內容感興趣,請聯系國際宇航科學院研究中心


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