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贮箱里面变魔法,卫星在轨延寿命

2019-01-15 08:52来源:科技日报

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  2018年11月19日,中国利用“一箭双星”发射方式,再次将两颗北斗卫星送入轨道。截至2018年11月底,以长征五号发射、嫦娥四号探月、北斗卫星组网为代表,我国在2018年已经进行了34次航天发射活动,发射次数遥遥领先于其他航天发射大国。

  在这些重要的航天器中,微重力流体的高效管理和高精度控制至关重要。目前,我国已经自主研制成功了板式表面张力贮箱系统,并成为世界上第二个掌握基于板式表面张力贮箱的卫星推进剂在轨加注关键技术的国家。而更令人赞叹的是,研制这些技术的是中国航天科技集团北京控制工程研究所的一支年轻的“80后”团队。

  历时十年攻关,该团队凭借“微重力流体高效管理与高精度控制技术及工程应用”项目,获得2017年度北京市科学技术奖一等奖。

  填补板式贮箱空白,实现流量的高精度测量

  在轨卫星是对国家安全和国民经济建设具有重要意义的空间资源。卫星的成本很高,而目前卫星寿命的终结主要源于推进剂耗尽和管理失效,如果能在太空为其补加燃料,实现卫星推进剂的重复加注和高效利用,带来的经济效益将十分可观。

  通常,卫星贮箱中的流体都是由惰性气体和推进剂组成,根据需求将液体推进剂挤压进卫星发动机。与地面环境不同的是,在微重力环境下,气液不会出现上下分层,而是处于悬浮状态。要为在轨卫星发动机提供不夹气的推进剂,最大限度实现推进剂的有效利用,就需要克服四大难题:难定位、难测量、难控制、难补给。

  “我国以往的贮箱中,大部分用的都是网式表面张力贮箱,利用毛细网来实现对液体的管理。由此带来的问题是,由于结构限制,在微重力环境下网式表面张力贮箱的流体阻力非常大,因而不能大流量、重复加注,相对板式表面张力贮箱存在重量偏大、结构复杂的劣势。”项目主要完成人之一、北京控制工程研究所“80后”高级工程师庄保堂介绍,为解决这一问题,他们经过反复实验,摸索出微重力流体在辐射状蓄液片与圆锥外壳结合结构的蓄留稳定性规律,由此发明了我国首个轻质长寿命双叶片板式贮箱。它的蓄液器内部金属板呈辐射状排列,而主导流板内部则是内外交错分布的导流叶片,可实现气液高效分离和推进剂贮箱的在轨重复加注,挤出效率达99.85%,达到国际先进水平。

  “板式贮箱的优点主要体现在两个方面,一是能够确保把液体排出同时不排出气体,二是可以实现推进剂的大流量可重复加注。”庄保堂讲到,板状的结构能够解决蓄留液体的问题,同时能够将液体传输到指定位置。通过微重力落塔实验,他们获得了微重力液体蓄留规律、传输速度等特性,由此设计并优化了板式贮箱的结构。研制过程中,团队成员经过反复设计、数值仿真、微重力试验、地面试验,多次进行技术改进,完成了样机研制,最终形成了板式贮箱产品研制。

  与此同时,项目团队也在思考,如何提升剩余流量的测量精度,来更加精准地预测卫星使用寿命。“以往一般是通过压力、温度变化等参数来计算。当预测到推进剂燃料即将用完时,会让卫星离轨。”但这些方式的估算精度比较低,大约误差正负六个月左右。其团队脑洞大开,创造性地发明了一种适用于卫星推进系统的高精度超声波流量计,可以通过超声波的方式,以其穿过液体的时间差来测算流速,进一步计算推进计量。该项技术将测量精度提高了一倍,卫星寿命估算误差降到了正负三个月,从而有效节省了卫星成本。目前,已经完成了在轨验证,并将应用于东方红五号卫星平台研制。

  着眼技术细节,开拓流体管理系统的工程应用

  “天高地迥,觉宇宙之无穷。”在不断仰望星空的过程中,新一代航天人正着眼当下每一个技术细节,精益求精。

  无论是流量的驱动还是液体的传输,泵都是其中的核心部件。目前空间上所使用的泵大部分都是通过电机主轴直接驱动的,以电机轴驱动叶轮旋转,从而把液体输送出去,但这种结构不能很好地解决介质相容性问题。庄保堂团队发明了一种通过磁力驱动叶轮旋转,从而把电机与叶轮完全隔离开,完美解决了推进剂对电机的腐蚀性问题。

  此外,想要完成重复加注任务,服务卫星和在轨卫星需要进行对接,在太空进行这种无人操作,复杂性高、难度大,且对于对接精准度的要求极高。项目组研究出了一种基于球面轴承和浮动弹簧组的五自由度位置与姿态误差方法,建立起接口柔顺对接动力学模型并进行结构优化设计,并提出一种基于螺线管式的电磁驱动锁紧方法和复合式接口密封结构,解决了卫星密封接口高精度、自导向、柔顺自主对接等难题。

  目前,“微重力流体高效管理及其高精度控制技术”已经推广至多家单位,实现规模化生产,切实服务于我国通信、遥感、科学探测等国家重大工程。该系列技术应用在40颗高低轨卫星,全面提升了我国卫星的技术水平和品质,并实现多颗卫星出口,服务“一带一路”倡议。此外还带动了相关流体类产品的研制和应用,比如贮箱类、流量计类、微型泵、传感器类、阀门类等前沿技术研究和产品研制。该套技术正转化于其他民用领域,如人工心脏泵、医疗计量器械、汽车热控系统等。

  新时代航天探索,不断迈向远方

  改革开放以来,国家经济实力稳步提升,不仅为航天事业的发展提供了强大的物质基础,更注入了宝贵的无形资产,创新意识、以人为本、可持续发展等伴随着改革开放诞生成长的先进理念,使航天事业获得了更加强大的加速推力。

  庄保堂是2011年来到中国航天科技集团北京控制工程研究所工作的。当时,我国的航天正处于蓬勃发展期,这也是他工作之后参与的第一个重要项目。团队共有十多个人,基本上都是跟他同龄的“80后”们,充满了锐气。“航天报国的梦想,让大家凝聚在一起。这些年轻人都梦想着自己的科研成果能够飞向太空,那会有无限的自豪感。”他说。

  “项目的首席专家潘海林,以及副所长李永给我们年轻人奠定了很好的研究基础。”在团队中,庄保堂主要负责课题的组织、任务的分解、贮箱的研究等,“老专家带队把关,年轻人把人员组织好、把活儿做好。”他说。科研过程不是一蹴而就的,总会面临很多新问题,需要团队携手一步步攻克。庄保堂清晰地记得,在最初缺少资料的情况下,团队每天头脑风暴做多轮设计,加班已成为家常便饭,甚至放弃节假日;在样机的实验和测试阶段,有任何一项指标不合格,都会仔细地去寻找原因,重新修改与优化。“在这样的不断试错中,获取了更多的技术更新和经验积累。”

  作为在改革开放背景下成长的青年科技工作者,庄保堂切身感受到了国家对于年轻人创新的鼓励,感受到老一辈航天人对年轻人的支持和肯定,让年轻人冲在前面,让他们首先享受到丰收的果实。无论是科研经费,还是职称评定、奖励申报,都给了年轻人足够的科研动力。此外,舍得投入、宽容失败,鼓励大家放心去做、大胆去想的机制激励着他们一步步推进创新与变革。庄保堂讲到,正是一次次的大胆尝试,否定再否定、颠覆再颠覆,让他们快速成长。

  美国国家航空航天局2015年发布的《NASA技术路线图》将“推进剂储存与输送”列入空间推进技术的重要发展方向之一。我国《“十三五”国家科技创新规划》将“深空探测及空间飞行器在轨服务与维护系统”列入重大项目,在轨存储与补给是该项目的核心支撑技术。

  “改革开放为我国的航天事业注入了强大动力。”庄保堂对于自己所从事的领域充满了信心,“我们现在已经逐步迈入航天强国。很荣幸自己能够成为其中的一份子,作为在改革开放中成长的新一代青年,我们将继续不断探索,把个人选择和国家需要联系在一起,为祖国赢得荣誉的同时,实现自己的人生价值,与祖国的科技进步同行。”(钱力)

[责编:蔡琳]

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