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IAA宇航研究小组——推进剂在轨加注站

国际宇航科学院研究中心2020-06-27 15:29:28

根据调查,对于LEO以上的任务,例如从LEOGTO,航天器大约需要LEO初始重量的42%的推进剂。对于这些特定任务,除了设计体积和推力更大的火箭,技术人员可以选择热核推进、太阳能、电推进等方式作为入轨后的动力,这样也可以降低对火箭初始推力的要求。另外,作为一种替代方案,通过在轨加注推进剂的方式,也可以满足这一要求。

1、推进剂空间加注系统架构

如果将推进剂空间加注站作为未来空间探测任务计划的一个重要设施,加注站推进剂贮箱可以放置在LEO的不同位置,用以满足卫星、载人探月、月球基地、小行星任务、载人探火、火星移民等多种不同的任务需求。

为满足推进剂空间加注的任务需求,相关系统至少应该包括三个重要部分,分别是:1)一次性运载火箭ELVExpendable Launch Vehicle)和载人飞船CRVCrewReturn Vehicle);2Depot(加注站);3)空间飞行器。

2、推进剂空间加注站概念

加注站设想方案

推进剂在轨加注加注站的基本结构与“国际空间站”类似,其主要功能包括存储、转移推进剂,转运载荷和宇航员,并能够与各类航天器进行对接。

加注站推进剂的来源

考虑到在轨加注的可操作性和可重复性,加注站应该选用液体推进剂。可以使用火箭将推进剂从地球运送至LEO,也可以收集上面级剩余、残留的推进剂。另外,也可以直接从地球将水运送至加注站,加注站将水电解获得液氢和液氧,目前电解水技术已经在“国际空间站”等项目中得到了应用。

3、基于加注站的空间任务场景设计

1)地球轨道任务

基于LEO加注站可以满足空间太阳能电站、空间站、航天器在轨服务、GEO卫星部署与推进剂加注、太空旅游等地球轨道任务的需求。

基于LEO加注站,地球轨道任务可以基于两种方案实现:1)运载火箭将载荷送至LEO,火箭上面级在轨加注推进剂,上面级继续将载荷运送至GEOGTO等目标轨道,或者2)由火箭再将载荷运至LEO,由停靠在LEO加注站的可重复使用转移运载器将载荷运送至目标轨道。基于LEO加注站,地球轨道载荷运载能力大约能够提升100%~200%

2)地月轨道任务

基于LEO加注站与地月L1平动点加注站可以满足载人月球探测、地月空间站系统建设与推进剂加注、月球基地建设与运营等地月轨道任务的需求。

3)小行星任务

基于LEO加注站和地月L1平动点加注站可以满足载人小行星探测等任务需求。

基于LEO加注站和地月L1平动点加注站的载人小行星探测任务涉及八个系统:1LEO加注站;2)地月L1平动点加注站;3)运载火箭;4)可重复使用上面级(RUS);5)可重复使用乘员转移飞船(CTV);6)载人飞船(CRV);7)深空载人飞船(DSH);8)小行星探测器(AEV)。

4)火星任务

通过在轨加注的方案实现火星任务,其整个过程涉及8个系统:1LEO加注站;2)地月L1平动点加注站;3)火星轨道加注站与火星着陆器;4)运载火箭;5)可重复使用上面级(RUS);6)可重复使用乘员转移飞船(CTV);7)载人飞船(CRV);8)深空载人飞船(DSH)。

4、在轨加注的关键技术及路线图

贝博网站多少推进剂在轨存储。贝博网站多少推进剂是空间贝博app体育最经济、有效的化学推进剂,但是由于贝博网站多少推进剂的沸点很低,在空间环境中很容易气化,因此贝博网站多少推进剂在轨储存的关键是控制推进剂的气化率,一些有效的方法包括:隔热、制冷、降低结构热载等。

推进剂转移。如何在空间微重力环境下,将加注站中的推进剂输送至目标飞行器是推进剂在轨加注的关键。加注过程的具体实现,一方面取决于加注站贮箱和目标飞行器贮箱的结构设计,另一方面也依赖加注接口的设计。加注过程中,推进剂的温度控制也需要注意。

加注站贮箱压力控制。空间环境中,随着推进剂气化现象的发生,加注站贮箱压力不断变大,即使局部温度上升都可能是致命危险。

推进剂加注过程的姿态控制。在轨加注过程中,需要保持加注站与目标飞行器的姿态稳定,还必须根据加注过程中因推进剂转移带来的质量变化情况采取自适应的姿态控制方案。

液体晃动与大型结构耦合动态建模与控制。由于在轨加注站贮存的推进剂质量非常大,因此液体推进剂的晃动会对加注站稳定造成非常严重的影响,这需要针对液体晃动与大型结构耦合动态建模。

加注站能源管理。加注站长期处于外空轨道,必须有足够的能源供应以及有效的能源管理系统,系统相关技术涉及能源充放电技术、贝博网站多少推进剂真空冷槽技术、贝博网站多少推进剂温控技术。

低加速沉淀。在空间微重力环境下,需要确保推进剂加注过程中的二相流分离。为保证推进剂转移过程的质量准确,需要对推进剂流进行准确的计量控制。

贝博网站多少推进剂计量。包括贝博网站多少推进剂加注站中流速的计量,加注站贮箱中液位监测,以及加注站流体回路的压力与温度计量。

5、结论
  • 推进剂空间加注站能够大幅降低空间探索的成本,并能够推动新的项目的发展。

  • 空间加注站的建设应该采用渐进的方式,首先在2025年左右建立地球轨道加注站,然后2035年左右在地月平动点建立加注站。

  • 探索空间加注站运营的商业模式。

  • 空间加注站是一个大型的在轨空间系统,需要巨大的经费支出。基于此,相关的国际合作是非常有必要的。

  • 空间加注站项目需要尽量多的国家和机构参加,但是必须有一个国家或机构来承担协调人的角色。

  • 空间加注站相关的可行性研究应该尽快启动,相关的研究机构和组织也应尽快成立。

  • 空间加注站作为国际性项目,相关的法律框架应尽早明确

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    本课题由中国运载火箭技术研究院(航天一院)发起申请立项和牵头开展研究工作,秘书单位为航天一院研发中心。

     

    *以上内容摘自国际宇航科学院研究小组报告,若您对报告内容感兴趣,请联系国际宇航科学院研究中心


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