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衛(wèi)星在軌加注技術(shù) 版權(quán)信息
- ISBN：9787030670175
- 條形碼：9787030670175 ; 978-7-03-067017-5
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊(cè)數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
衛(wèi)星在軌加注技術(shù) 內(nèi)容簡介
《衛(wèi)星在軌加注技術(shù)(精)》聚焦衛(wèi)星在軌加注技術(shù)(精)，按任務(wù)流程將其總結(jié)為“安全接近—可靠對(duì)接—穩(wěn)定傳輸—準(zhǔn)確測(cè)量”等過程，并以此為主線，分別提煉出近距離接近與避撞、空間軟對(duì)接、流體傳輸與管理、剩余量與流量高精度測(cè)量、任務(wù)規(guī)劃等工程問題和相應(yīng)的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)、密封面分形理論、微重力流體特性、多物理場(chǎng)耦合等科學(xué)問題，系統(tǒng)闡述作者團(tuán)隊(duì)持續(xù)十余年理論攻關(guān)與工程實(shí)踐的研究成果。
衛(wèi)星在軌加注技術(shù) 目錄
目錄
序
前言
第1章 緒論 1
1.1 衛(wèi)星在軌加注概念內(nèi)涵 2
1.2 衛(wèi)星在軌加注系統(tǒng)組成 3
1.2.1 對(duì)接分系統(tǒng) 5
1.2.2 推進(jìn)劑管理分系統(tǒng) 7
1.3 衛(wèi)星在軌加注的效益分析 11
1.4 本書內(nèi)容安排 13
參考文獻(xiàn) 15
第2章 衛(wèi)星在軌加注技術(shù)研究現(xiàn)狀 18
2.1 衛(wèi)星在軌加注空間試驗(yàn)總體情況 18
2.1.1 試驗(yàn)情況概述 18
2.1.2 試驗(yàn)情況分析 35
2.2 關(guān)鍵技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 36
2.2.1 近距離接近技術(shù) 36
2.2.2 空間對(duì)接技術(shù) 44
2.2.3 流體傳輸與管理技術(shù) 53
2.2.4 推進(jìn)劑高精度測(cè)量技術(shù) 57
2.3 本章小結(jié) 64
參考文獻(xiàn) 65
第3章 空間目標(biāo)近距離接近與避撞控制 70
3.1 近距離相對(duì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué) 70
3.1.1 坐標(biāo)系定義及轉(zhuǎn)換 70
3.1.2 基于對(duì)偶四元數(shù)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型及分析 73
3.1.3 相對(duì)運(yùn)動(dòng)誤差模型及其線性化 79
3.1.4 相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型線性化 82
3.2 近距離飛行碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估 83
3.2.1 問題描述 84
3.2.2 常用碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法 85
3.2.3 基于性能參數(shù)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法 89
3.3 近距離操作動(dòng)態(tài)智能防撞控制 94
3.3.1 問題描述 94
3.3.2 動(dòng)態(tài)智能防撞控制算法 95
3.3.3 仿真分析 100
3.4 衛(wèi)星避撞機(jī)動(dòng)姿軌耦合控制 104
3.4.1 問題描述 104
3.4.2 規(guī)避方案描述 106
3.4.3 控制器設(shè)計(jì) 107
3.4.4 仿真分析 112
3.5 本章小結(jié) 118
參考文獻(xiàn) 119
第4章 基于結(jié)構(gòu)變形的軟對(duì)接動(dòng)態(tài)接觸理論 121
4.1 變分不等式接觸基本原理 122
4.1.1 接觸約束條件 123
4.1.2 變分不等式接觸基本方程 124
4.1.3 數(shù)值求解方法 128
4.1.4 仿真算例 133
4.2 基于變分不等式接觸原理的軟對(duì)接動(dòng)力學(xué)模型 140
4.2.1 軟對(duì)接動(dòng)態(tài)接觸模型 140
4.2.2 結(jié)果與討論 148
4.3 本章小結(jié) 152
參考文獻(xiàn) 153
第5章 真空條件下接口密封與泄漏理論 156
5.1 密封端面形貌的分形表征 157
5.1.1 分形幾何簡介 158
5.1.2 表面形貌的分形表征 158
5.1.3 具有自仿射分形特征的密封表面數(shù)值模擬 164
5.2 考慮尺寸效應(yīng)的端面密封接觸力學(xué) 167
5.2.1 接觸問題的多尺度力學(xué)模型 167
5.2.2 密封面塑性變形對(duì)接觸行為的影響 182
5.2.3 表面黏著力對(duì)密封接觸行為的影響 185
5.2.4 端面密封接觸理論模型仿真驗(yàn)證 190
5.3 端面密封泄漏孔道的輸運(yùn)性質(zhì) 201
5.3.1 泄漏孔道中流體流動(dòng)的多樣性 201
5.3.2 泄漏孔道中的連續(xù)壓力流 204
5.3.3 端面密封流體泄漏率逾滲模型 211
5.3.4 端面密封泄漏影響因素分析 214
5.4 本章小結(jié) 221
參考文獻(xiàn) 222
第6章 微重力條件下板式貯箱內(nèi)推進(jìn)劑流動(dòng)特性分析 224
6.1 表面張力流動(dòng)的基本理論 224
6.1.1 表面張力作用 224
6.1.2 內(nèi)角流動(dòng)理論概述 228
6.2 微重力下內(nèi)角自流研究 231
6.2.1 不對(duì)稱內(nèi)角模型 232
6.2.2 液面特征參數(shù)求解 233
6.2.3 不對(duì)稱內(nèi)角流動(dòng)過程計(jì)算 233
6.2.4 內(nèi)角自流落塔試驗(yàn) 242
6.3 微重力下內(nèi)角過流穩(wěn)定性研究 246
6.3.1 內(nèi)角過流的基本概念 246
6.3.2 內(nèi)角過流控制方程與求解 248
6.3.3 內(nèi)角過流試驗(yàn)驗(yàn)證 257
6.4 基于內(nèi)角流動(dòng)理論的板式貯箱設(shè)計(jì) 261
6.4.1 貯箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 261
6.4.2 導(dǎo)流板布局設(shè)計(jì)與優(yōu)化 261
6.4.3 導(dǎo)流板構(gòu)型設(shè)計(jì)與優(yōu)化 266
6.4.4 貯箱設(shè)計(jì)實(shí)例 270
6.4.5 推進(jìn)劑加注過程仿真 274
6.5 本章小結(jié) 275
參考文獻(xiàn) 276
第7章 微重力條件下多孔介質(zhì)中的液體輸運(yùn)特性 279
7.1 基于隨機(jī)幾何理論的多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征 279
7.1.1 多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征統(tǒng)計(jì)模型 279
7.1.2 多孔介質(zhì)孔隙的分形分布特性 284
7.1.3 多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征建模 285
7.2 多孔介質(zhì)過流特性與潤濕特性 292
7.2.1 多孔介質(zhì)過流特性 292
7.2.2 多孔介質(zhì)潤濕特性 296
7.3 微重力條件下多孔介質(zhì)中的毛細(xì)流動(dòng) 302
7.3.1 多孔介質(zhì)中的毛細(xì)流動(dòng)模型 302
7.3.2 模型求解及分析 304
7.3.3 微重力條件下大顆粒大孔隙率多孔介質(zhì)中的毛細(xì)流動(dòng) 309
7.3.4 液體在多層多孔介質(zhì)中的毛細(xì)流動(dòng)過程分析 316
7.4 衛(wèi)星貯箱多孔介質(zhì)氣液分離裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 324
7.4.1 氣液分離裝置設(shè)計(jì) 324
7.4.2 氣液分離裝置數(shù)值仿真 327
7.4.3 氣液分離裝置地面試驗(yàn) 334
7.4.4 氣液分離裝置落塔試驗(yàn) 336
7.5 本章小結(jié) 339
參考文獻(xiàn) 340
第8章 貯箱內(nèi)推進(jìn)劑剩余量精確測(cè)量 343
8.1 微重力條件下推進(jìn)劑量測(cè)量的特點(diǎn) 343
8.1.1 微重力影響分析 343
8.1.2 低溫推進(jìn)劑貯存 344
8.2 體積激勵(lì)法測(cè)量推進(jìn)劑量的原理與數(shù)值仿真 345
8.2.1 測(cè)量方法分析 345
8.2.2 體積激勵(lì)法的測(cè)量原理 348
8.2.3 影響體積激勵(lì)法測(cè)量的因素及修正 349
8.2.4 其余影響因素討論 355
8.2.5 測(cè)量系統(tǒng)的誤差分析 361
8.2.6 貯箱體積激勵(lì)過程仿真 362
8.3 低溫推進(jìn)劑貯存的壓力與溫度控制方法 372
8.3.1 物理及數(shù)學(xué)模型 373
8.3.2 壁面肋片對(duì)壓控的影響性分析 375
8.3.3 排氣降壓 383
8.4 低溫推進(jìn)劑貯存中的液體量測(cè)量方法 388
8.4.1 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 388
8.4.2 試驗(yàn)方案及流程 390
8.4.3 試驗(yàn)結(jié)果與討論 391
8.4.4 貯箱非接觸式測(cè)量的影響 397
8.5 衛(wèi)星姿態(tài)干擾和貯箱漏熱對(duì)液體量測(cè)量的影響分析 402
8.5.1 衛(wèi)星姿態(tài)干擾對(duì)體積激勵(lì)法測(cè)量的影響 402
8.5.2 貯箱漏熱對(duì)體積激勵(lì)法測(cè)量的影響 412
8.6 本章小結(jié) 418
參考文獻(xiàn) 418
第9章 推進(jìn)劑流量高精度測(cè)量技術(shù) 420
9.1 超聲波流量測(cè)量方法 421
9.2 基于側(cè)音技術(shù)的流量測(cè)量方法 426
9.2.1 側(cè)音技術(shù)解相位模糊 429
9.2.2 鎖相環(huán)技術(shù)跟蹤相位 431
9.3 傳播時(shí)間法對(duì)比分析 436
9.3.1 直接時(shí)間測(cè)量法 438
9.3.2 互相關(guān)法 438
9.4 本章小結(jié) 440
參考文獻(xiàn) 441
第10章 氣液兩相流特性分析與檢測(cè) 442
10.1 流場(chǎng)中氣泡的動(dòng)力學(xué)特性分析 443
10.1.1 流場(chǎng)中氣泡的非線性振動(dòng) 443
10.1.2 氣泡動(dòng)力學(xué)模型的線性化分析 452
10.2 聲波在氣液兩相流中的傳播 456
10.2.1 氣液兩相流中的聲波傳播方程 456
10.2.2 兩相流中的聲衰減系數(shù)與等效聲速求解 459
10.3 超聲波兩相流含氣率檢測(cè)方法 465
10.3.1 單頻聲波幅值衰減法 466
10.3.2 雙頻聲波幅值衰減法 469
10.4 超聲波兩相流含氣率檢測(cè)試驗(yàn) 471
10.4.1 試驗(yàn)原理 472
10.4.2 試驗(yàn)方案 472
10.4.3 試驗(yàn)內(nèi)容 477
10.4.4 試驗(yàn)結(jié)果 482
10.5 本章小結(jié) 486
參考文獻(xiàn) 486
第11章 衛(wèi)星在軌加注任務(wù)規(guī)劃 488
11.1 共面圓軌道衛(wèi)星群P2P在軌加注任務(wù)規(guī)劃 489
11.1.1 問題描述 489
11.1.2 問題分析與建模 490
11.1.3 模型分析與簡化 493
11.1.4 求解策略 495
11.1.5 仿真分析 496
11.2 考慮攝動(dòng)與復(fù)雜約束的LEO衛(wèi)星群P2P在軌加注任務(wù)規(guī)劃 498
11.2.1 問題描述與分析 498
11.2.2 復(fù)雜約束條件下多階段交會(huì)任務(wù)分析 499
11.2.3 復(fù)雜約束條件下多階段交會(huì)任務(wù)優(yōu)化模型 502
11.2.4 復(fù)雜約束條件下多階段交會(huì)任務(wù)優(yōu)化策略 505
11.2.5 復(fù)雜約束條件下多階段交會(huì)任務(wù)仿真分析 508
11.2.6 考慮攝動(dòng)與復(fù)雜約束的P2P在軌加注任務(wù)規(guī)劃仿真分析 513
11.3 目標(biāo)不確定的GEO衛(wèi)星群一對(duì)多在軌加注任務(wù)規(guī)劃 515
11.3.1 問題描述與分析 515
11.3.2 基于混雜優(yōu)化控制理論的任務(wù)規(guī)劃模型 516
11.3.3 模型求解 522
11.3.4 仿真分析 524
11.4 混合模式下GEO衛(wèi)星群在軌加注任務(wù)規(guī)劃 529
11.4.1 問題描述與分析 530
11.4.2 成本與收益模型 530
11.4.3 優(yōu)化模型建模 534
11.4.4 模型求解 536
11.4.5 仿真分析 539
11.5 考慮位置優(yōu)化的GEO衛(wèi)星群多對(duì)多在軌加注任務(wù)規(guī)劃 546
11.5.1 問題描述與分析 546
11.5.2 優(yōu)化模型 548
11.5.3 求解方法 550
11.5.4 數(shù)值仿真 552
11.6 本章小結(jié) 559
參考文獻(xiàn) 559
第12章 衛(wèi)星在軌加注技術(shù)總結(jié)與展望 561
12.1 衛(wèi)星在軌加注關(guān)鍵技術(shù)總結(jié) 561
12.1.1 近距離接近技術(shù) 561
12.1.2 空間對(duì)接技術(shù) 562
12.1.3 流體傳輸與管理技術(shù) 563
12.1.4 推進(jìn)劑高精度測(cè)量技術(shù) 563
12.1.5 衛(wèi)星在軌加注任務(wù)規(guī)劃 564
12.2 衛(wèi)星在軌加注技術(shù)發(fā)展展望 565
12.3 對(duì)我國衛(wèi)星在軌加注技術(shù)發(fā)展的啟示 567
索引 570
后記 573
序
前言
第1章 緒論 1
1.1 衛(wèi)星在軌加注概念內(nèi)涵 2
1.2 衛(wèi)星在軌加注系統(tǒng)組成 3
1.2.1 對(duì)接分系統(tǒng) 5
1.2.2 推進(jìn)劑管理分系統(tǒng) 7
1.3 衛(wèi)星在軌加注的效益分析 11
1.4 本書內(nèi)容安排 13
參考文獻(xiàn) 15
第2章 衛(wèi)星在軌加注技術(shù)研究現(xiàn)狀 18
2.1 衛(wèi)星在軌加注空間試驗(yàn)總體情況 18
2.1.1 試驗(yàn)情況概述 18
2.1.2 試驗(yàn)情況分析 35
2.2 關(guān)鍵技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 36
2.2.1 近距離接近技術(shù) 36
2.2.2 空間對(duì)接技術(shù) 44
2.2.3 流體傳輸與管理技術(shù) 53
2.2.4 推進(jìn)劑高精度測(cè)量技術(shù) 57
2.3 本章小結(jié) 64
參考文獻(xiàn) 65
第3章 空間目標(biāo)近距離接近與避撞控制 70
3.1 近距離相對(duì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué) 70
3.1.1 坐標(biāo)系定義及轉(zhuǎn)換 70
3.1.2 基于對(duì)偶四元數(shù)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型及分析 73
3.1.3 相對(duì)運(yùn)動(dòng)誤差模型及其線性化 79
3.1.4 相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型線性化 82
3.2 近距離飛行碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估 83
3.2.1 問題描述 84
3.2.2 常用碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法 85
3.2.3 基于性能參數(shù)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法 89
3.3 近距離操作動(dòng)態(tài)智能防撞控制 94
3.3.1 問題描述 94
3.3.2 動(dòng)態(tài)智能防撞控制算法 95
3.3.3 仿真分析 100
3.4 衛(wèi)星避撞機(jī)動(dòng)姿軌耦合控制 104
3.4.1 問題描述 104
3.4.2 規(guī)避方案描述 106
3.4.3 控制器設(shè)計(jì) 107
3.4.4 仿真分析 112
3.5 本章小結(jié) 118
參考文獻(xiàn) 119
第4章 基于結(jié)構(gòu)變形的軟對(duì)接動(dòng)態(tài)接觸理論 121
4.1 變分不等式接觸基本原理 122
4.1.1 接觸約束條件 123
4.1.2 變分不等式接觸基本方程 124
4.1.3 數(shù)值求解方法 128
4.1.4 仿真算例 133
4.2 基于變分不等式接觸原理的軟對(duì)接動(dòng)力學(xué)模型 140
4.2.1 軟對(duì)接動(dòng)態(tài)接觸模型 140
4.2.2 結(jié)果與討論 148
4.3 本章小結(jié) 152
參考文獻(xiàn) 153
第5章 真空條件下接口密封與泄漏理論 156
5.1 密封端面形貌的分形表征 157
5.1.1 分形幾何簡介 158
5.1.2 表面形貌的分形表征 158
5.1.3 具有自仿射分形特征的密封表面數(shù)值模擬 164
5.2 考慮尺寸效應(yīng)的端面密封接觸力學(xué) 167
5.2.1 接觸問題的多尺度力學(xué)模型 167
5.2.2 密封面塑性變形對(duì)接觸行為的影響 182
5.2.3 表面黏著力對(duì)密封接觸行為的影響 185
5.2.4 端面密封接觸理論模型仿真驗(yàn)證 190
5.3 端面密封泄漏孔道的輸運(yùn)性質(zhì) 201
5.3.1 泄漏孔道中流體流動(dòng)的多樣性 201
5.3.2 泄漏孔道中的連續(xù)壓力流 204
5.3.3 端面密封流體泄漏率逾滲模型 211
5.3.4 端面密封泄漏影響因素分析 214
5.4 本章小結(jié) 221
參考文獻(xiàn) 222
第6章 微重力條件下板式貯箱內(nèi)推進(jìn)劑流動(dòng)特性分析 224
6.1 表面張力流動(dòng)的基本理論 224
6.1.1 表面張力作用 224
6.1.2 內(nèi)角流動(dòng)理論概述 228
6.2 微重力下內(nèi)角自流研究 231
6.2.1 不對(duì)稱內(nèi)角模型 232
6.2.2 液面特征參數(shù)求解 233
6.2.3 不對(duì)稱內(nèi)角流動(dòng)過程計(jì)算 233
6.2.4 內(nèi)角自流落塔試驗(yàn) 242
6.3 微重力下內(nèi)角過流穩(wěn)定性研究 246
6.3.1 內(nèi)角過流的基本概念 246
6.3.2 內(nèi)角過流控制方程與求解 248
6.3.3 內(nèi)角過流試驗(yàn)驗(yàn)證 257
6.4 基于內(nèi)角流動(dòng)理論的板式貯箱設(shè)計(jì) 261
6.4.1 貯箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 261
6.4.2 導(dǎo)流板布局設(shè)計(jì)與優(yōu)化 261
6.4.3 導(dǎo)流板構(gòu)型設(shè)計(jì)與優(yōu)化 266
6.4.4 貯箱設(shè)計(jì)實(shí)例 270
6.4.5 推進(jìn)劑加注過程仿真 274
6.5 本章小結(jié) 275
參考文獻(xiàn) 276
第7章 微重力條件下多孔介質(zhì)中的液體輸運(yùn)特性 279
7.1 基于隨機(jī)幾何理論的多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征 279
7.1.1 多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征統(tǒng)計(jì)模型 279
7.1.2 多孔介質(zhì)孔隙的分形分布特性 284
7.1.3 多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征建模 285
7.2 多孔介質(zhì)過流特性與潤濕特性 292
7.2.1 多孔介質(zhì)過流特性 292
7.2.2 多孔介質(zhì)潤濕特性 296
7.3 微重力條件下多孔介質(zhì)中的毛細(xì)流動(dòng) 302
7.3.1 多孔介質(zhì)中的毛細(xì)流動(dòng)模型 302
7.3.2 模型求解及分析 304
7.3.3 微重力條件下大顆粒大孔隙率多孔介質(zhì)中的毛細(xì)流動(dòng) 309
7.3.4 液體在多層多孔介質(zhì)中的毛細(xì)流動(dòng)過程分析 316
7.4 衛(wèi)星貯箱多孔介質(zhì)氣液分離裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 324
7.4.1 氣液分離裝置設(shè)計(jì) 324
7.4.2 氣液分離裝置數(shù)值仿真 327
7.4.3 氣液分離裝置地面試驗(yàn) 334
7.4.4 氣液分離裝置落塔試驗(yàn) 336
7.5 本章小結(jié) 339
參考文獻(xiàn) 340
第8章 貯箱內(nèi)推進(jìn)劑剩余量精確測(cè)量 343
8.1 微重力條件下推進(jìn)劑量測(cè)量的特點(diǎn) 343
8.1.1 微重力影響分析 343
8.1.2 低溫推進(jìn)劑貯存 344
8.2 體積激勵(lì)法測(cè)量推進(jìn)劑量的原理與數(shù)值仿真 345
8.2.1 測(cè)量方法分析 345
8.2.2 體積激勵(lì)法的測(cè)量原理 348
8.2.3 影響體積激勵(lì)法測(cè)量的因素及修正 349
8.2.4 其余影響因素討論 355
8.2.5 測(cè)量系統(tǒng)的誤差分析 361
8.2.6 貯箱體積激勵(lì)過程仿真 362
8.3 低溫推進(jìn)劑貯存的壓力與溫度控制方法 372
8.3.1 物理及數(shù)學(xué)模型 373
8.3.2 壁面肋片對(duì)壓控的影響性分析 375
8.3.3 排氣降壓 383
8.4 低溫推進(jìn)劑貯存中的液體量測(cè)量方法 388
8.4.1 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 388
8.4.2 試驗(yàn)方案及流程 390
8.4.3 試驗(yàn)結(jié)果與討論 391
8.4.4 貯箱非接觸式測(cè)量的影響 397
8.5 衛(wèi)星姿態(tài)干擾和貯箱漏熱對(duì)液體量測(cè)量的影響分析 402
8.5.1 衛(wèi)星姿態(tài)干擾對(duì)體積激勵(lì)法測(cè)量的影響 402
8.5.2 貯箱漏熱對(duì)體積激勵(lì)法測(cè)量的影響 412
8.6 本章小結(jié) 418
參考文獻(xiàn) 418
第9章 推進(jìn)劑流量高精度測(cè)量技術(shù) 420
9.1 超聲波流量測(cè)量方法 421
9.2 基于側(cè)音技術(shù)的流量測(cè)量方法 426
9.2.1 側(cè)音技術(shù)解相位模糊 429
9.2.2 鎖相環(huán)技術(shù)跟蹤相位 431
9.3 傳播時(shí)間法對(duì)比分析 436
9.3.1 直接時(shí)間測(cè)量法 438
9.3.2 互相關(guān)法 438
9.4 本章小結(jié) 440
參考文獻(xiàn) 441
第10章 氣液兩相流特性分析與檢測(cè) 442
10.1 流場(chǎng)中氣泡的動(dòng)力學(xué)特性分析 443
10.1.1 流場(chǎng)中氣泡的非線性振動(dòng) 443
10.1.2 氣泡動(dòng)力學(xué)模型的線性化分析 452
10.2 聲波在氣液兩相流中的傳播 456
10.2.1 氣液兩相流中的聲波傳播方程 456
10.2.2 兩相流中的聲衰減系數(shù)與等效聲速求解 459
10.3 超聲波兩相流含氣率檢測(cè)方法 465
10.3.1 單頻聲波幅值衰減法 466
10.3.2 雙頻聲波幅值衰減法 469
10.4 超聲波兩相流含氣率檢測(cè)試驗(yàn) 471
10.4.1 試驗(yàn)原理 472
10.4.2 試驗(yàn)方案 472
10.4.3 試驗(yàn)內(nèi)容 477
10.4.4 試驗(yàn)結(jié)果 482
10.5 本章小結(jié) 486
參考文獻(xiàn) 486
第11章 衛(wèi)星在軌加注任務(wù)規(guī)劃 488
11.1 共面圓軌道衛(wèi)星群P2P在軌加注任務(wù)規(guī)劃 489
11.1.1 問題描述 489
11.1.2 問題分析與建模 490
11.1.3 模型分析與簡化 493
11.1.4 求解策略 495
11.1.5 仿真分析 496
11.2 考慮攝動(dòng)與復(fù)雜約束的LEO衛(wèi)星群P2P在軌加注任務(wù)規(guī)劃 498
11.2.1 問題描述與分析 498
11.2.2 復(fù)雜約束條件下多階段交會(huì)任務(wù)分析 499
11.2.3 復(fù)雜約束條件下多階段交會(huì)任務(wù)優(yōu)化模型 502
11.2.4 復(fù)雜約束條件下多階段交會(huì)任務(wù)優(yōu)化策略 505
11.2.5 復(fù)雜約束條件下多階段交會(huì)任務(wù)仿真分析 508
11.2.6 考慮攝動(dòng)與復(fù)雜約束的P2P在軌加注任務(wù)規(guī)劃仿真分析 513
11.3 目標(biāo)不確定的GEO衛(wèi)星群一對(duì)多在軌加注任務(wù)規(guī)劃 515
11.3.1 問題描述與分析 515
11.3.2 基于混雜優(yōu)化控制理論的任務(wù)規(guī)劃模型 516
11.3.3 模型求解 522
11.3.4 仿真分析 524
11.4 混合模式下GEO衛(wèi)星群在軌加注任務(wù)規(guī)劃 529
11.4.1 問題描述與分析 530
11.4.2 成本與收益模型 530
11.4.3 優(yōu)化模型建模 534
11.4.4 模型求解 536
11.4.5 仿真分析 539
11.5 考慮位置優(yōu)化的GEO衛(wèi)星群多對(duì)多在軌加注任務(wù)規(guī)劃 546
11.5.1 問題描述與分析 546
11.5.2 優(yōu)化模型 548
11.5.3 求解方法 550
11.5.4 數(shù)值仿真 552
11.6 本章小結(jié) 559
參考文獻(xiàn) 559
第12章 衛(wèi)星在軌加注技術(shù)總結(jié)與展望 561
12.1 衛(wèi)星在軌加注關(guān)鍵技術(shù)總結(jié) 561
12.1.1 近距離接近技術(shù) 561
12.1.2 空間對(duì)接技術(shù) 562
12.1.3 流體傳輸與管理技術(shù) 563
12.1.4 推進(jìn)劑高精度測(cè)量技術(shù) 563
12.1.5 衛(wèi)星在軌加注任務(wù)規(guī)劃 564
12.2 衛(wèi)星在軌加注技術(shù)發(fā)展展望 565
12.3 對(duì)我國衛(wèi)星在軌加注技術(shù)發(fā)展的啟示 567
索引 570
后記 573
展開全部
衛(wèi)星在軌加注技術(shù) 節(jié)選
第1章 緒論 隨著空間技術(shù)的快速發(fā)展和空間資源運(yùn)行模式的不斷變革，以航天器在軌服務(wù)為標(biāo)志的空間資源可重復(fù)利用技術(shù)正逐步成為世界各航天大國競(jìng)相發(fā)展的一個(gè)重要方向。在軌服務(wù)是指在空間軌道上通過人、機(jī)器人或兩者協(xié)同完成涉及延長各種航天器壽命、提升執(zhí)行任務(wù)能力的一類空間操作[1]。在軌服務(wù)技術(shù)的核心使命在于延長航天器壽命、增強(qiáng)航天器機(jī)動(dòng)能力、提升航天器效能等。航天器在軌加注技術(shù)正是通過燃料補(bǔ)給的方式延長航天器在軌工作壽命和增強(qiáng)軌道機(jī)動(dòng)能力，它是航天器在軌服務(wù)技術(shù)的重要組成部分。 航天器在軌加注的概念*早被提出是在20世紀(jì)60年代，其早期的研究主要集中在通過貨運(yùn)飛船、航天飛機(jī)等服務(wù)航天器對(duì)在軌運(yùn)行航天器進(jìn)行推進(jìn)劑等耗費(fèi)品的在軌補(bǔ)給。這一概念誕生僅十余年后，蘇聯(lián)就使用“進(jìn)步號(hào)”貨運(yùn)飛船向空間站成功執(zhí)行了液態(tài)推進(jìn)劑(N2O4和偏二甲肼)的補(bǔ)給任務(wù)[2]，當(dāng)時(shí)采用的推進(jìn)劑供給貯箱為隔膜式貯箱，通過高壓氣體擠壓隔膜為推進(jìn)劑傳輸提供動(dòng)力。至今，大型航天器在軌燃料補(bǔ)給仍然普遍采用這種加注模式。而美國則發(fā)展了利用航天飛機(jī)對(duì)空間站進(jìn)行在軌燃料補(bǔ)給的方式。 本書所研究的衛(wèi)星在軌加注技術(shù)屬于航天器在軌加注技術(shù)的一種，針對(duì)的服務(wù)對(duì)象主要是中小型衛(wèi)星。這類衛(wèi)星的在軌加注不同于大型航天器，其質(zhì)量、體積等受到更嚴(yán)格限制，運(yùn)行、應(yīng)用的模式也不同，因此，在貯箱類型、對(duì)接及加注管路、近距離接近策略、剩余量及流量測(cè)量等方面，其加注系統(tǒng)均與大型航天器存在明顯差異，主要表現(xiàn)在如下兩方面。一方面，大型航天器采用金屬隔膜貯箱，這類貯箱質(zhì)量大，如50L的金屬隔膜貯箱，質(zhì)量往往超過60kg[3]，不滿足衛(wèi)星加注系統(tǒng)輕質(zhì)化設(shè)計(jì)要求；同時(shí)，金屬隔膜貯箱內(nèi)部存在運(yùn)動(dòng)部件，在反復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中存在損壞風(fēng)險(xiǎn)，工作壽命受限，不滿足衛(wèi)星加注系統(tǒng)多次可重復(fù)使用需求[4]，因此，目前衛(wèi)星加注系統(tǒng)方案中普遍采用無運(yùn)動(dòng)部件的表面張力貯箱。另一方面，在對(duì)接方式上，大型航天器要求極高的可靠性，往往還需要滿足人員穿行的需求，對(duì)接機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上包括復(fù)雜的緩沖系統(tǒng)和人員通道[5]，這種對(duì)接機(jī)構(gòu)無法直接縮比應(yīng)用于衛(wèi)星加注系統(tǒng)；大型航天器所用加注管路往往獨(dú)立于對(duì)接機(jī)構(gòu)，進(jìn)一步加大了結(jié)構(gòu)質(zhì)量，這樣的分離設(shè)計(jì)對(duì)于空間站等大型航天器是可行而且更加可靠的，但對(duì)于衛(wèi)星加注系統(tǒng)，將極大降低補(bǔ)給的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，因此，衛(wèi)星加注系統(tǒng)一般采用對(duì)接/加注一體化設(shè)計(jì)模式，從而降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。 衛(wèi)星在軌加注技術(shù)是衛(wèi)星在軌服務(wù)體系的重要組成部分，對(duì)于高價(jià)值衛(wèi)星以及組網(wǎng)衛(wèi)星意義尤為明顯。鑒于衛(wèi)星在軌加注技術(shù)的重要意義，世界各主要航天大國均開展了系列研究工作，其中*為典型的是美國。美國認(rèn)為在軌加注技術(shù)是未來衛(wèi)星在軌服務(wù)體系的核心與關(guān)鍵，從20世紀(jì)60年代就開始了相關(guān)研究工作。美國多年的研究工作大致可以分為“理論研究—原理驗(yàn)證—集成試驗(yàn)—技術(shù)實(shí)用”四個(gè)階段。在近20年的基礎(chǔ)理論研究后，美國自1984年起，歷時(shí)12年，先后在航天飛機(jī)上進(jìn)行了5次原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，對(duì)在軌加注的貯箱等關(guān)鍵部件以及傳輸、測(cè)量等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證[6-10]。在此基礎(chǔ)上，2007年，美國完成了“軌道快車(Orbital Express)”集成試驗(yàn)，針對(duì)預(yù)留有加注接口的目標(biāo)衛(wèi)星(后文簡稱目標(biāo)星)成功實(shí)施了在軌加注，這是國際上首次衛(wèi)星在軌加注試驗(yàn)[11]；2013年，進(jìn)一步完成了“機(jī)器人在軌燃料加注(Robotic Refueling Mission，RRM)”空間站艙外集成測(cè)試，驗(yàn)證了采用機(jī)器人空間操作對(duì)傳統(tǒng)衛(wèi)星加注接口實(shí)施在軌燃料加注的可行性[12]；2015年，進(jìn)入RRM計(jì)劃第二階段，進(jìn)一步驗(yàn)證了冷凍劑補(bǔ)充、工具測(cè)試、空間設(shè)備即插即用等試驗(yàn)操作；2018年，進(jìn)入RRM計(jì)劃第三階段，首次在軌驗(yàn)證了低溫液體零蒸發(fā)長期存儲(chǔ)技術(shù)，在軌存儲(chǔ)時(shí)間長達(dá)4個(gè)月。2016年，美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)啟動(dòng)了面向衛(wèi)星在軌加注的“復(fù)原-L(Restore-L)”計(jì)劃[13]，其中目標(biāo)星為隸屬于美國政府仍在軌服役的陸地衛(wèi)星Landsat-7，該計(jì)劃將于2023年發(fā)射一顆服務(wù)衛(wèi)星(后文簡稱服務(wù)星)進(jìn)入極地近地軌道，對(duì)該目標(biāo)星進(jìn)行燃料加注。該計(jì)劃的順利實(shí)施，將成為美國衛(wèi)星在軌加注技術(shù)走向?qū)嵱没睦锍瘫录。值得一提的是?020年2月，美國諾斯羅普格魯曼(Northrop Grumman)公司的任務(wù)延壽飛行器(mission extension vehicle，簡稱MEV-1)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)國際通信衛(wèi)星(Intelsat-901)的在軌接管，利用MEV-1自身推進(jìn)系統(tǒng)為Intelsat-901提供姿軌控能力，使其回歸地球同步軌道繼續(xù)執(zhí)行在軌工作任務(wù)[14]。MEV-1對(duì)Intelsat-901的成功在軌接管，是衛(wèi)星在軌延壽的另一種發(fā)展思路，也值得我們高度重視。 近年來，隨著我國航天技術(shù)的快速發(fā)展，特別是通信、導(dǎo)航、偵察等高價(jià)值在軌衛(wèi)星數(shù)量的快速增加，對(duì)衛(wèi)星在軌加注技術(shù)的需求也越來越迫切。同時(shí)，隨著載人航天工程、探月、在軌服務(wù)、深空探測(cè)等重大工程的成功立項(xiàng)與實(shí)施，衛(wèi)星在軌加注技術(shù)正迎來前所未有的發(fā)展契機(jī)。 1.1 衛(wèi)星在軌加注概念內(nèi)涵 古代，人類通過驛站補(bǔ)給來完成千里遠(yuǎn)行；近代，人類利用加油技術(shù)來延長汽車和飛機(jī)的行程；如今，隨著航天技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星的高昂成本與其一次性使用特性之間的矛盾日益突出，人類開始探索如何給衛(wèi)星進(jìn)行在軌加注。衛(wèi)星在軌加注是指在軌道上通過直接傳輸方式對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行推進(jìn)劑補(bǔ)給的技術(shù)，其作用可類比“太空加油機(jī)”，能大大提高衛(wèi)星的機(jī)動(dòng)能力、延長衛(wèi)星的工作壽命、拓展衛(wèi)星的達(dá)到范圍。隨著技術(shù)的發(fā)展，在軌補(bǔ)給的方式也不斷拓展，出現(xiàn)了通過推進(jìn)劑貯箱更換實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑補(bǔ)給的方式、直接將整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)模塊進(jìn)行更換的方式乃至用新衛(wèi)星直接接管整個(gè)衛(wèi)星推進(jìn)任務(wù)的方式。本書主要研究以推進(jìn)劑直接傳輸實(shí)現(xiàn)補(bǔ)給的衛(wèi)星在軌加注技術(shù)。 衛(wèi)星在軌加注往往以高價(jià)值衛(wèi)星或組網(wǎng)衛(wèi)星為目標(biāo)，采用“一對(duì)多”或“多對(duì)一”的補(bǔ)給任務(wù)規(guī)劃策略，提升經(jīng)濟(jì)效益[15，16]。發(fā)展衛(wèi)星在軌加注技術(shù)的重要意義在于： 1)延長衛(wèi)星在軌工作壽命 推進(jìn)劑是實(shí)現(xiàn)軌道機(jī)動(dòng)、軌道保持以及姿態(tài)控制的基礎(chǔ)。通過推進(jìn)劑的在軌加注延長衛(wèi)星的在軌工作壽命，可以大大降低衛(wèi)星全壽命周期費(fèi)用，具有十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益。 2)增強(qiáng)衛(wèi)星軌道機(jī)動(dòng)能力 隨著應(yīng)用需求的發(fā)展，衛(wèi)星對(duì)軌道機(jī)動(dòng)能力提出了較高要求，如要求地球資源衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星和防災(zāi)減災(zāi)衛(wèi)星等具有較強(qiáng)的軌道機(jī)動(dòng)能力，能夠根據(jù)任務(wù)要求調(diào)整對(duì)重點(diǎn)地區(qū)的遙感觀測(cè)，及時(shí)為用戶提供充分、準(zhǔn)確、可靠的信息等。如果能夠進(jìn)行在軌加注，那么可大大增強(qiáng)其執(zhí)行任務(wù)的靈活性。 3)組建深空探測(cè)中途“加油站” 對(duì)于深空探測(cè)器，其飛行任務(wù)往往包括系列的大范圍機(jī)動(dòng)變軌，對(duì)推進(jìn)能力要求較高，但是，其推進(jìn)劑攜帶量受到發(fā)射條件的限制。有效解決該矛盾的途徑之一就是，先將探測(cè)器發(fā)射到停泊軌道并接受在軌加注，然后出發(fā)進(jìn)行星際飛行。 1.2 衛(wèi)星在軌加注系統(tǒng)組成 衛(wèi)星自主在軌加注任務(wù)涉及多個(gè)過程，包括加注需求確定、交會(huì)對(duì)接、加注前準(zhǔn)備、加注過程監(jiān)控和加注完成后分離等階段，如圖1.1所示。 圖1.1中，對(duì)應(yīng)于每個(gè)任務(wù)階段，需要重點(diǎn)攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)通過實(shí)線方框給出，而虛線方框中給出的關(guān)鍵技術(shù)則為依托當(dāng)前已有技術(shù)基礎(chǔ)。根據(jù)衛(wèi)星自主在軌加注任務(wù)流程，衛(wèi)星在軌加注系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)可歸納提煉為推進(jìn)劑剩余量測(cè)量技術(shù)、近距離接近與對(duì)接鎖緊技術(shù)、管路密封技術(shù)、微重力流體傳輸與管理技術(shù)、推進(jìn)劑流量精確測(cè)量技術(shù)、氣液兩相流檢測(cè)技術(shù)等。這些關(guān)鍵技術(shù)的研究成果均將物化為相應(yīng)的單機(jī)產(chǎn)品及分系統(tǒng)，包括近距離相對(duì)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)、一體化對(duì)接加注與分離釋放系統(tǒng)、接口密封與泄漏檢測(cè)系統(tǒng)、微重力流體傳輸與管理系統(tǒng)、貯箱內(nèi)推進(jìn)劑剩余量測(cè)量裝置、貯箱氣液分離裝置、推進(jìn)劑流量測(cè)量與兩相流檢測(cè)裝置等。衛(wèi)星在軌加注系統(tǒng)就是以上述單機(jī)產(chǎn)品及分系統(tǒng)為基本組成，通過流體管路及機(jī)、電、熱等接口將這些基本單元連接為一個(gè)集成系統(tǒng)。衛(wèi)星在軌加注系統(tǒng)的集成原理圖如圖1.2所示。 圖1.1 衛(wèi)星在軌加注任務(wù)流程與過程梳理 圖1.2 衛(wèi)星在軌加注系統(tǒng)集成原理圖 衛(wèi)星在軌加注系統(tǒng)被拆分為兩大分系統(tǒng)：對(duì)接分系統(tǒng)與推進(jìn)劑管理分系統(tǒng)。其中，對(duì)接分系統(tǒng)用于加注服務(wù)前的兩星近距離接近與對(duì)接鎖定，是在軌加注的基本前提，包括近距離相對(duì)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)、一體化對(duì)接加注與分離釋放系統(tǒng)、對(duì)接密封與泄漏檢測(cè)系統(tǒng)等；推進(jìn)劑管理分系統(tǒng)用于貯箱內(nèi)推進(jìn)劑傳輸與管理、加注過程監(jiān)控等，是在軌加注的核心組成部分，包括微重力流體傳輸與管理系統(tǒng)、貯箱氣液分離裝置、貯箱內(nèi)推進(jìn)劑剩余量測(cè)量裝置、推進(jìn)劑流量測(cè)量與兩相流檢測(cè)裝置等(圖1.3)。以下將按照對(duì)接分系統(tǒng)與推進(jìn)劑管理分系統(tǒng)兩大部分，分別闡述衛(wèi)星在軌加注系統(tǒng)的組成及所涉及的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。 圖1.3 衛(wèi)星在軌加注系統(tǒng)組成 1.2.1 對(duì)接分系統(tǒng) 對(duì)接分系統(tǒng)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)服務(wù)星與目標(biāo)星的近距離接近、對(duì)接與鎖緊等，為進(jìn)一步實(shí)施在軌燃料傳輸?shù)炔僮魈峁┣疤岜Ｕ。依?jù)圖1.3所示對(duì)接分系統(tǒng)組成，分別闡述各部分功能及所涉及的關(guān)鍵技術(shù)。 1. 近距離相對(duì)導(dǎo)航與控制系統(tǒng) 近距離接近技術(shù)是在軌加注的基礎(chǔ)性技術(shù)。當(dāng)兩星相距較遠(yuǎn)時(shí)，星體可近似看作質(zhì)點(diǎn)，其運(yùn)動(dòng)相對(duì)簡單。當(dāng)兩星距離逐漸變小，其外形影響不能再忽略時(shí)，質(zhì)點(diǎn)模型將不再適用。此時(shí)，需著重考慮近距離接近過程中衛(wèi)星構(gòu)型的影響，降低兩星發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。通過考慮衛(wèi)星構(gòu)型規(guī)劃兩星相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，才能有效確保安全接近，為后續(xù)對(duì)接及加注任務(wù)提供支撐[17，18]。圖1.4給出了近距離相對(duì)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)的基本組成要素。近距離接近過程需綜合考慮兩星相對(duì)位姿與衛(wèi)星構(gòu)型影響，建立碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，獲取相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，并通過姿軌耦合控制與動(dòng)態(tài)防撞控制實(shí)現(xiàn)兩星近距離接近操作，為進(jìn)一步對(duì)接鎖定提供技術(shù)支撐。 圖1.4 近距離相對(duì)導(dǎo)航與控制系統(tǒng) 2. 一體化對(duì)接加注與分離釋放系統(tǒng) 對(duì)于衛(wèi)星在軌加注，服務(wù)星與目標(biāo)星的可靠對(duì)接是任務(wù)成功的前提，這里的對(duì)接包括兩部分，即星體對(duì)接和管路對(duì)接。由于衛(wèi)星受到嚴(yán)格的尺寸、重量、功耗等因素限制，直接沿用我國現(xiàn)有的飛船/空間站等對(duì)接機(jī)構(gòu)存在以下問題：現(xiàn)有對(duì)接機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量大，且采用剛性對(duì)接的方式對(duì)衛(wèi)星的相對(duì)姿軌控精度要求較高，很難用于衛(wèi)星對(duì)接任務(wù)；無法實(shí)現(xiàn)加注管路對(duì)接時(shí)的高效密封和泄漏監(jiān)測(cè)；不具備液體傳輸功能，管路對(duì)接機(jī)構(gòu)與星體對(duì)接機(jī)構(gòu)相互獨(dú)立。為解決上述問題，使衛(wèi)星對(duì)接具有低沖擊、高安全特點(diǎn)，研究考慮星體對(duì)接和管路對(duì)接要求的對(duì)接機(jī)構(gòu)具有重要意義[19，20]。圖1.5給出了一體化對(duì)接加注與分離釋放系統(tǒng)的基本組成要素，包括星體對(duì)接機(jī)構(gòu)、管路對(duì)接機(jī)構(gòu)、星體/管路對(duì)接一體化設(shè)計(jì)、分離釋放機(jī)構(gòu)等。為了滿足衛(wèi)星自主對(duì)接鎖定需求，系統(tǒng)整體必須滿足小型化/輕量化設(shè)計(jì)要求，對(duì)接碰撞過程需實(shí)現(xiàn)低沖擊、高可靠的鎖定效果。 3. 接口密封與泄漏檢測(cè)系統(tǒng) 兩星星體順利對(duì)接鎖緊后，管路對(duì)接接口相互連接，繼而服務(wù)星與目標(biāo)星之間的推進(jìn)劑傳輸管路相互連通。然而，在發(fā)送推進(jìn)劑傳輸命令前，尚需確定管路
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