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航天飞行器微重力试验技术综述

贾洲侠;王梦魁;李海波;张伟;王建军;任方

【期刊名称】《《强度与环境》》

【年(卷),期】2019(046)005

【总页数】11页(P7-17)

【关键词】液体管理;低温推进剂;微重力;落塔;试验

【作者】贾洲侠;王梦魁;李海波;张伟;王建军;任方

【作者单位】北京强度环境研究所可靠性与环境工程技术重点实验室北京

100076;北京强度环境研究所北京100076

【正文语种】中文

【中图分类】V421.3+3

发射卫星的运载火箭要在停泊轨道上滑行一段时间，然后发动机再启动将其推进到

转移轨道。先进上面级在轨长时间工作，期间需经历较长时间的在轨滑行和主发动

机多次启动。同步卫星、载人航天器在轨道需要长时间惯性飞行，发动机要多次再

启动。上述飞行器在空间中均会发生一段无动力滑翔过程，在此过程中飞行器向心

加速的惯性力与引力相平衡，依据等效性原理即产生了微重力环境。由于惯性飞行

期间贮箱内储存的大量推进剂处于微重力状态，所以外界干扰极易使贮箱中液体推

进剂变为不稳定，滑行期间作用在推进剂上的干扰很多。邦德数是用来表征作用于

流体上的重力与表面张力之间关系的无量纲参数，邦德数越大则认为重力对流体行

为占据主导作用，反之则表面张力成为控制流体行为的主导作用。而在微重力条件

下，表面张力成为影响液体行为的主导因素。在十三五期间，我国将重点开展远征

系列上面级、轨道飞行器、重型运载、天地往返等等型号的研制工作，此类型号均

采用液体推进剂，具有在轨任务时间长、经历的微重力环境复杂等特点，在轨任务

时间往往长至几天甚至几个月。

为了进一步对运载火箭运载能力的深度挖潜，就需要在运载火箭末级通过多次启停

发动机形成多段无动力滑翔段进行有效载荷入轨过程的优化，以提高轨道设计的适

应性。目前现役CZ-3及CZ-5火箭在轨有着几百秒的滑行时间，飞行器在轨滑行

时间的大幅增长、微重力环境复杂，同时，型号在轨期间要求多次完成复杂调姿变

轨动作，推力发动机需要多次停止和启动。微重力环境下，在滑翔段贮箱内推进剂

处于悬浮状态，为了保证发动机能够正常进行多场启停，需要将推进剂有效的输送

到发动机燃烧室。目前常采用设置沉底发动机，对飞行器在滑翔段一直施加加速度

以保证推进剂沉底，或采用网筛等表面张力蓄留装置是对推进剂的位置进行锁定。

相关需要研究的问题包括液体重定位、微重力液体蓄留、低重力液体出流、微重力

液体晃动、贮箱旋转晃动、微重力液体形态、微重力液体位置控制、关机瞬间晃幅

放大等多项内容。同时，随着新一代重型运载火箭的发展，其特点是起飞重量大、

直径粗，并且要执行深空探测、登月探测等任务，同样面临着发动机需要多次执行

启动-停机命令，发动机多次启动时必须解决失重和低重条件下的液体晃幅放大、

露底等液体管理问题。

随着空间技术的发展，在轨服务越来越引起各航天大国的重视。在轨服务包括在轨

加注、维修、组装、辅助入轨、碎片清理等一系列内容，发展在轨服务经济效益显

著。另一方面，在轨服务的军事应用潜力巨大。在轨服务过程涉及轨道机动、对目

标航天器的空间捕获与控制、空间交会与对接、服务航天器与目标航天器间物质的

传输等技术，这些技术经移植转化，即可形成新型的空间攻防武器系统。上面级技

术是在轨服务的基础，可以在空间救援与服务中提供快速的轨道机动运输。以上面

级为基础的轨道转移飞行器配合适当的有效载荷，即可以完成在轨服务等工作。在

轨服务要求服务平台具备长时间在轨伺服、飞行的能力（3个月以上）、多次启动

的能力（20次以上）和快速完成轨道机动的能力，这就需要开发新型的先进上面

级。先进上面级采用的泵压式主发动机，具有推进剂流量大，单次点火构成有效沉

底前所需不夹气推进剂量较大的特点。先进上面级推进剂管理方式既不同于传统的

长时间、小流量推进剂管理方式的卫星，也不同于短时间、超大流量管理方式的传

统火箭末级。在运载火箭领域上由于低温推进剂具有比冲高、无毒无污染的优点，

在国内外运载火箭和上面级上得到了广泛的应用，因此，采用液氢/液氧等低温推

进剂的高性能低温上面级具备良好的应用前景。目前我国已完成常规上面级的研制

与应用，而通用型低温上面级的研究正处于起步和攻关阶段。

到2020年，我国将全面构建形成卫星遥感、通信广播、导航定位三大系统，基本

建成国家空间基础设施体系。我国正在开展的高分专项、新一代通信卫星DFH5

平台以及导航平台卫星需要通过加速寿命试验等方法增强卫星的长寿命高可靠设计。

而商业卫星、微小卫星则需要充分利用现有航天试验设施，