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贮箱里面变魔法 卫星在轨延寿命
发表时间:2019-01-11

  新时代航天探索,始终迈向远方

  作为在改革开放背景下成长的青年科技工作者,庄保堂亲自感触到了国家对年轻人翻新的鼓励,感想到老一辈航天人对年轻人的支持跟断定,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、褒奖申报,都给了年轻人足够的科研能源。此外,舍得投入、宽容失败,鼓励大家释怀去做、英勇去想的机制激励着他们一步步推进创新与变更。庄保堂讲到,正是一次次的勇敢尝试,否认再否定、颠覆再推翻,让他们快速成长。

  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,失掉2017年度北京市科学技术奖一等奖。

  2018年11月19日,中国应用“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,发射次数遥遥当先于其余航天发射大国。

  在轨卫星是对国度保险和国民经济建设存在重要意思的空间资源。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生效,如果能在太空为其补加燃料,实现卫星推进剂的重复加注跟高效运用,带来的经济效益将十分可观。

  此外,想要实现反复加注义务,服务卫星和在轨卫星须要进行对接,在太空进行这种无人操作,庞杂性高、难度大,且对对接精准度的恳求极高。项目组研讨出了一种基于球面轴承和浮滚动簧组的五自由度地位与姿态误差措施,建立起接口和婉对接能源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构造,解决了卫星密封接口高精度、自导向、柔顺自主对接等困难。

  与此同时,项目团队也在思考,如何提升残余流量的测量精度,来更加精准地猜想卫星应用寿命。“以往个别是通过压力、温度变革等参数来打算。当猜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,大略误差正负六个月左右。其团队脑洞大开,发现性地创造了一种适用于卫星推进系统的高精度超声波流量计,能够通过超声波的方式,以其穿过液体的时间差来测算流速,进一步盘算推进计量。该项技术将测量精度先进了一倍,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本钱。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。

  庄保堂是2011年来到中国航天科技集团北京操纵工程研究所工作的。当时,我国的航天正处于蓬勃发展期,这也是他工作之后加入的第一个重要名目。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。“航天报国的妄图,让大家凝聚在一起。这些年青人都空想着自己的科研成果可能飞向太空,那会有无限的自豪感。”他说。

  补充板式贮箱空白,实现流量的高精度测量

  “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。庄保堂明白地记得,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,都会仔细地去寻找起因,从新修改与优化。“在这样的不断试错中,获取了更多的技术更新和教训积累。”

  无论是流量的驱动仍是液体的传输,泵都是其中的核心部件。目前空间上所利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,完美解决了推动剂对电机的堕落性问题。

  在这些重要的航天器中,微重力流体的高效管理和高精度节制至关重要。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名义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团体北京控制工程研究所的一支年轻的“80后”团队。

  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,实现范畴化生产,切实服务于我国通信、遥感、迷信探测等国家重大工程。该系列技术应用在40颗高低轨卫星,全面晋升了我国卫星的技术水平和品格,并实现多颗卫星出口,服务“一带一路”提倡。此外还带动了相关流体类产品的研制和应用,比喻贮箱类、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余民用范畴,如人工心脏泵、医疗计量器械、汽车热控系统等。

  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供应了强大的物质基础,更注入了宝贵的无形资产,立异意识、以人为本、可持续发展等伴随着改革开放诞生成长的进步理念,使航天事业取得了更增强盛的加速推力。

  通常,卫星贮箱中的流体都是由惰性气体和推进剂组成,根据需要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,气液不会浮现高下分层,而是处于悬浮状态。要为在轨卫星发动机供给不夹气的推进剂,最大限度实现推进剂的有效利用,就需要克服四大艰苦:难定位、难丈量、难把持、难补给。

  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”国家科技翻新打算》将“深空探测及空间翱翔器在轨服务与维护体系”列入重大名目,在轨存储与补给是该项目标中心支撑技术。

  “改革开放为我国的航天事业注入了富强动力。”庄保堂对于本人所从事的范围充满了信心,“咱们当初已经逐步迈入航天强国。很荣幸自己可能成为其中的一份子,作为在改造开放中成长的新一代青年,咱们将连续不断探索,把个人决定和国家需要联系在一起,为祖国赢得名誉的同时,实现自己的人生价值,与祖国的科技进步同行。”

  着眼技巧细节,开拓流体治理系统的工程利用

  “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,由于结构限度,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,相对板式名义张力贮箱存在分量偏大、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,他们经由反复试验,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牢固性法则,由此发明了我国首个轻质长命命双叶片板式贮箱。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,可实现气液高效分辨和推进剂贮箱的在轨重复加注,挤出效率达99.85%,达到国际提高水平。

  “天高地迥,觉宇宙之无穷。”在一直仰望星空的进程中,新一代航天人正着眼当下每一个技术细节,精益求精。

  “板式贮箱的优点主要体当初两个方面,一是可以确保把液体排出同时不排出气体,二是能够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,同时可以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法令、传输速度等特点,由此设计并优化了板式贮箱的结构。研制过程中,团队成员经过重复设计、数值仿真、微重力实验、地笔试验,多次进行技能改进,实现了样机研制,最终形成了板式贮箱产品研制。