FA03航天器在轨燃料补加技术2

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1、A00-42920AIAA-2000-5107航天器在轨燃料补加技术大卫·J·查托美国宇航局格伦研究中心俄亥俄州克里福兰市美国航空航天学会2000年会议和博览会九月19-21日，2000年/加利福尼亚长滩航天器在轨燃料补加技术大卫·J·查托美国宇航局格伦研究中心俄亥俄州克里福兰市摘要这篇论文探讨了航天器在轨燃料补加的技术现状。55项参考文献的研究结果被评估并概括出来。重点包括：国际空间站使用的俄罗斯进程系统；一项超流氦转移的飞行演示；以及大型低温系统的地面测试。谈及的关键技术包括无蒸汽液体外流，为防止液体排出进行的液体流入控制，以及传输

2、管线在轨交会的快速断开。简介在轨燃料补加是许多宇航员极为关注的一个主题。诸如人类对太阳系的探索以及天基激光导弹防御系统之类的未来任务，都需要在低重力环境下补加大量低温推进剂。近期，一篇空气动力学的论文（参考文献1）显示了在轨燃料补加对更多宇宙任务的重大效益，例如一个后继的全球定位卫星星座。继salyut-6之后的所有空间站都是用耐存推进剂进行惯常的燃料补加。新的国际空间站亦不例外。但是，近期美国推进舱的再供给计划被删除，暗示了这项操作的风险水平和固有不确定性。这篇论文旨在阐明燃料补加的已知信息以促进大众理解，并减少此类操作的风险。作者将

3、聚焦于液体管理，因为这是他的专业领域。只有当交会、对接、舱外活动和航天器部件可达性等重要主题与液体系统相关时，他才会涉及到它们。最后一点要注意的是：燃料补加系统必须在航天器发射之前就被设计进去，随着技术讨论的展开，会有明显的理由说明在轨改造系统几乎是不可能的。再供给的液体系统可以细分为三个部分：供液罐、传输管线和贮液罐。供液罐必须在不吸收蒸汽的情况下清空液体，并维持足够的压力级以迅速完成转移。传输管线必须在液体最小损耗的情况下连接两个罐体，受需求参数的制约，且保持低压降。对硬件的挑战包括可靠的对接装置；能够对太空真空密封的断线传输管线，

4、以及低热损传输系统。贮液罐在低重力下的补充面临了最多的科技挑战。液体管理的挑战包括低重力下罐中液体和蒸汽分布的不确定性，将罐中最大压力维持较低以减少液罐质量的需求，以及对低温液体来说，由留存在罐壁的残余能量作用而产生的蒸汽的巨大速率。在正常重力下的补充过程中，（液罐）顶部的一个排气孔保持在开启状态，以排出补充过程中产生的蒸汽，进而维持箱内低压。如果在低重力环境中应用相同方法，损耗的气体可能永远无法排出。大量的液体可能倾出舱外，而不是气体被排出。如果液体从一个无法推动的排气孔的一面排出，蒸汽从其另一面排出，飞船有可能失控翻转。飞船可在开放

5、一个排气孔的时候通过连续的推进器点火来放置损耗物，以此置身于一个人工的重力场中，但这可能需要专用的推进器和额外的推进剂。对于补充操作来说，由于在重力场中心所潜在的巨大位移，在推进的同时维持运液飞船与被补充飞船之间的控制可能相当困难。在某些地方，例如一个建设在空间站的补给站，出于系统规模巨大，推进可能是不现实的。这篇论文将探讨轨燃料补加的现今最新水平。谈及的主题包括燃料补加的历史、近期进展和进一步研究的机遇。在最后，将会列出为推动最新水平所计划的未来和潜在活动。换句话说，我们将会看到，随着讨论的展开，推进剂的理想解决方案可能甚至不会实现。

6、为促进对特殊与普通之物的认知，对传输系统的探讨将会划分为三个部分。第一部分是仿真测试与建模。第二部分是贮存系统。最后，第三个部分，是低温系统。讨论仿真测试与建模液体外流被广泛地在落塔中研究。贝米和阿卜杜拉（参考文献2）研究显示，无阻挡的零重力外流会导致高度界面失真。这种畸变会在高填充等级（34%满罐）时引起蒸汽吸收。因此，多数现代航天器依靠推进剂管理设备（PMD）进行液体外流。两种类型的PMD应运而生：屏幕通道和叶片装置。屏幕通道依靠在一个精细孔里的液体的表面张力来形成蒸汽的屏障。蒸汽在克服液体表面张力形成的压力之前无法进入潮湿的屏幕。

7、通常，屏幕被用作为一个中空通道的一面。多重的通道被安排遍及了整个箱体，以最大程度接触液体。将个别通道水平放置在标准重力中即可对它们进行测试（通常，屏幕能够承受至多几英寸的压位差）。航天器反应控制系统（RCS）就展现了一种典型的设计。叶片利用硬质材料的薄片形成一种在零重力环境中优先液湿的形状。盗号轨道飞行器所运用的设计就是前述的经典例子。叶片科技所拥有的优点是，存留液体中的气泡不会毁坏执行。并且，它往往也更加轻便、成本低廉。它的缺点是不能够在标准重力中进行测试。这两种科技可以结合起来：利用叶片将液体保留住不被排气孔排出，和利用屏幕作为蒸汽

8、吸收的最终屏障。参考文献5中的PMD是其一例。西蒙斯（参考文献6、8）以及西蒙斯与斯塔斯科斯（参考文献9）利用建立一系列落塔测试研究了零重力中流入液体的稳定性。测试使用了多种常温液体和透明罐体来观察液体流入