风云-4卫星推进系统提升我国航天器空间进入能力

唐飞 梁军强 马云华 （北京控制工程研究所）

风云-4卫星推进系统提升我国航天器空间进入能力

FY-4 Satellite Propulsion System Enhances China's Capability to Access Space

唐飞 梁军强 马云华 （北京控制工程研究所）

2016年12月11日，我国风云-4气象卫星发射成功，历经5次远地点变轨和2次近地点捕获后，于12月17日成功定点于105°（E）赤道上空，使我国成为继日本和美国后成功发射新一代静止轨道气象卫星的国家。作为新一代气象卫星的首发科研卫星，风云-4卫星采用了北京控制工程研究所设计的先进推进系统技术，能够实现推进系统的混合比调节和推进剂剩余量精确测量，是我国第一个真正实现在轨推进系统技术指标主动调节的航天器。风云-4卫星推进系统的完美表现，不仅是北京控制工程研究所航天器推进系统设计能力的体现，同时也是大幅度提升我国航天器空间进入能力的一次展示。

1 引言

与以往高轨卫星不同，风云-4卫星属于桁架式结构，推进系统采用4个贮箱，其中氧化剂贮箱和燃烧剂贮箱各2个，它们之间采用并联交错布置的安装方式。若2个并联贮箱不能够实现平衡排放，将会产生严重的后果。首先，会导致质心偏移，增加姿态控制的难度和成本，严重时甚至会导致卫星姿态失控；其次，单个贮箱排空后可能会导致贮箱内的增压氦气进入管路，这些都会给卫星的正常运行带来危险。

同时，风云-4卫星发射入轨后，其推进系统需要解决下一个面临的问题，即推进剂的剩余情况。事实上，空间液体推进剂剩余量测量正是伴随着液体推进剂在航天器上的使用而出现的航天技术难题。准确可靠的空间液体推进剂剩余量测量，不仅是航天技术发展本身提出的急需解决的课题，而且也是能够带来显著经济效益和航天器在轨管理效益的关键技术。对于大平台的高轨卫星，液体推进剂快耗尽时的准确测量和预报更加重要，不仅影响实际的经济效益，而且关系到空间轨道资源的利用率。

为了解决上述问题给航天器带来的困扰，风云-4卫星推进系统配置了独特的模块——气体旁路模块。该模块独立于气体增压模块，由气瓶直接连接至推进剂贮箱。考虑到贮箱补气和采用气体激励法准确控制由气瓶注入贮箱内的氦气量，所以在旁路系统上设置了气容。旁路上还设置了一些阀门，按一定的时序工作，可实现推进剂剩余量的精确测量以及贮箱之间推进剂平衡排放的功能。

2 风云-4卫星推进系统研制历程简介

回首十多年来风云-4卫星推进系统的研制历程，作为当时在研的推进系统技术指标要求最高的航天器，整个研制过程中需要克服重重困难。在北京控制工程研究所及推进系统部各级领导、型号两总的精心指挥和周密部署下，推进系统研制队伍坚持紧握战胜困难的几大法宝，有力践行“严、慎、细、实”的优良工作作风，不放过任何一个问题，落实每一处技术细节，为推进系统在轨的完美表现奠定了坚实基础。在模样和初样研制阶段，先后开展了推进系统仿真分析、全系统水力学试验、整星热试车等分析和试验验证工作，对整个推进系统的性能和可靠性进行了全面的分析和验证。2014年，风云-4卫星推进分系统转入正样研制阶段。2016年10月，卫星推进分系统完成出厂研制工作。

3 风云-4卫星推进系统主要技术特点

推进分系统由北京控制工程研究所设计研制。相对于东方红-3、4平台，风云-4卫星采用四贮箱并联结构，系统设计上增加了气体旁路，以满足推进剂剩余量精确测量和平衡排放精确控制问题，同时解决了气路系统单点故障问题，提高了系统的可靠性。与此同时，风云-4卫星推进系统采用高精度压力传感器、增加旁路系统调压控制和剩余量测量功能，在线路小型化的基础上适当增加阀门驱动备份功能。

风云-4卫星的发射质量为5400kg，可以携带的推进剂质量为3100kg，能够满足在轨7年的寿命要求。其推进系统在轨期间完成的主要任务包括：卫星变轨机动、同步轨道定点捕获、位置保持以及卫星各阶段姿态控制和调整。

风云-4卫星推进系统的技术特点主要包括：

1）该卫星推进系统的推进剂剩余量测量精度是国内在轨飞行器中最高的。传统双组元卫星一般采用“压力-体积-温度”法和记账法对在轨卫星推进剂剩余量进行测量，测量精度约为6个月；而风云-4卫星推进系统采用气体注入法进行推进剂剩余量测量，测量精度约为1.5个月。

2）该卫星推进系统在国内飞行器中首次具备混合比主动调节功能。传统双组元卫星推进系统混合比的要求为1.65±3%；风云-4卫星推进系统由于具有系统混合比调节功能，能够精确控制贮箱推进剂的不平衡排放，因此推进系统混合比指标优于1.65±2%。

3）该卫星推进系统首次解决了双组元推进系统的减压器单点故障问题。以往双组元卫星推进系统的减压器作为分系统的单点故障，没有功能冗余，减压功能失效，会使贮箱压力升高，威胁整星安全；由于设置了气体旁路，风云-4卫星推进系统主气路减压器如果发生故障，可以切换旁路并结合阀门开关时序，使整个系统维持恒压工作模式，避免整星工作失效。

风云-4卫星推进系统的研制成功主要突破了如下关键技术。

1）推进系统地面水试和热试技术。新平台卫星推进技术在转正样研制前，需要开展地面水试星和热试星工作。试验中，需要通过协调模式、点火模式、水击模式、旁路工作模式等试验，验证推进系统的系统匹配性、整星推进剂加注流程的合理性、气体旁路工作时序的合理性以及水击工作的系统安全性，并考核气体注入法的推进剂剩余量测量精度以及系统混合比调节能力。通过多轮重复的水试和热试试验，充分验证了风云-4卫星推进系统设计的合理性和可靠性。

2）高精度的推进系统仿真技术。高精度的推进系统仿真技术，包括推进系统单机产品特性仿真建模和推进系统性能高精度数值仿真软件两部分。开展卫星推进系统常用液路组件流动的特性验证试验，结合单机产品特性的专项测试结果，对单机仿真模型的流量压降特性进行校准，提高单机产品的仿真模型精度。在单机仿真模型基础上，研制双组元推进系统性能的高精度数值仿真软件，进行系统工作过程中的流量-压降特性、水击效应、推进系统极限情况下的性能仿真分析等，提高推进系统工作的可靠性。

3）推进系统联调联试平台技术。推进系统联调联试平台包括气路系统（带电爆阀）试验验证系统、电性能测试验证系统、液路系统联调联试系统、数据采集及测试系统。进行推进系统正常性能试验验证、启动冲击试验、拉偏工况试验验证、系统故障试验验证，具备真实推进系统的联调联试试验验证能力。对系统性能进行充分的测试与验证，包括系统各点的流量、压降特性，单机出现故障后的系统性能的试验与验证，系统改进后的技术验证等。

4 风云-4卫星推进系统在轨运行情况

2016年12月11日，风云-4卫星在西昌卫星发射中心由长征-3B运载火箭发射，星箭分离后推进系统的所有遥测参数正常。

2016年12月11日-16日，卫星进行5次远地点点火工作，推进系统工作正常。在490N发动机工作过程中，推进系统的混合比满足总体的技术要求。其中，平衡排放指标满足总体的技术要求。随后，进行了2次定点捕获，10N推力器工作正常。

2016年12月30日，卫星推进系统开启气体旁路，利用气体注入法对4个推进剂贮箱进行了推进剂剩余量测量，综合控制系统姿态计算及轨道转移期间的计算结果，推进剂剩余量测量精度满足总体技术要求。

综合来看，风云-4卫星推进系统变轨过程表现出色，各项指标均满足任务要求，为后续大型桁架式高轨卫星推进系统设计提供了成功经验。

5 结束语

风云-4卫星推进系统是我国继东方红-3、东方红-4大平台卫星之后，性能又一次实现跨越式升级的推进系统，它突破了多项关键技术，拥有多项自主知识产权，技术流程复杂、研制难度大，系统的主要指标和性能参数达到了国际同类产品的先进水平。

该卫星推进系统的成功研制，为我国全面进入空间领域奠定了基础，依托该桁架式平台结构及气体旁路技术，未来可以研制大平台、多贮箱、对接灵活的推进模块，以适应更加复杂多样化的航天任务。