航天器推進系統
關注創建者：航模無人機干貨分享 創建時間：2022-09-20
航天器推進系統的實例教程
摘要:載人登月航天器完成近月制動和著陸下降等空間任務，需要裝載大量推進劑，推進系統方案選擇是航天器總體方案設計優化的重要組成部分。建立了推進系統關鍵組件設計仿真模型，仿真分析了推進系統質量和干重系數隨推進劑裝載量的變化規律，并對比了20 t級載人登月航天器擠壓和泵壓推進系統方案。結果表明:推進系統方案質量與推進劑裝載量有關，推進劑裝載量越大，泵壓推進系統輕量化優勢越大，主要由泵壓系統貯箱質量較輕導致；球形封頭貯箱輕量化可采用增加貯箱封頭直徑的技術途徑，橢球形封頭貯箱輕量化可采用增加貯箱圓柱段長度的技術途徑；對20 t級載人登月航天器算例進行仿真分析表明，從實現系統輕量化角度出發，宜選用泵壓推進系統方案。
關鍵詞:載人月球探測；航天器；推進系統；仿真分析
1 引言
推進系統是航天器的重要組成部分，為航天器軌道機動和姿態控制提供推力和控制力矩。隨著空間探測任務的日益廣泛，推進系統在航天器中的作用以及質量占比越來越大，推進系統方案和性能的優劣顯著影響航天器設計水平和任務效益[1-3]。航天器通常選用空間應用成熟度高的液體推進系統，液體推進系統按照推進劑輸送方式主要分為擠壓推進系統和泵壓推進系統，擠壓推進系統方案因其系統簡單可靠的突出特點在航天器中應用最廣泛[4-8]。
在載人月球探測任務中，航天器為運送航天員和載荷逃逸出地球完成月球探測和返回，需要裝載大量推進劑為探測任務提供需要的速度增量。推進系統方案選擇需要考慮技術基礎、系統性能、輕量化、可靠性和安全性等因素[9-14]。本文從推進系統輕量化角度出發，建立推進系統關鍵組件設計仿真模型，研究分析航天器擠壓和泵壓推進系統質量變化規律、關鍵影響因素及其應用優勢，為載人月球探測航天器推進系統方案選擇提供支撐。
展開 擴壓器中兩個位置的速度分布圖，其中將模型結果（線）與實驗數據（菱形）進行比較。
總的來說，仿真結果與實驗結果相當一致，這表明 CFD 模塊可以精確地求解高速湍流，包括超音速流動和激波。利用這一功能，工程技術人員可以優化跨音速擴壓器的設計，并增強超音速飛機的推進系統。
來源：COMSOL
針對國內外航天器熱控制、熱管理技術的發展現狀,在詳細調研各種航天器熱控系統組成原理與功能實現方式的基礎上,從可靠性的角度出發,歸納、總結了航天器熱控系統中串聯、并聯、表決、儲備四種常見的可靠性設計模式及其相應的可靠性分析計算模型,介紹了其在空間站、月球探測
航天器熱控系統的可靠性設計與分析.pdf
Aerojet Rocketdyne 最近完成了增強型反應控制推進器系統的鑒定測試，這個推進器系統將專門用于NASA 獵戶座太空船載人模塊，其中的發動機噴嘴延伸部分是采用3D打印技術制造的。Aerojet Rocketdyne 稱這是有史以來第一次將增材制造的零件安裝在載人航天器上。
圖片來源：engadget
更高設計自由度，縮短制造時間
獵戶座太空飛船是NASA的新型宇宙飛船，是由洛克希德·馬丁公司負責設計和建造的飛船。飛船由兩個飛行器構成，它們分別是：載人探測飛船（CEV）和貨物運載火箭（CLV）。獵戶座飛船內部空間比阿波羅飛船大2.5倍，最多可容納6名宇航員。
Aerojet Rocketdyne 宣布獵戶座太空飛船的反應控制推進器系統測試已獲成功，這意味著飛船的載人模塊能夠安全地重新進入地球大氣層。同時，這次測試的成功也為獵戶座太空飛船做第二次試飛掃平道路。這次測試也是對月軌內空間的第一次任務-探索任務-1（EM-1）。
圖片來源：NASA
在NASA的太空發射系統（SLS）火箭的首次飛行中，獵戶座被發射至月球，反應控制推進器對于獵戶座太空飛船在完成EM-1探索任務后安全返回地球和未來飛行任務都至關重要。
Aerojet Rocketdyne 采用了3D打印/增材制造工藝來制造反應控制推進器系統發動機噴嘴延伸部分。Aerojet Rocketdyne 表示，這些3D打印部件標志著載人航天器將首次使用增材制造的零件。
根據3D科學谷的市場觀察，Aerojet Rocketdyne 采用3D打印技術的原因是為推進器部件獲得更高的設計自由度，并且縮短部件的制造時間。
展開 航天器電力系統介紹
航天器電源系統肩負著為航天器整星供電的重任，是航天器系統的關鍵組成，也稱為航天器供配電系統。
一般通用的航天器電源系統如圖1.1所示。雖然下圖并不能完全描述所有的情況，實際中會根據可靠性要求、不同的電壓等級或瞬時功率（或電流）負載的需求、不同的軌道任務需求，會衍生出多個不同架構電源系統，這些不同的架構的電源系統可以單獨使用，可以并聯使用，也可以混合使用，但是各類的電源系統都可以據此電路派生出來的，參考自參考文獻[1]。
圖1.1 基本框架
各部分主要功能：
空間陽照環境：描述環境量的模塊，需要計算出光照強度、太陽光線矢量等。
航天器姿態：需計算出太陽光線矢量、太陽翼對日定向、航天器姿態 三者耦合影響下的遮擋情況、太陽入射角等；
太陽電池陣：根據環境和姿態模塊的計算結果，計算電池陣在某溫度下的發電功率，并傳遞給電源控制器模塊；
電源控制器：采集蓄電池組、輸出端的電信息，計算負載功率需求，依據發電功率對負載、蓄電池的功率進行分配、調度和調節，并在必要時進行分流。
蓄電池組：根據電源控制器的功率調度信息，進行充電或放電。
配電器、負載模型：根據飛行程序的設置，實時模擬出所需的各類負載功率。
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航天器推進系統的最新內容
在航空航天領域，可搭建真空環境，驗證特種電機在端條件下的運行穩定性，為航天器推進系統提供數據支撐；在工業生產領域，可模擬突變負載、連續運轉等工況，測試電機的耐久性與抗干擾能力，避免因理論與實際脫節導致的設備故障。這種“還原真實場景”的測試能力，是理論試驗永遠無法企及的核心競爭力，也是電機試驗平臺成為“實測硬底氣”的關鍵所在。
高精度的測量與分析，讓實測數據更具權威性。
? 航空航天特種研發
定制真空適配款平臺，可模擬真空、高溫相當端環境，測試特種電機運行穩定性，為航天器推進系統研發提供核心實測數據。
航空航天電機</p><p>場景：飛機電傳操縱系統電機、衛星姿態控制電機、航天器推進系統電機。</p><p>優勢：高可靠性（扁線繞組結構更穩固，抗振動能力強）、輕量化（符合航空減重要求），如部分無人機和輕型飛機的驅動電機已采用扁線技術。</p><p>2）. 特種裝備</p><p>場景：艦艇推進電機、軌道交通牽引電機（如高鐵輔助供電系統電機）、軍工設備驅動電機。
關鍵詞:載人月球探測；航天器；推進系統；仿真分析
1 引言
推進系統是航天器的重要組成部分，為航天器軌道機動和姿態控制提供推力和控制力矩。隨著空間探測任務的日益廣泛，推進系統在航天器中的作用以及質量占比越來越大，推進系統方案和性能的優劣顯著影響航天器設計水平和任務效益[1-3]。
航天器電力系統介紹
航天器電源系統肩負著為航天器整星供電的重任，是航天器系統的關鍵組成，也稱為航天器供配電系統。
一般通用的航天器電源系統如圖1.1所示。雖然下圖并不能完全描述所有的情況，實際中會根據可靠性要求、不同的電壓等級或瞬時功率（或電流）負載的需求、不同的軌道任務需求，會衍生出多個不同架構電源系統
研究表明，氫能及氫燃料電池技術有望大規模應用在汽車、便攜式發電和固定發電站等領域，也是航空航天飛行器、船舶推進系統的重要技術備選方案，但面臨低生產成本（電解質、催化劑等基礎材料）、結構緊湊性、耐久性及壽命三大挑戰。美國能源部燃料電池技術項目研究認為，燃料電池電動汽車是減少溫室氣體排放、降低石油使用量的最有效路徑之一，隨著技術進步，全過程生產成本和氫燃料成本將與其他類型車輛及燃料相當。
從家用暖通空調系統到航天器噴射器，擴壓器在各個領域得到了廣泛的應用。例如，擴壓器常用于超音速飛機，比如其中的沖壓式噴氣發動機，用于減緩流體流動并增大靜壓。為了設計適用于超音速應用的跨音速擴壓器，工程技術人員必須考慮高速湍流和激波等因素。正如本文中的基準模型所闡明的，這些復雜現象可以借助 COMSOL 軟件進行精確的分析。
利用跨音速擴壓器減慢超音速
擴壓器有兩個主要用途
航天器推進系統中的渦輪增壓器的剖面圖。圖片由 Quentin Schwinn（美國宇航局）提供，此作品在美國處于公有領域，通過 Wikimedia Commons 分享。
在發動機系統中，支撐渦輪增壓器的流體動力軸承中存在的交叉耦合力在轉子中通常起負阻尼作用。負阻尼會增加軸承失效的風險，實際上整個系統的故障風險都會增大。如果車輛發動機中的渦輪增壓器發生故障，汽車可能會起火。
Aerojet Rocketdyne 最近完成了增強型反應控制推進器系統的鑒定測試，這個推進器系統將專門用于NASA 獵戶座太空船載人模塊，其中的發動機噴嘴延伸部分是采用3D打印技術制造的。Aerojet Rocketdyne 稱這是有史以來第一次將增材制造的零件安裝在載人航天器上。
圖片來源：engadget
更高設計自由度，縮短制造時間
獵戶座太空飛船是
VerdeGo Aero公司意識到新興的電動垂直起降(eVTOL)市場對推進技術發展的迫切需要，而目前的純電推進技術短期內無法滿足需求，因此決定將重點從平臺研發轉向混合動力系統。
VerdeGo Aero公司創立于2017年12月，位于安柏瑞德航空大學佛羅里達州代托納的MicaPlex孵化器內，由查理·林德伯格（Charles Lindbergh）的孫子埃里克·林德伯格（Erik Lindbergh
