卫星推进系统仿真平台架构设计与实现

刘晓丰　何欣

摘 要 针对卫星推进系统设计周期长、成本高、故障复现难度大等特点，文章利用数值仿真的方法构建了一种推进系统仿真平台。该仿真平台由卫星模拟系统、环境动力学模拟系统、数据处理系统和仿真时间管理系统四部分组成，四个模拟系统完成对卫星、空间环境、以及地面遥测遥控的模拟。在该平台下对推进系统进行了总体仿真。该仿真平台能够为推进系统故障复现与诊断提供支持。

关键词 推进系统；仿真；故障诊断

中图分类号：V416 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）14-0009-02

航天器推进系统承载着卫星轨道与姿态控制、轨道与姿态机动及位置保持等各种功能。推进系统在卫星上扮演重要角色，其性能好坏，直接影响卫星的控制精度、寿命与可靠性；航天器推进系统绝大部分时间处于落压式工作阶段，并且推力器的推力是不稳定的，尤其是处于落压式工作阶段，因而产生的力与力矩的大小也不是恒定的。工程实践表明，非稳态阶段推进系统各物理参数急剧变化，是推进系统故障发生的敏感期，还可将仿真结果用于故障复现仿真系统。

航天器推进系统结构复杂，研制生产周期长，试验成本高，试验安全性要求高。大量的研究工作依靠试验来完成是不经济的，有些甚至是不可能的。数值仿真技术的出现为解决研制、试验过程中的一些难题提供了一个很好的平台。与试验相比，数值仿真不受外部条件制约，具有优良的可控性和无破坏性，可重复使用。基于理论模型的数值仿真可以在一定程度上分析和预估推进系统性能，为推进系统的设计和研制提供有价值的参考。数值仿真和试验相结合，可以显著降低研制成本，缩短研制周期，已经成为现代航天领域普遍采用的研究方法[1]。

1 推进系统组成与工作原理

1.1 推进系统的组成

以某卫星平台为例，推进系统主要的部件包括贮箱（氧化剂箱和还原剂箱）、气瓶（2个氦气瓶）、1台远地点发动机、12个姿控推力器以及一些阀门。推进系统的结构如图1所示。

1.2 卫星推进系统的模块划分

根据推进系统的结构，推进系统可以划分成以下模块：贮箱模块、气瓶模块、推力器模块和远地点发动机模块。

1.2.1 贮箱

贮箱分为氧化剂箱和燃料箱两部分，可以通过阀门的开关以及燃料的流速控制贮箱内的压力以及燃料变化。除此以外，贮箱的一些相关参数还与贮箱的温度有关。

1.2.2 高压气瓶

高压气瓶内储存的气体是一般氦气。气瓶是与贮箱相连接的。在推力器或远地点发动机工作时，必须保证贮箱内有一定的压力，从而把燃料和氧化剂从气瓶内压出，而气瓶正是保障贮箱内保持预期压力的装置。

1.2.3 推力器

推力器是卫星进行姿态控制，东西位置保持和南北位置保持以及轨道机动等的主要部件。某卫星平台有12个姿控推力器。推力器模块主要功能是计算推力器提供的推力，如果推进系统恒压工作，姿控推力器提供的推力是额定值；如果落压工作，那么推力器提供的推力与燃烧室的压力有关。

1.2.4 轨控发动机

某卫星平台轨控发动机提供的标准推力为轨控。如果推进系统恒压工作，轨控远地点发动机提供的推力是轨控；如果推进系统落压工作，远地点发动机提供的推力与燃烧室的压力

有关。

2 推进系统的仿真平台的架构设计

在星箭分离后，第一次远地点点火前，所有推力器按落压式工作，预充的氦气作为挤压气体；由姿控推力器完成星箭分离后阻尼，太阳捕获并建立绕负Z轴的慢旋。远地点发动在推进系统的远地点发动机点火是按恒压工作模式，高压气路和液体主管路的常闭电爆阀通电打开，减压器处于工作状态；为防止推进剂蒸汽混合，在减压器下游设置单向阀；由姿控推力器，把卫星调整到远地点点火姿态，姿控推力器使推进剂沉底。远地点发动机点火期间，姿控推力器保持稳定点火姿态。远地点发动机变轨完毕后，常开电爆阀通电，使之关闭。这样远地点发动机、高压气瓶、减压阀和单向阀等与正常轨道运行的贮箱，自锁阀和姿控推力器等部件隔开。推进系统按落压式工作，完成卫星姿控，东西位置保持和南北位置保持。星上12台姿控推力器分为两个独立互为备份的半系统。

姿控推力器除了完成卫星姿控和南北位置保持等机动任务外，还可作为轨控发动机备份，在轨控发动机出现故障时，由多台姿控推力器完成转移轨道的变轨任务，因此要求姿控推力器具有高总冲和长寿命。

此外，卫星推进系统与热控系统、姿轨控、遥测遥控系统之间是耦合的。贮箱和气瓶的压力与温度有关，推进系统的阀门的开关需要地面提供遥控指令。

根据卫星推进系统工作原理，推进系统的总体仿真平台结构如图2所示。

3 推进系统总体仿真

本文编写了卫星推进系统仿真平台软件，包括对卫星姿轨控、天体、卫星热控系统以及时间系统、三维演示系统的模拟。对卫星推进系统进行了总体仿真。仿真数据一方面发送到OSG进行三维演示，另一方面归档至Acess数据库，如图3所示。

三维演示模型可以获得推进系统各个部件参数的瞬时数据，通过半实物仿真很好的实现了所有的数据传输，对数据结果进行直观的分析。

4 结论

本文主要介绍了卫星推进系统的组成、工作原理、推进系统部件模型以及组件建立的方法，用C++编写了推进系统的仿真程序，对推进系统进行了仿真。该仿真平台能够为故障诊断与复现提供支持。

参考文献

[1]毛根旺，唐金兰，等.航天器推进系统及其应用[M].西安：西北工业大学出版社，2009：73-190.

作者简介

刘晓丰（1984-），男，汉族，吉林长春人，硕士，主要从事空间光学遥感技术，卫星系统仿真。

何欣，研究员，吉林长春人，主要从事光学遥感技术。endprint