天空二号推进剂在轨补加技术——实现太空加油

众所周知，航天器在轨运行期间，需要消耗推进剂来维持轨道和姿态，也就说常说的太空漫游。但航天器发射时所携带的推进剂的量是一定的，推进剂消耗完毕，也就意味着航天器寿命的终结。没油了，怎么办呢？推进剂补加技术则突破了这种局限。也就是说，一旦宇宙空间站没有能量了，在宇宙中悬浮了，动不了了，就可以发射航天器到太空中给宇宙空间站输送能量，使得宇宙空间站的寿命大大延长。“天宫二号”是我国第一个具备太空补加功能的载人航天实验室，并将首次进行推进剂太空补加技术试验，为以后空间站任务提供技术储备。

火箭发射

天空实验室内部结构图

推进剂补加，原理貌似简单，就如同给汽车加油一样，但要在太空中实现这一任务，是世界范围内的难题。推进剂不同于汽油、柴油，它具有高毒性和强腐蚀性，即便在地面进行加注，也需要二十几个人小心翼翼地操作一周左右。在太空失重的环境下，完全通过程序控制实现推进剂的在轨补加，难度可想而知！

“目前我们已掌握的交会对接技术只是空间站关键技术之一，能实现向空间站送人运货。”

航天科技集团六院质量技术部副部长谭松林说，目前国际上只有俄罗斯完全掌握了空间站补加技术，国际空间站这部分功能主要由俄罗斯完成。美国虽然开展了相关实验，但没有建成实用性系统。欧空局、日本也有飞船能实现推进剂补加，但不能说完全掌握。

补加过程是几十个串联步骤的复杂流程，稍有操作不当就可能全盘失败，补加流程该怎样设计是关键的一步，用什么方案，是保证后续设计制造的根本。

“因为国内外没有相关资料可供参考，所以只能通过仿真计算得到理论的补加参数，再根据系统原理图推演货运飞船和空间实验室交会对接后的工作模式，初步确定出可行的补加流程方案，再通过试验加以验证。”负责此次项目的航天科技集团六院801所副主任设计师顾帅华说。

为确定不同方案的优劣，寻求最为优化的补加流程，为此，航天工作者还做了两次真空吹除试验，确定了最为优化的吹除口型面和吹除程序。这也是国内首次进行的推进剂吹除试验。

“天宫二号”上进行推进剂补加任务启动于2011年天宫一号与神舟八号完成交会对接之后。当时，天宫二号的总装、供电、控制和信息流业已定型，要在原有的推进系统中嵌入补加功能，就要从设计余量中找到资源提供给新增的补加系统，而且要对天宫二号进行系统方案的改装。对正样产品进行如此大的改装，这在国内尚属首次，不仅毫无经验可循，而且要求补加系统增加的单机，不能多，不能重，不能大，不能影响原来已经安装的设备，不能超出控制通道数量，遥测参数不能破上限，即便是指令条数也有严格限制。五年，困难重重，限制重重。

要在天宫二号上增装补加系统，因为是改装方案，所以首先要解决的就是系统方案的实现问题。一没有实物，二没有技术参数，航天六院801所展开了头脑风暴，只有先确定了机电热的边界条件。

边界条件说通俗一点就是考虑模拟宇宙的所有温度、失重等各种极端条件，然后针对这些排列组合出若干种方案，选择材料，进入实验室，用计算机模拟得出各种参数，不断加以修改和参照。

要实现在轨补加功能，核心单机便是压气机，这也是研制难度最大的单机，目前空间站用的小型压气机技术只掌握在极少数航天强国手中，花费在数千万美元，而且由于技术保护等原因根本无法购得。甚至连航天大国美国也没有掌握这一绝密技术，宇宙空间站也是用俄罗斯的航天器进行燃料补燃。而国内地面的两级增压压气机重量不能适应空间微重力环境，无法直接应用。

为什么补燃的核心技术是压气机？众所周知，宇宙中是没有气体的，液体在宇宙中失重的条件下是悬浮的，空间站和航天器之中的燃料都是浓缩的液体形态，没有压力，液体是无法流动，而压气机的原理就是利用高压气体使得液体进行流动，简单说来就是利用压差原理，进行补燃。那么问题来了，压气机要想实现液体间的流动，压气机中的气从哪里来？

“我们在对国内外压气机技术广泛调研的基础上，首先确定了压气机的选型和原理性方案，设计了一种抽气和压气一体的气压机，简单说来就是航天器在运行的时候会因为燃烧产生气体，这些气体都是有害的，在航天器中有专门的气体回收设备，对这些气体先进行回收储存，压气机再进行无缝对接后，压气机把空间站燃料室里的回收设备和燃料室中的气体先进行抽取，使得燃料室中出现真空状态，并把新的燃料利用抽取的气体强大的压差，注入空间站燃料室。”航天科技集团六院801所副主任设计师顾帅华说。

经过一年多的努力，团队完成了首台压气机原理样机的技术攻关，解决了液压油管理、液压油供应、润滑和基本性能指标的实现等问题。同年完成了工程样机的总装，并开始着手工程样机的测试。壳体成型、失重环境下的液压油管理、惯性轮制动、部件发热量指标控制、对电机启动过载保护、流体动密封……五年时间，航天六院先后完成了压气机原理样机、工程样机、初样和正样的研制与生产任务，攻克了20余项技术难题，多项技术申报并获得国家发明专利，为我国推进剂在轨补加技术的实现攻破了最为关键的一环。

“这项技术的掌握具有广泛应用前景，可用于延长卫星等飞行器的寿命，延长飞行器使用的时间，非常有意义。”航天科技集团六院质量技术部副部长谭松林说。

谭松林同时介绍，该项任务还将致力于突破和掌握航天员中期驻留、再生式生命保障等空间站关键技术。随着我国载人航天工程的推进，航天员的飞行时间越来越长，从杨利伟飞行一天，到神舟十号乘组飞行十多天，中国宇宙空间站一旦建立，后续任务的飞行时间还会更长。再生式生命保障技术，我国也一直在开展研究，但同样需要时间的积累。此外，任务中还将开展一定规模的空间应用和大量空间实验。

按照计划，我国将于2018年前后发射试验性核心舱。核心舱是空间站的核心部分，具备提供能源、变轨、姿态控制等能力，能支持空间站的基本运行。其入轨飞行后，才能发射其他舱段与之对接。

我国将在2022年前后研制并发射基本模块为20吨级舱段组合的空间站，突破和掌握近地空间站组合体的建造和运营技术、近地空间站长期载人飞行技术，开展较大规模的空间应用。

“目前各项研制建设工作正按预订计划稳步推进：天宫二号空间实验室、天舟货运飞船、长征七号运载火箭、神舟十一号飞船和长征二号F遥十一火箭等主要飞行产品，已进入研制生产的关键阶段；航天员和有关地面设备设施进入飞行任务准备阶段，空间站核心舱和两个实验舱也将全面转入飞行产品的研制试验阶段。”谭松林说。

（编辑：陈佳雯）