CN109110161B - 用于航天器在轨推进剂补加的飞行程序设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于航天器在轨推进剂补加的飞行程序设计方法，包括以下步骤：a.将推进剂补加过程中的航天器的飞行程序划分为多个子程序模块；b.根据推进剂补加方案中确定的补加贮箱类型和数量确定相应的子程序模块；c.按照时间轴顺序依次执行所述相应的子程序模块。根据本发明的用于航天器在轨推进剂补加的飞行程序设计方法可以解决推进补加各子事件间相互约束导致具体飞控实施难度大的问题，同时极大减轻地面飞控人员的工作量，缩短了推进补加的实施时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于航天器在轨推进剂补加的飞行程序设计方法。
背景技术
推进剂在轨补加技术为空间站建造所必需的关键技术之一，其基本原理为：携带推进剂的货运飞船(补加航天器)与空间站(被补加航天器)对接，空间站通过自身携带压气机为膜盒贮箱建立低气压环境，利用压力差将货运飞船携带的推进剂传输至空间站膜盒贮箱。
航天器配置的贮箱包括燃料贮箱和氧化剂贮箱，在轨根据各个贮箱的推进剂剩余情况决定是否需要对燃料贮箱或氧化剂贮箱进行补加，并计算所需补加贮箱的推进剂补加量。对燃料贮箱和氧化剂贮箱进行在轨补加的流程相同，其补加过程主要包括以下步骤：补加准备、补加管路连接、贮箱增压、补加管路检漏及放气、补加贮箱隔离及抽气、贮箱推进剂输送、补加管路吹除、补加管路分离及补加状态恢复。由于推进补加过程比较复杂，为保证在轨补加的安全性，要求当前补加步骤正常执行后才能执行后续补加动作，同时补加管路吹除需在地基测控站实施，推进贮箱抽气结束及推进剂输送结束指令需在测控站内完成，从而实现对补加过程的有效控制。在轨对航天器进行推进剂补加时，在天基和地基测控站中按补加流程执行相应步骤的补加飞行程序。
飞行程序是指航天器从发射到离轨整个飞行过程中各飞行事件的执行程序。传统的航天器飞行程序设计中，各飞行事件的完成时间一般比较固定，地面提前对飞行事件的执行时间和测控站安排进行规划，规划确定后生成各飞行事件对应的飞行程序，飞行程序中各指令的发送时间、发送指令的测控站均为事先确定状态，地面将生成的飞行程序注入给航天器后，航天器星载计算机在轨按计划发送相应指令，从而执行完成该飞行事件。一般情况下，不同飞行事件间关联耦合约束较小，不会因为当前事件未正常执行而影响下一个事件的执行。由于飞行事件状态固定，地面每次可以生成至少一天的飞行程序并提前注入，减轻了地面飞控的压力和工作量。但当前后飞行事件存在约束关系时，如当前飞行事件未正常执行则后续飞行事件的指令需停止发送，则为保证航天器在轨飞行的安全性，应在下一事件飞行程序执行前，将对应的飞行程序清掉。
由于推进补加过程分为多个步骤依次开展，补加过程中前后步骤间存在较强的耦合关系，且个别补加环节需要特殊的测控条件支持，传统的飞行程序设计方法已无法满足在轨实施推进剂补加任务的需求。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供一种适用于多边界条件、时域空域可控、能够实现在推进剂补加过程中既兼顾故障处置又不影响下一阶段程序的正常执行的飞行程序设计方法。
为实现上述发明目的，本发明提供一种用于航天器在轨推进剂补加的飞行程序设计方法，包括以下步骤：
a.将推进剂补加过程中的航天器的飞行程序划分为多个子程序模块；
b.根据推进剂补加方案中确定的补加贮箱类型和数量确定相应的子程序模块；
c.按照推进剂补加流程依次执行所述相应的子程序模块；
根据本发明的一个方面，所述子程序模块包括补加准备子程序、补加管路连接/分离子程序、补加贮箱增压子程序、补加管路检漏及放气子程序、燃/氧料补加贮箱隔离子程序、燃/氧料贮箱抽气子程序、燃/氧料贮箱推进剂输送子程序、燃/氧料补加管路吹除子程序和补加管路分离子程序及补加状态恢复子程序。
根据本发明的一个方面，所述燃/氧料补加贮箱隔离子程序、所述燃/氧料贮箱抽气子程序、燃/氧料贮箱推进剂输送子程序和燃/氧料补加管路吹除子程序根据推进剂补加方案中确定的补加贮箱类型和数量选择相应的子程序模块；
其中，推进剂补加方案为只进行燃料贮箱补加时，选择燃料补加贮箱隔离子程序、燃料贮箱抽气子程序、燃料贮箱推进剂输送子程序和燃料补加管路吹除子程序；
推进剂补加方案为只进行氧料贮箱补加时，选择氧料补加贮箱隔离子程序、氧料贮箱抽气子程序、氧料贮箱推进剂输送子程序和氧料补加管路吹除子程序。
根据本发明的一个方面，推进剂补加方案为对多个燃/氧料贮箱补加时，按序依次对各个贮箱进行补加，并且依次选择相应的子程序。
根据本发明的一个方面，在执行燃料补加管路吹除子程序或者氧料补加管路吹除子程序完成后，执行补加管路分离子程序。
根据本发明的一个方面，所述补加准备子程序、补加管路连接/分离子程序、补加贮箱增压子程序和补加管路检漏及放气子程序为通用子程序。
根据本发明的一个方面，所述补加管路检漏及放气子程序所需指令、所述补加管路分离子程序所需指令、所述补加状态恢复子程序所需指令以及所述燃/氧料补加贮箱隔离子程所需指令采用由地面按计划发送方式执行；
所述补加管路检漏及放气子程序所需管路放气指令采用由地面判断遥测后发送方式执行；
所述燃/氧料贮箱抽气子程序和所述燃/氧料贮箱推进剂输送子程序所需指令为以地面判断遥测后发送为主，辅以由地面按计划发送方式；
所述燃/氧料补加管路吹除子程序要求两个航天器间严格按时序发送指令，由地面提前上注指令数据，采用由航天器在轨按计划发送方式执行，同时地面提前准备清飞行程序注入数据。
根据本发明的一个方面，所述燃/氧料补加管路吹除子程序要求在地基测控站执行，所述燃/氧料补加管路吹除子程序安排在连续覆盖的地基测控站内执行。
根据本发明的一个方面，对各子程序的执行时间进行预估，实际在轨补加实施过程中，在各子程序的预估执行时间的基础上留有时间余量。
根据本发明的一个方面，所述燃/氧料贮箱抽气子程序和所述燃/氧料贮箱推进剂输送子程序的执行由地面控制人员根据航天器下行遥测对以上事件的结束时间进行提前预判，保证抽气结束指令的发送和推进剂输送结束指令的发送均在天基或地基测控站中执行。
根据本发明的设计方法，解决了推进补加各子事件间相互约束导致具体飞控实施难度大的问题，同时极大减轻地面飞控人员的工作量，缩短了推进补加的实施时间；
解决了补加事件执行时间不确定导致安全隐患的问题，实现了对补加过程在时域和空域上的有效控制；
可以满足补加过程对多重测控条件的约束，实现了对补加过程及补加具体实施时间的有效控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示意性表示根据本发明的用于航天器在轨推进剂补加的飞行程序设计方法的流程图；
图2示意性表示根据本发明的一种实施方式的推进剂补加飞行程序设计图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
图1示意性表示根据本发明的用于航天器在轨推进剂补加的飞行程序设计方法的流程图。如图1所示，根据本发明的用于航天器在轨推进剂补加的飞行程序设计方法包括以下步骤：
a.将推进剂补加过程中的航天器的飞行程序划分为多个子程序模块；
b.根据推进剂补加方案中确定的补加贮箱类型和数量确定相应的子程序模块；
c.按照推进剂补加流程依次执行相应的子程序模块。
根据本发明的一种实施方式，子程序模块包括补加准备子程序、补加管路连接/分离子程序、补加贮箱增压子程序、补加管路检漏及放气子程序、燃/氧料补加贮箱隔离子程序、燃/氧料贮箱抽气子程序、燃/氧料贮箱推进剂输送子程序、燃/氧料补加管路吹除子程序和补加管路分离子程序及补加状态恢复子程序。
在本实施方式中，根据推进剂在轨补加流程，将推进补加飞行程序划分为上述不同的子程序，每个子程序均按照模块化思想进行编排，即每个补加步骤对应一个子程序，如补加准备子程序、补加管路连接子程序等，具体实施时根据补加流程依次执行相应的补加子程序；当某一补加环节故障需进行处置导致后续动作无法正常执行时，可以灵活的对后续补加动作的实施进行重新规划。
图2示意性表示根据本发明的一种实施方式的推进剂补加飞行程序设计图。如图2所示，在本实施方式中，燃/氧料补加贮箱隔离子程序、燃/氧料贮箱抽气子程序、燃/氧料贮箱推进剂输送子程序和燃/氧料补加管路吹除子程序根据推进剂补加方案中确定的补加贮箱类型和数量选择相应的子程序模块；
其中，推进剂补加方案为只进行燃料贮箱补加时，选择燃料补加贮箱隔离子程序、燃料贮箱抽气子程序、燃料贮箱推进剂输送子程序和燃料补加管路吹除子程序；
推进剂补加方案为只进行氧料贮箱补加时，选择氧料补加贮箱隔离子程序、氧料贮箱抽气子程序、氧料贮箱推进剂输送子程序和氧料补加管路吹除子程序。
此外，推进剂补加方案为对多个燃/氧料贮箱补加时，按序依次对各个贮箱进行补加，并且依次选择相应的子程序。例如，补加燃贮箱后还需补加氧贮箱时，则在执行燃料补加贮箱隔离子程序、燃料贮箱抽气子程序、燃料贮箱推进剂输送子程序和燃料补加管路吹除子程序完成后，执行氧料补加贮箱隔离子程序、氧料贮箱抽气子程序、氧料贮箱推进剂输送子程序和氧料补加管路吹除子程序。当然此过程并不局限上述方式，也可以为先对氧料贮箱进行补加，而后补加燃料贮箱，同时补加的燃/氧料贮箱的数量可以为两个或者两个以上数量。由此可知，实际在轨补加时，需对哪些贮箱进行补加视其推进剂剩余情况而定，每次补加任务中需补加贮箱的数量可以是1个或多个，不论对1个贮箱补加还是对全部贮箱补加，每次任务中需在轨开展的补加流程是相同的，多贮箱补加过程中只是将各个贮箱的隔离、抽气、推进剂输送及吹除的过程进行了重复。针对以上特点，将补加过程中的补加准备、补加管路连接/分离、补加状态恢复、补加管路检漏等通用内容设计为通用的子程序模块，贮箱隔离、抽气、推进剂输送、吹除等内容按照不同的贮箱分别编制子程序模块，具体实施时根据需补加贮箱的数量按照补加流程进行组合，从而可以灵活适应补加方案的调整。
在上述实施方式中，待对单个或者所有贮箱补加完成后执行补加管路分离子程序。
根据本发明的一种实施方式，如图2所示，补加准备子程序、补加管路连接/分离子程序、补加贮箱增压子程序和补加管路检漏及放气子程序为通用子程序，这些子程序不受补加贮箱类型的影响，贮箱隔离、抽气、推进剂输送以及吹除子程序需要根据补加贮箱类型进行相应选择。
根据本发明的一种实施方式，补加准备、补加管路连接和补加贮箱增压子程序中所需发送指令无时序要求，具体功能较简单，因此采用传统飞行程序设计方法，提前生成指令数据并注入给航天器，由航天器在轨按计划发送指令。补加管路检漏及放气子程序中，由于管路检漏合格后才能进行管路放气，因此补加管路检漏指令采用由地面计划发送方式执行，管路放气指令采用由地面判断遥测后发送方式执行。补加管路分离子程序及补加状态恢复子程序由于均受前一补加步骤影响，且需发送指令内容较多，但功能较简单，因此仍采用由地面按计划发送方式执行，以减少地面控制人员干预。贮箱隔离子程序动作较简单，但受前一步骤影响，因此也采用由地面按计划发送方式执行。而贮箱抽气子程序和贮箱推进剂输送子程序为补加过程中的关键过程，功能较复杂，需地面判断确认的内容较多，因此所需指令以地面判断遥测后发送为主，辅以由地面按计划发送方式。此外，补加管路吹除子程序动作要求两个航天器间严格按时序发送指令，因此采用地面提前注入指令数据，由航天器在轨按计划发送指令方式来执行，同时提前准备清除飞行程序注入数据，若前边的推进剂输送事件未正常执行，则在吹除动作执行前清除相应的飞行程序，保证对补加过程的有效控制。
由上可知，在本实施方式中，根据推进补加过程一步一确认的原则，设计了按时序控制和地面控制相结合的飞行程序执行方式，使地面对补加过程的控制方式具有灵活性，解决了因前一补加阶段未正常执行影响后需任务执行的问题，具体方式为：对于受其它补加环节影响、完成时间不确定、比较关键和重要的补加阶段，如贮箱抽气、贮箱推进剂输送，其指令发送采用由地面按计划发送和由地面判断遥测后发送相结合的方式，不提前向航天器注入相应的指令数据，增加地面控制人员的参与；对于功能相对独立、受其它补加阶段影响小的环节，如补加准备、补加管路连接/分离和补加状态恢复等，采用传统的提前注入指令数据由航天器在轨按计划发送，以及由地面按计划发送的方式来实施，尽量减少地面人员的手动操作。
对补加过程中的关键动作，如压气机抽气结束、推进剂输送停止等动作，由地面控制人员对以上动作的结束时间进行提前预判，若预判在测控站外执行，则在出测控站前由地面提前发送相应的暂停指令，待进入测控站后重新开始抽气或推进剂输送的动作，保证结束动作的指令在测控站内执行，确保对补加过程可控。
在本实施方式中，燃/氧料补加管路吹除子程序要求在地基测控站执行，且受前一步骤影响，由于地基测控资源有限，且单个地基测控站时间较短，若前一步骤未按计划正常完成，则导致补加管路吹除错过既定的地基测控站。针对该问题，在本实施方式中，将补加管路吹除子程序安排在连续覆盖的测控弧段站执行，事件执行时间安排在连续测控站的始端，保证该事件在地基测控站中执行。
根据本发明的一种实施方式，对图2中所示的各个子程序的执行时间根据实际设计状态可以进行预估，实际在轨补加实施过程中，分配给每个补加子程序的执行时间在预估时间的基础上均留一定的时间余量，以应对补加过程中的突发故障。
在本实施方式中，燃/氧料贮箱抽气和燃/氧料贮箱推进剂输送两个补加动作，根据推进剂补加量，地面可以提前预估完成以上动作所需时间，但由于两个动作均需要通过判断传感器测量值是否到达设定门限值来决定是否终止动作，因此无法精确的获得具体的结束时间，为保证对补加过程的有效控制，由地面控制人员根据航天器下行遥测对以上动作的结束时间进行提前预判，若预判在测控站外执行，则由地面提前发送相应的暂停指令，待进入测控站后重新开始抽气或推进剂输送的动作，保证抽气结束指令的发送和推进剂输送结束指令的发送均在测控站中执行。
由上可知，补加实施过程中，为每个补加子程序安排的执行时间设置一定余量；对比较重要和关键的过程，如贮箱抽气和推进剂输送，安排相应的备份测控站用于故障处置；对于有特殊测控条件需求的补加动作，在补加实施有针对性的申请测控资源，将该动作安排在连续的测控站中。
根据本发明的上述设计方法，解决了推进补加各子事件间相互约束导致具体飞控实施难度大的问题，同时极大减轻地面飞控人员的工作量，缩短了推进补加的实施时间；
解决了补加事件执行时间不确定导致安全隐患的问题，实现了对补加过程在时域和空域上的有效控制；
可以满足补加过程对多重测控条件的约束，实现了对补加过程及补加具体实施时间的有效控制。
以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于航天器在轨推进剂补加的飞行程序设计方法，包括以下步骤：
a.将推进剂补加过程中的航天器的飞行程序划分为多个子程序模块；
b.根据推进剂补加方案中确定的补加贮箱类型和数量确定相应的子程序模块；
c.按照推进剂补加流程依次执行所述相应的子程序模块；
所述子程序模块包括燃/氧料补加贮箱隔离子程序、燃/氧料贮箱抽气子程序、燃/氧料贮箱推进剂输送子程序、燃/氧料补加管路吹除子程序；
所述燃/氧料补加贮箱隔离子程序、所述燃/氧料贮箱抽气子程序、所述燃/氧料贮箱推进剂输送子程序和所述燃/氧料补加管路吹除子程序根据推进剂补加方案中确定的补加贮箱类型和数量选择相应的子程序模块；
其中，推进剂补加方案为只进行燃料贮箱补加时，选择燃料补加贮箱隔离子程序、燃料贮箱抽气子程序、燃料贮箱推进剂输送子程序和燃料补加管路吹除子程序；
推进剂补加方案为只进行氧料贮箱补加时，选择氧料补加贮箱隔离子程序、氧料贮箱抽气子程序、氧料贮箱推进剂输送子程序和氧料补加管路吹除子程序；
所述子程序模块还包括补加准备子程序、补加管路连接/分离子程序、补加贮箱增压子程序、补加管路检漏及放气子程序、和补加管路分离子程序及补加状态恢复子程序；
推进剂补加方案为对多个燃/氧料贮箱补加时，按序依次对各个贮箱进行补加，并且依次选择相应的子程序；
对各子程序的执行时间进行预估，实际在轨补加实施过程中，在各子程序的预估执行时间的基础上留有时间余量；
所述燃/氧料贮箱抽气子程序和所述燃/氧料贮箱推进剂输送子程序的执行由地面控制人员根据航天器下行遥测对以上事件的结束时间进行提前预判，保证抽气结束指令的发送和推进剂输送结束指令的发送均在天基或地基测控站中执行。
2.根据权利要求1所述的用于航天器在轨推进剂补加的飞行程序设计方法，其特征在于，在执行燃料补加管路吹除子程序或者氧料补加管路吹除子程序完成后，执行补加管路分离子程序。
3.根据权利要求1所述的用于航天器在轨推进剂补加的飞行程序设计方法，其特征在于，所述补加准备子程序、补加管路连接/分离子程序、补加贮箱增压子程序和补加管路检漏及放气子程序为通用子程序。
4.根据权利要求1所述的用于航天器在轨推进剂补加的飞行程序设计方法，其特征在于，所述补加管路检漏及放气子程序所需指令、所述补加管路分离子程序所需指令、所述补加状态恢复子程序所需指令以及所述燃/氧料补加贮箱隔离子程序所需指令采用由地面按计划发送方式执行；
所述补加管路检漏及放气子程序所需管路放气指令采用由地面判断遥测后发送方式执行；
所述燃/氧料贮箱抽气子程序和所述燃/氧料贮箱推进剂输送子程序所需指令以地面判断遥测后发送为主，辅以由地面按计划发送方式；
所述燃/氧料补加管路吹除子程序要求两个航天器间严格按时序发送指令，由地面提前上注指令数据，采用由航天器在轨按计划发送方式执行，同时地面提前准备清除飞行程序注入数据。
5.根据权利要求1所述的用于航天器在轨推进剂补加的飞行程序设计方法，其特征在于，所述燃/氧料补加管路吹除子程序要求在地基测控站执行，所述燃/氧料补加管路吹除子程序安排在连续覆盖的地基测控站内执行。
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