CN112141365B - 一种基于地面测试接口的在轨服务模块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于地面测试接口的在轨服务模块，属于航天器在轨服务技术领域；包括星箭分离插头X1F、电源处理单元PPU、推力器切换单元、北侧离子推力器、南侧离子推力器、综电处理单元IEPCP、压力调节模块、流量控制模块、矢量调节机构、热控单元、对接机构；轨服务模块通过星箭分离插头X1F与外部被服务卫星的星箭分离插头X1F对接；本发明提出了改变传统服务与被服务对象的单向服务关系，实现两者能源、测控、控制、推进共享交互的设计思想。
Description
技术领域
本发明属于航天器在轨服务技术领域，涉及一种基于地面测试接口的在轨服务模块。
背景技术
目前国外的在轨服务发明主要有美国的“轨道快车”计划、德国轨道延寿飞行器等，分别代表在在轨服务领域中合作目标与非合作目标两个分支的研究。美国“轨道快车”计划设计服务星对被服务星的可替换的ORU单元进行插拔，但ORU单元设计的被服务对象为合作目标，且需要被服务卫星具有接口预留及星间通信转发器。而对于国内已有的静止轨道卫星而言，被服务对象并非采用模块化思想进行设计，辅助推进模块的方案设计也就与ORU单元的设计有所不同。而德国延寿飞行器的设计中，需要在轨服务卫星整星完成在轨服务任务，成本高且可靠性低。
根据文献调研，以在役卫星提供推进服务为例，目前的在轨服务设计大致可以分为两类。一类立足于工程，以具体救援卫星为服务对象，重新发射一颗在轨服务卫星进行救援；一类立足于前瞻预研，构想被服务卫星预留“在轨加注接口”，进行在轨服务设计。两类思路基于现阶段的工程背景，都具有经济消耗巨大的成本控制问题，故而现阶段国内外“在轨服务”进程始终停留在预研及预想阶段。目前，卫星在轨服务存在服务对象功能单一、服务类型有限、成本巨大、难以工程化等问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于地面测试接口的在轨服务模块，提出了改变传统服务与被服务对象的单向服务关系，实现两者能源、测控、控制、推进共享交互的设计思想。
本发明解决技术的方案是：
一种基于地面测试接口的在轨服务模块，包括星箭分离插头X1F、电源处理单元PPU、推力器切换单元、北侧离子推力器、南侧离子推力器、综电处理单元IEPCP、压力调节模块、流量控制模块、矢量调节机构、热控单元、对接机构；轨服务模块通过星箭分离插头X1F与外部被服务卫星的星箭分离插头X1F对接；
电源处理单元PPU：接收外部被服务卫星的100V供电；对100V供电进行分流处理，生成9路电源，将9路电源发送至推力切换单元，为推力切换单元供电；
综电处理单元IEPCP：接收外部被服务卫星的100V供电；接收外部被服务卫星的时钟信号、数据信号和选通信号；时钟信号、数据信号和选通信号通过综电处理单元IEPCP内部的矩阵指令网络生成离散脉冲指令信号，将离散脉冲指令信号分别发送至推力器切换单元、压力调节模块和流量控制模块；接收外部被服务卫星的正弦信号和余弦信号，对正弦信号和余弦信号进行角度转换，生成带有角度值的电机驱动激磁信号；将带有角度值的电机驱动激磁信号发送至矢量调节机构；接收被服务卫星的1553B总线指令，对1553B总线指令进行解析，解析出热控指令和抓紧分离指令，将热控指令发送至热控单元；将抓紧分离指令发送至对接机构；
推力切换单元：接收电源处理单元PPU的供电；接收综电处理单元IEPCP传来的离散脉冲指令信号，做控制开关的选通处理，生成离子推力器的电源信号，发送至北侧离子推力器或南侧离子推力器；对离子推力器进行选择；
离子推力器：接收推力切换单元传来的电源信号，将电能转换为动能，产生推力，推动外部被服务卫星
压力调节模块：接收综电处理单元IEPCP传来的离散脉冲指令信号，解析出离散脉冲指令信号中的压力调节指令；对电推进剂的压力进行调节；
流量控制模块：接收综电处理单元IEPCP传来的离散脉冲指令信号，解析出离散脉冲指令信号的流量调节指令；对电推进剂的流量进行调节；
矢量调节机构：接收综电处理单元IEPCP传来带有角度值的电机驱动激磁信号，对激磁信号进行解码处理，解析出角度值，调节离子推力器的姿态；
热控单元：接收外部被服务卫星的100V供电；接收综电处理单元IEPCP传来的热控指令，进行加热或停止加热处理；
对接机构：接收外部被服务卫星的100V供电；接收综电处理单元IEPCP传来的抓紧分离指令，控制在轨服务模块与外部被服务卫星的抓紧或分离。
在上述的一种基于地面测试接口的在轨服务模块，所述在轨服务模块内设置有推进剂贮瓶，内部设置有推进剂；通过压力调节模块实现对推进剂压力的调节；通过流量控制模块实现对推进剂流量的调节；调整后的推进剂进入选择的离子推力器。
在上述的一种基于地面测试接口的在轨服务模块，所述离子推力器通过氙气作为传递介质，在磁场和电场的作用下，在放电室内形成由氙气、电子和氙正离子组成的放电等离子体，对放电等离子体进行聚焦、加速和定向引出处理，实现将电能转换为动能，产生推力。
在上述的一种基于地面测试接口的在轨服务模块，所述电源处理单元PPU实现将外部被服务卫星的100V电源转换为离子推力器工作所需的各路电源，对不同电源进行了分解或整合，实现以最小的电路组合完成供电。
在上述的一种基于地面测试接口的在轨服务模块，所述综电处理单元IEPCP提供了在轨服务模块与外部被服务卫星的遥控遥测接口。
在上述的一种基于地面测试接口的在轨服务模块，所述矢量调节机构是离子推力器的机械支持和调节装置，采用并联驱动机构；以滚珠丝杠作为动力来源，通过推杆带动离子推力器转动。
在上述的一种基于地面测试接口的在轨服务模块，所述热控单元采取主动热控与被动热控相结合的方式，独立控温，维持在轨服务模块在整个工作周期内温度水平满足使用要求。
在上述的一种基于地面测试接口的在轨服务模块，所述对接机构是在轨服务模块与被服务卫星之间的对接装置，对接机构使用并联驱动机构卡紧被服务卫星的星箭分离插头X1F，将在轨服务模块产生的推力传递至被服务卫星。
在上述的一种基于地面测试接口的在轨服务模块，被服务卫星采用板状六面体结构，由外舱板和两个中隔板组成，氙气瓶放置在两个中隔板之间，向离子推力器提供氙气。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明提出了融合地面测试与在轨服务对卫星的接口及电缆需求的设计思想，降低卫星对在轨服务接口预留设计及改造方案的经济投入，减少在轨服务预留接口对卫星质量的占比，并同时增加地面测试接口的利用率，可以减小地面测试接口相对于卫星质量的占比。由于本发明基于地面测试接口对卫星的改造，对静止轨道卫星影响较小，通过本发明的研究与研制，可以推动在轨服务的工程化进程，为在轨加注等技术方案提供前期试验；
(2)本发明开创新型在轨服务思想，提出“被服务卫星”及“服务模块”的供电、遥测遥控、控制推进的共享方案，将双方视为组合体，共用同一套平台服务。“服务模块”仅需携带“被服务卫星”需要的替换单机及简单的配套设备，利用“被服务卫星”未损坏的供电、测控、控制、推进分系统；
(3)本发明可实现服务与被服务对象的平台资源共享，“共生辅助模块”可利用“被服务卫星”的平台服务，这使得“辅助模块”的质量大大降低，可采用模块化设计对各单机模块化，标准化，打破设备需求重复定制的传统，制定标准化模型，可以形成批量化生产，进而组批调试，组批测试，组批贮存，减少了费用和人员投入，缩短了研发周期；
(4)本发明对被服务卫星的改动设计仅在地面测试接口方面，且经济效益显著，可有效推动在轨服务工程化进程，突破在轨服务的“零”工程化现状。
附图说明
图1为本发明在轨服务模块示意图；
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明以静止轨道卫星为被服务对象，介绍静止轨道通信卫星“共生辅助推进模块”的方案设计。模块以电推力器作为主要工作部件，采用静止轨道共生模块的通用对接机构，模块内部携带热控分系统为电推进分系统提供加温散热功能。
在轨服务模块，如图1所示，具体包括星箭分离插头X1F、电源处理单元PPU、推力器切换单元、北侧离子推力器、南侧离子推力器、综电处理单元IEPCP、压力调节模块、流量控制模块、矢量调节机构、热控单元、对接机构；轨服务模块通过星箭分离插头X1F与外部被服务卫星的星箭分离插头X1F对接；
电源处理单元PPU：电源处理单元PPU实现将外部被服务卫星的100V电源转换为离子推力器工作所需的各路电源，对不同电源进行了分解或整合，实现以最小的电路组合完成供电。接收外部被服务卫星的100V供电；对100V供电进行分流处理，生成9路电源，将9路电源发送至推力切换单元，为推力切换单元供电；
综电处理单元IEPCP：接收外部被服务卫星的100V供电；接收外部被服务卫星的时钟信号、数据信号和选通信号；时钟信号、数据信号和选通信号通过综电处理单元IEPCP内部的矩阵指令网络生成离散脉冲指令信号，将离散脉冲指令信号分别发送至推力器切换单元、压力调节模块和流量控制模块；接收外部被服务卫星的正弦信号和余弦信号，对正弦信号和余弦信号进行角度转换，生成带有角度值的电机驱动激磁信号；将带有角度值的电机驱动激磁信号发送至矢量调节机构；接收被服务卫星的1553B总线指令，对1553B总线指令进行解析，解析出热控指令和抓紧分离指令，将热控指令发送至热控单元；将抓紧分离指令发送至对接机构；综电处理单元IEPCP提供了在轨服务模块与外部被服务卫星的遥控遥测接口。
推力切换单元：接收电源处理单元PPU的供电；接收综电处理单元IEPCP传来的离散脉冲指令信号，做控制开关的选通处理，生成离子推力器的电源信号，发送至北侧离子推力器或南侧离子推力器；对离子推力器进行选择；
离子推力器：接收推力切换单元传来的电源信号，将电能转换为动能，产生推力，推动外部被服务卫星；离子推力器通过氙气作为传递介质，在磁场和电场的作用下，在放电室内形成由氙气、电子和氙正离子组成的放电等离子体，对放电等离子体进行聚焦、加速和定向引出处理，实现将电能转换为动能，产生推力。被服务卫星采用板状六面体结构，由外舱板和两个中隔板组成，氙气瓶放置在两个中隔板之间，向离子推力器提供氙气。
在轨服务模块内设置有推进剂贮瓶，内部设置有推进剂；通过压力调节模块实现对推进剂压力的调节；通过流量控制模块实现对推进剂流量的调节；调整后的推进剂进入选择的离子推力器。具体过程为：
压力调节模块：接收综电处理单元IEPCP传来的离散脉冲指令信号，解析出离散脉冲指令信号中的压力调节指令；对电推进剂的压力进行调节；压力调节模块由高压压力传感器、低压压力传感器、高压加排阀、低压加排阀、压力控制电磁阀、高压自锁阀、缓冲气瓶等构成。
流量控制模块：接收综电处理单元IEPCP传来的离散脉冲指令信号，解析出离散脉冲指令信号的流量调节指令；对电推进剂的流量进行调节；流量控制模块由流量控制自锁阀、大流量控制电磁阀、小流量控制器、大流量控制器等组成。
矢量调节机构：接收综电处理单元IEPCP传来带有角度值的电机驱动激磁信号，对激磁信号进行解码处理，解析出角度值，调节离子推力器的姿态；矢量调节机构是离子推力器的机械支持和调节装置，采用并联驱动机构；以滚珠丝杠作为动力来源，通过推杆带动离子推力器转动。
热控单元：接收外部被服务卫星的100V供电；接收综电处理单元IEPCP传来的热控指令，进行加热或停止加热处理；热控单元采取主动热控与被动热控相结合的方式，独立控温，维持在轨服务模块在整个工作周期内温度水平满足使用要求。
对接机构：接收外部被服务卫星的100V供电；接收综电处理单元IEPCP传来的抓紧分离指令，控制在轨服务模块与外部被服务卫星的抓紧或分离。对接机构是在轨服务模块与被服务卫星之间的对接装置，对接机构使用并联驱动机构卡紧被服务卫星的星箭分离插头X1F，将在轨服务模块产生的推力传递至被服务卫星。
在轨服务模块收拢状态为1m3的立方体，其质量预算约为323kg，模块点火时功率需求约为1655W。由电源处理单元PPU、推力器切换单元、北侧离子推力器、南侧离子推力器、综电处理单元IEPCP、压力调节模块、流量控制模块、矢量调节机构、热控单元、对接机构组成。
在轨服务模块由“在轨服务卫星”平台携带至被服务卫星附近，由机械臂安装后，连接X1F，通过地面指令，X1F中的100V母线供电、1553B总线进行遥测遥控传输，展开矢量调节机构。而后地面上注控制程序，添加控制模式、方式字及相应的位置保持控制方案。被服务卫星位置保持时，由被服务卫星CMU内被替换的综合电子APP进行位置保持计算，通过1553B总线控制模块上的电推进分系统进行点火工作。
在轨服务模块不携带供配电分系统，也不具备供电能力，所有模块的供电均通过星箭分离插头X1F由被服务卫星提供。根据电推进分系统内部的供电线路。其中，在轨服务模块的电源处理单元PPU及IEPCP直接连接在X1F的100V母线上，推力器切换单元由IEPCP供电，但为PPU实现离子推力器切换功能、压力调节模块、流量控制模块、矢量调节机构均接受IEPCP变压后的供电。
在轨服务模块的总功耗要求为：分系统100V输入的总功率≤1250W(不包含贮供子系统、TPAM由IEPCP供电。在轨服务模块在点火时需要较大功率，约1300W。而非点火模式时，功率消耗非常小。同时，由于模块直接接入卫星母线，故与卫星母线电压保持一致，电压稳定性较高。根据功率预算，卫星供电系统支持“共生辅助推进模块”接入对整星功率的影响。
在轨服务模块不携带综合电子分系统，也不具备与地面或其他卫星的测控能力，只携带综电处理单元，作为RT直接挂在被服务卫星的1553B总线上，通过星箭分离插头X1F与被服务卫星通信，通过遥测遥控通路与其他单元进行通信。
在轨服务模块内综电处理单元通过1553B总线与被服务卫星的OBC连接，接收来自OBC的指令，分发给电推进分系统的压力调节模块、流量控制模块、电源处理模块、推力器切换单元、矢量调节机构等单元，同时采集各单元的遥测数据，打包处理通过1553B总线发送给被服务卫星的OBC。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于地面测试接口的在轨服务模块，其特征在于：包括星箭分离插头X1F、电源处理单元PPU、推力器切换单元、北侧离子推力器、南侧离子推力器、综电处理单元IEPCP、压力调节模块、流量控制模块、矢量调节机构、热控单元、对接机构；在 轨服务模块通过星箭分离插头X1F与外部被服务卫星的星箭分离插头X1F对接；
电源处理单元PPU：接收外部被服务卫星的100V供电；对100V供电进行分流处理，生成9路电源，将9路电源发送至推力切换单元，为推力切换单元供电；
综电处理单元IEPCP：接收外部被服务卫星的100V供电；接收外部被服务卫星的时钟信号、数据信号和选通信号；时钟信号、数据信号和选通信号通过综电处理单元IEPCP内部的矩阵指令网络生成离散脉冲指令信号，将离散脉冲指令信号分别发送至推力器切换单元、压力调节模块和流量控制模块；接收外部被服务卫星的正弦信号和余弦信号，对正弦信号和余弦信号进行角度转换，生成带有角度值的电机驱动激磁信号；将带有角度值的电机驱动激磁信号发送至矢量调节机构；接收被服务卫星的1553B总线指令，对1553B总线指令进行解析，解析出热控指令和抓紧分离指令，将热控指令发送至热控单元；将抓紧分离指令发送至对接机构；
推力切换单元：接收电源处理单元PPU的供电；接收综电处理单元IEPCP传来的离散脉冲指令信号，做控制开关的选通处理，生成离子推力器的电源信号，发送至北侧离子推力器或南侧离子推力器；对离子推力器进行选择；
离子推力器：接收推力切换单元传来的电源信号，将电能转换为动能，产生推力，推动外部被服务卫星
压力调节模块：接收综电处理单元IEPCP传来的离散脉冲指令信号，解析出离散脉冲指令信号中的压力调节指令；对电推进剂的压力进行调节；
流量控制模块：接收综电处理单元IEPCP传来的离散脉冲指令信号，解析出离散脉冲指令信号的流量调节指令；对电推进剂的流量进行调节；
矢量调节机构：接收综电处理单元IEPCP传来带有角度值的电机驱动激磁信号，对激磁信号进行解码处理，解析出角度值，调节离子推力器的姿态；
热控单元：接收外部被服务卫星的100V供电；接收综电处理单元IEPCP传来的热控指令，进行加热或停止加热处理；
对接机构：接收外部被服务卫星的100V供电；接收综电处理单元IEPCP传来的抓紧分离指令，控制在轨服务模块与外部被服务卫星的抓紧或分离。
2.根据权利要求1所述的一种基于地面测试接口的在轨服务模块，其特征在于：所述在轨服务模块内设置有推进剂贮瓶，内部设置有推进剂；通过压力调节模块实现对推进剂压力的调节；通过流量控制模块实现对推进剂流量的调节；调整后的推进剂进入选择的离子推力器。
3.根据权利要求2所述的一种基于地面测试接口的在轨服务模块，其特征在于：所述离子推力器通过氙气作为传递介质，在磁场和电场的作用下，在放电室内形成由氙气、电子和氙正离子组成的放电等离子体，对放电等离子体进行聚焦、加速和定向引出处理，实现将电能转换为动能，产生推力。
4.根据权利要求3所述的一种基于地面测试接口的在轨服务模块，其特征在于：所述电源处理单元PPU实现将外部被服务卫星的100V电源转换为离子推力器工作所需的各路电源，对不同电源进行了分解或整合，实现以最小的电路组合完成供电。
5.根据权利要求4所述的一种基于地面测试接口的在轨服务模块，其特征在于：所述综电处理单元IEPCP提供了在轨服务模块与外部被服务卫星的遥控遥测接口。
6.根据权利要求5所述的一种基于地面测试接口的在轨服务模块，其特征在于：所述矢量调节机构是离子推力器的机械支持和调节装置，采用并联驱动机构；以滚珠丝杠作为动力来源，通过推杆带动离子推力器转动。
7.根据权利要求6所述的一种基于地面测试接口的在轨服务模块，其特征在于：所述热控单元采取主动热控与被动热控相结合的方式，独立控温，维持在轨服务模块在整个工作周期内温度水平满足使用要求。
8.根据权利要求7所述的一种基于地面测试接口的在轨服务模块，其特征在于：所述对接机构是在轨服务模块与被服务卫星之间的对接装置，对接机构使用并联驱动机构卡紧被服务卫星的星箭分离插头X1F，将在轨服务模块产生的推力传递至被服务卫星。
9.根据权利要求8所述的一种基于地面测试接口的在轨服务模块，其特征在于：被服务卫星采用板状六面体结构，由外舱板和两个中隔板组成，氙气瓶放置在两个中隔板之间，向离子推力器提供氙气。
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2020
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| 离子推进系统用于GEO卫星南北位保使命的能力与效益;张天平;《真空与低温》;20100630;72-74 * |
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