一种航天器姿控发动机羽流污染的监测方法

摘要

本发明涉及一种航天器姿控发动机羽流污染的监测方法，特别是采用石英晶体微量天平监测航天器姿控发动机羽流污染方法，属于航空航天技术领域。本发明的一种航天器姿控发动机羽流污染的监测装置是在已有的空间电推进地面模拟测试设备的滑动轨道上装了一套石英晶体微量天平探测器、在真空仓表面发动机喷嘴后面装了两套石英晶体微量天平探测器；本发明采用姿控发动机点火，使其喷射热流气体，气体冷凝产生污染物，在线原位监测石英晶体微量天平的频率和温度并保存。本发明提高了我国姿控发动机羽流污染监测的灵敏度，达到1.10×10

说明书

技术领域

本发明涉及一种航天器姿控发动机羽流污染的监测方法，特别是采用石英晶体微量天平监测航天器姿控发动机羽流污染方法，属于航空航天技术领域。

背景技术

以姿控发动机羽流污染效应为代表的航天器与空间环境相互作用是航空航天技术发展必不可少的支撑技术之一。航天器需要相当数量的姿态轨道控制发动机来维持其轨道和姿态稳定，这些发动机在空间稀薄气体环境下工作时其喷射流体会向外部环境自由膨胀形成羽流。羽流不仅会对航天器产生羽流气动力效应、羽流气动热效应和羽流对视场、微波的干扰效应，最重要的是产生航天器羽流污染效应。这些效应轻则会降低航天器在轨工作元器件的性能，重则会导致飞行任务的失败。

美国、俄罗斯、德国等国家针对羽流问题开展了大量的实验研究。美国从“阿波罗”登月计划起就投入这方面工作，相继在喷气推进实验室(JPL)、美国空军火箭推进实验室(AFRPL)、阿诺德工程发展中心(AEDC)及戈达德空间飞行中心(GSFC)等耗资数亿美元建立和改进了大量设备，相继进行了大量地面实验研究。俄罗斯中央机械设计局(TSNIIMASH)、德国DLR等单位开展了大量的真空羽流地面实验研究。除地面模拟实验外，国外还进行了空间搭载实验。美国在1974年至1982年间，利用Skylab、Titan III、NATO III、STS-2、STS-3、STS-4、STS-6、NOAA7等航天器上开展了许多空间搭载实验。航天器姿控发动机羽流污染监测结果已经应用于航天飞机、国际空间站、卫星设计等航天任务中，取得了良好的效果。

由羽流污染效应引起的事故主要有：1)中国返回式卫星在分离时，发动机羽流产物喷到了卫星相机的视窗上，在卫星回收后，发现相机拍摄像片模糊；2)美国“双子星座(Gemini)”载人飞船的主观察窗，未加保护罩，受到羽流污染沉积，以致主观察窗功能丧失；3)美国发射的日本“实验广播一号(BSE-1)”卫星由于偏航推力器羽流冲击太阳能帆板，造成太阳电池表面被发动机羽流污染，太阳能电池功率瞬时下降20％以上；4)美国“空间电推进试验卫星(SERT II)”航天器的实验测量结果表明离子发动机工作时，羽流会污染沉积到太阳能帆板，造成功率损失；5)美国“水手10(Mariner 10)”航天器由于视场存在羽流颗粒，星象跟踪仪工作异常，导致航天器发生滚转。虽经挽救，“Mariner 10”恢复了正常运转，但是姿控系统消耗了大量燃料，严重降低了航天器的在轨运行寿命。

以上航天器事故证明，对航天器姿控发动机羽流污染进行监测十分必要，从地面试验和模拟分析两方面入手解决航天器姿控发动机羽流污染问题，从国际航天形势和我国航天器发展来说，航天器姿控发动机羽流污染监测方法适用于侦察、识别、预警、反隐、跟踪、制导、通信、导航等航天关键技术领域。航天器姿控发动机羽流污染监测方法不但可以积累航天器羽流污染实测数据，预估模拟空间环境条件下航天器羽流污染效应及航天器在轨性能衰退情况，为航天器研制和寿命预估提供指导和依据，从而保证航天器空间安全可靠地工作。

发明内容

本发明的的目的是为了解决航天器姿控发动机羽流污染的问题，提出了一种航天器姿控发动机羽流污染的监测方法。

本发明的一种航天器姿控发动机羽流污染的监测装置包括：内真空仓观察窗、真空仓、石英晶体微量天平探测器、发动机喷嘴、活动支架、石英晶体微量天平探测器、计算机、点火控制柜、真空抽气系统、供气瓶和数据采集系统；本发明的一种航天器姿控发动机羽流污染的监测装置是在已有的空间电推进地面模拟测试设备的滑动轨道上装了一套石英晶体微量天平探测器、在真空仓表面发动机喷嘴后面装了两套石英晶体微量天平探测器。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种航天器姿控发动机羽流污染的监测方法，其具体实施步骤如下：

1)安装石英晶体微量天平监测系统、发动机喷射装置以及水、电、气等设备，其中石英晶体微量天平可视范围设置为正视方式即视角为180°；在石英晶体微量天平可视范围内，放置姿控发动机喷嘴，使其在真空条件下喷射羽流污染物；

2)启动真空系统，使真空仓工作在分子流工作状态；

3)启动石英晶体微量天平污染监测系统，并调整石英晶体微量天平零点；

4)姿控发动机点火，使其喷射热流气体，气体冷凝产生污染物；

5)在线原位监测石英晶体微量天平的各种参数，主要包括频率和温度记录并保存各种参数及数据记录；

6)关闭姿控发动机，关闭石英晶体微量天平污染监测系统，关闭真空系统；回复试验设备至初始状态。

所述步骤1)中石英晶体微量天平的本征频率为10MHz、15MHz、20MHz或更高频率；真空室真空度小于1×10^-3Pa；

所述步骤2)中真空系统为无油真空系统，真空泵按顺序启动冷阱、机械泵和分子泵；启动分子泵前真空度应小于1×10^-1Pa，真空系统的真空度小于1×10^-3Pa，30分钟后，开启石英晶体微量天平污染监测系统；

所述步骤3)中石英晶体微量天平污染监测系统监测分辨率小于±1Hz/s，稳定30～60min后姿控发动机点火；

所述步骤4)中发动机持续点火30～60min；

所述步骤5)中频率和温度监测数据速率大于1次/min；

所述步骤6)中按顺序关闭姿控发动机、石英晶体微量天平测试系统和真空系统，最终使整个测试系统恢复至常温、常压状态。

有益效果

1)本发明提供一种原位监测航天器羽流污染物的方法，该方法在模拟航天器轨道环境条件下，提高了我国姿控发动机羽流污染监测的灵敏度，达到1.10×10^-9～4.42×10^-9；

2)本发明中使用无油真空系统，为该方法提供了稀薄的气体氛围和清洁的环境条件，增加了试验过程中测量数据的准确性，降低了航天器运行风险。

3)本发明可预估模拟空间环境条件下航天器羽流污染效应及航天器在轨性能衰退情况，为航天器研制和寿命预估提供指导和依据，从而保证航天器空间安全可靠地工作，试验过程稳定可靠，复现性好。

4)本发明具有适应航天器姿控发动机羽流污染测试的特色，且适应于规模化试验。

附图说明

图1是本发明的一种航天器姿控发动机羽流污染的监测装置示意图；

其中，1-内真空仓观察窗、2-真空仓、3-石英晶体微量天平探测器、4-发动机喷嘴、5-活动支架、6-石英晶体微量天平探测器、7-计算机、8-点火控制柜、9-真空抽气系统、10-供气瓶、11-数据采集系统。

具体实施方式

图1是本发明的一种航天器姿控发动机羽流污染的监测装置示意图，其中，1-内真空仓观察窗、2-真空仓、3-石英晶体微量天平探测器、4-发动机喷嘴、5-活动支架、6-石英晶体微量天平探测器、7-计算机、8-点火控制柜、9-真空抽气系统、10-供气瓶、11-数据采集系统。

实施例

1)试验中是航天器经常使用的N204/MMH发动机喷嘴4，将其置于真空仓2，同时放入石英晶体微量天平探测器3或6，调整活动支架5，调整石英晶体微量天平探测器6与样品视角成180°，联接相关水、电、气辅助设备，调整天平通信，并关上真空仓2，通过真空仓观察窗1观察实验设备状态；

2)开启真空抽气系统9，按启动机械泵，启动分子泵的方式进行，直至系统真空度小于1×10^-3Pa，通过真空仓观察窗1观察实验设备状态；

3)开启供气瓶11，由点火控制柜8控制N204/MMH发动机点火，监测真空仓真空度，由计算机7监测并记录石英晶体微量天平频率及温度变化，试验中发动机持续点火保持30分钟，试验后频率变化15324Hz，通过真空仓观察窗1观察实验设备状态；

4)关闭N204/MMH发动机，通过真空仓观察窗1观察实验设备状态；

5)关闭石英晶体微量天平测试系统3或6，关闭计算机7，关闭真空抽气系统9，使整个测试系统恢复至常温、常压状态。