高精度控制|贮箱里面变魔法，卫星在轨延寿命
【高精度控制|贮箱里面变魔法，卫星在轨延寿命】2018年11月19日，中国利用“一箭双星”发射方式，再次将两颗北斗卫星送入轨道 。截至2018年11月底，以长征五号发射、嫦娥四号探月、北斗卫星组网为代表，我国在2018年已经进行了34次航天发射活动，发射次数遥遥领先于其他航天发射大国 。
在这些重要的航天器中，微重力流体的高效管理和高精度控制至关重要 。目前，我国已经自主研制成功了板式表面张力贮箱系统，并成为世界上第二个掌握基于板式表面张力贮箱的卫星推进剂在轨加注关键技术的国家 。而更令人赞叹的是，研制这些技术的是中国航天科技集团北京控制工程研究所的一支年轻的“80后”团队 。
历时十年攻关，该团队凭借“微重力流体高效管理与高精度控制技术及工程应用”项目，获得2017年度北京市科学技术奖一等奖 。
填补板式贮箱空白，实现流量的高精度测量
在轨卫星是对国家安全和国民经济建设具有重要意义的空间资源 。卫星的成本很高，而目前卫星寿命的终结主要源于推进剂耗尽和管理失效，如果能在太空为其补加燃料，实现卫星推进剂的重复加注和高效利用，带来的经济效益将十分可观 。
通常，卫星贮箱中的流体都是由惰性气体和推进剂组成，根据需求将液体推进剂挤压进卫星发动机 。与地面环境不同的是，在微重力环境下，气液不会出现上下分层，而是处于悬浮状态 。要为在轨卫星发动机提供不夹气的推进剂，最大限度实现推进剂的有效利用，就需要克服四大难题：难定位、难测量、难控制、难补给 。
“我国以往的贮箱中，大部分用的都是网式表面张力贮箱，利用毛细网来实现对液体的管理 。由此带来的问题是，由于结构限制，在微重力环境下网式表面张力贮箱的流体阻力非常大，因而不能大流量、重复加注，相对板式表面张力贮箱存在重量偏大、结构复杂的劣势 。”项目主要完成人之一、北京控制工程研究所“80后”高级工程师庄保堂介绍，为解决这一问题，他们经过反复实验，摸索出微重力流体在辐射状蓄液片与圆锥外壳结合结构的蓄留稳定性规律，由此发明了我国首个轻质长寿命双叶片板式贮箱 。它的蓄液器内部金属板呈辐射状排列，而主导流板内部则是内外交错分布的导流叶片，可实现气液高效分离和推进剂贮箱的在轨重复加注，挤出效率达99.85%，达到国际先进水平 。
“板式贮箱的优点主要体现在两个方面，一是能够确保把液体排出同时不排出气体，二是可以实现推进剂的大流量可重复加注 。”庄保堂讲到，板状的结构能够解决蓄留液体的问题，同时能够将液体传输到指定位置 。通过微重力落塔实验，他们获得了微重力液体蓄留规律、传输速度等特性，由此设计并优化了板式贮箱的结构 。研制过程中，团队成员经过反复设计、数值仿真、微重力试验、地面试验，多次进行技术改进，完成了样机研制，最终形成了板式贮箱产品研制 。
与此同时，项目团队也在思考，如何提升剩余流量的测量精度，来更加精准地预测卫星使用寿命 。“以往一般是通过压力、温度变化等参数来计算 。当预测到推进剂燃料即将用完时，会让卫星离轨 。”但这些方式的估算精度比较低，大约误差正负六个月左右 。其团队脑洞大开，创造性地发明了一种适用于卫星推进系统的高精度超声波流量计，可以通过超声波的方式，以其穿过液体的时间差来测算流速，进一步计算推进计量 。该项技术将测量精度提高了一倍，卫星寿命估算误差降到了正负三个月，从而有效节省了卫星成本 。目前，已经完成了在轨验证，并将应用于东方红五号卫星平台研制 。
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