火星探测器双组元多档推力器配置和布局方法及系统与流程

本发明涉及深空探测技术领域，具体地，涉及一种火星探测器双组元多档推力器配置和布局方法及系统。

背景技术：

火星探测工程是当前深空探测领域的重要热点内容之一。任务的实现是在其他工程系统支持下，以火星探测器为探测主体，进行行星际飞行。其中，推力器作为实现火星探测器姿轨控的重要设备，其布局配置显得尤为重要。

按照常规地球卫星的布局方案，推力器一般布局安装在平台各顶点或各棱边中央位置，采用大、小推力2档配置，设置力偶布局，满足姿轨控主备控制的要求，卫星平台留出较为充裕的布局空间，避让羽流和热影响。

专利文献cn109367821a公开了一种geo轨道卫星推力器构型，由1台远地点发动机和16台姿控推力器组成，1台远地点发动机位于卫星底板中心，推力矢量与星体-z轴平行；16台姿控推力器中8台姿控推力器布置于底板，8台姿控推力器布置于卫星东侧和西侧。本发明采用较少数量的推力器和较为紧凑的布局构型方式实现功能要求的同时兼顾备份功能的实现，满足卫星变轨和三轴姿态控制需求，具有较高的冗余度，可简化推力器连接管路走向，便于推力器在卫星上的安装实施及测量，减少推力器羽流对星体影响。该专利在结构和性能上仍然有待提高的空间。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种火星探测器双组元多档推力器配置和布局方法及系统。

根据本发明提供的一种火星探测器双组元多档推力器配置和布局方法，包括：

步骤s1：根据火星探测总体构型参数信息、火星探测总体布局参数信息，获取底板集中布局方案选择结果信息；

步骤s2：根据火星探测任务目标参数信息，获取分档主备配套结果信息；

步骤s3：以姿轨控任务需求为基础，分析干扰力矩的要求及安装位置约束，对3档推力器组合工作模式进行构造，完成推力器力臂长度协调安装；

步骤s4：以探测器总体构型与布局为基础，对推力器布局位置合理及设计代价进行权衡，考虑探测器力学环境对推力器的布局位置的约束，推力器羽流及工作热影响，结合单机设备的布局状态，确定推力器布局位置；

步骤s5：获取火星探测器双组元多档推力器配置和布局信息。

优选地，所述步骤s1包括：步骤s1.1：根据火星探测总体构型参数信息、火星探测总体布局参数信息，获取推力器羽流及工作热影响研究结果信息；步骤s1.2：根据推力器羽流及工作热影响研究结果信息，获取推力器布局资源统计梳理信息。

优选地，所述步骤s1还包括：

步骤s1.3：根据推力器布局资源统计梳理信息、双组元推进系统管路连接特点参数，获取推力器底板集中布局方式利弊分析结果信息；

步骤s1.4：根据推力器底板集中布局方式利弊分析结果信息，获取底板集中布局方案选择结果信息。

优选地，所述步骤s2包括：

步骤s2.1：从火星探测任务目标和技术方案出发，根据火星探测任务目标参数信息，获取推力器配置需求信息、推力器设计指标参数信息。

优选地，所述步骤s2还包括：

步骤s2.2：对任务全过程的三轴姿轨控能力要求进行了分析，形成推力器比冲、推力及配置数量的约束，结合探测器系统重量及功耗的资源限制，形成推力器1台3000n、8台120n、12台25n的分档主备配套。

根据本发明提供的一种火星探测器双组元多档推力器配置和布局系统，包括：

模块m1：根据火星探测总体构型参数信息、火星探测总体布局参数信息，获取底板集中布局方案选择结果信息；

模块m2：根据火星探测任务目标参数信息，获取分档主备配套结果信息；

模块m3：以姿轨控任务需求为基础，分析干扰力矩的要求及安装位置约束，对3档推力器组合工作模式进行构造，完成推力器力臂长度协调安装；

模块m4：以探测器总体构型与布局为基础，对推力器布局位置合理及设计代价进行权衡，考虑探测器力学环境对推力器的布局位置的约束，推力器羽流及工作热影响，结合单机设备的布局状态，确定推力器布局位置；

模块m5：获取火星探测器双组元多档推力器配置和布局信息。

优选地，所述模块m1包括：

模块m1.1：根据火星探测总体构型参数信息、火星探测总体布局参数信息，获取推力器羽流及工作热影响研究结果信息；

模块m1.2：根据推力器羽流及工作热影响研究结果信息，获取推力器布局资源统计梳理信息。

优选地，所述模块m1还包括：

模块m1.3：根据推力器布局资源统计梳理信息、双组元推进系统管路连接特点参数，获取推力器底板集中布局方式利弊分析结果信息；

模块m1.4：根据推力器底板集中布局方式利弊分析结果信息，获取底板集中布局方案选择结果信息。

优选地，所述模块m2包括：

模块m2.1：从火星探测任务目标和技术方案出发，根据火星探测任务目标参数信息，获取推力器配置需求信息、推力器设计指标参数信息。

优选地，所述模块m2还包括：

模块m2.2：对任务全过程的三轴姿轨控能力要求进行了分析，形成推力器比冲、推力及配置数量的约束，结合探测器系统重量及功耗的资源限制，形成推力器1台3000n、8台120n、12台25n的分档主备配套。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明所提出的一种火星探测器双组元多档推力器配置和布局方法，不同于传统卫星推力器的配置和布局方案，一般布局安装在平台各顶点或各棱边中央位置，大、小推力2档配置。本方法充分考虑了火星探测器布局空间及系统资源限制，通过与双组元系统特点、三轴姿轨控能力需求、姿轨控工作模式及单机设备布局匹配的设计，解决了资源约束下推力器布局问题，满足探测器姿轨控的工作要求；

2、本发明原理简单，思路新颖，过程清晰，既体现了技术应用的成熟度，也展示了应用的灵活性和创新性，是后续火星探测任务及其他深空探测任务中，配置需求高、布局约束强等条件下，实现双组元推力器布局配置的重要解决途径，与实际工程结合密切，具有很高的工程指导及直接应用价值；

3、本发明，是直接面向火星探测任务，过程中充分考虑了深空探测任务的技术特点及难点，与近地航天任务相比，利用推进系统在探测器底部平铺布局的有利条件，进行了系统配置与工作模式的匹配设计，满足工程任务的需求，优化系统资源配置。本发明提出后，将拓展火星探测任务为代表的其他深空探测任务中推力器配置及布局的工程手段，满足后续深空探测任务的不同需求。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明涉及的一种火星探测器双组元多档推力器配置和布局方法示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的一种火星探测器双组元多档推力器配置和布局方法，包括：

步骤s1：根据火星探测总体构型参数信息、火星探测总体布局参数信息，获取底板集中布局方案选择结果信息；

步骤s2：根据火星探测任务目标参数信息，获取分档主备配套结果信息；

步骤s3：以姿轨控任务需求为基础，分析干扰力矩的要求及安装位置约束，对3档推力器组合工作模式进行构造，完成推力器力臂长度协调安装；

步骤s4：以探测器总体构型与布局为基础，对推力器布局位置合理及设计代价进行权衡，考虑探测器力学环境对推力器的布局位置的约束，推力器羽流及工作热影响，结合单机设备的布局状态，确定推力器布局位置；

步骤s5：获取火星探测器双组元多档推力器配置和布局信息。

具体地，在一个实施例中，一种火星探测器双组元多档推力器配置和布局方法，是基于深空探测任务推进系统工作要求、姿轨控需求、整器安全性要求、大部件布局约束及避让推力器羽流及热辐射的设计要求等特点而提出的一种新方法。通过推力器底板集中布局和1台3000n、8台120n、12台25n的推力器分档主备配置、推力器力臂长度协调的手段，满足火星探测器高比冲、大推力的需求及火星姿轨控安全要求，有效解决了火星探测器布局空间约束苛刻、双组元推进系统管路复杂对系统资源需求高、推力器羽流及工作热影响难以避免等技术难题，在保证推力器有效在轨工作的前提下，完成了深空双组元推力器的配置和布局。双组元推力器在底板集中布局的方法可与2个燃料2个氧化剂共4个贮箱、4个气瓶在探测器底部平铺相匹配，通过绕承力筒的环形管路，有效连接21台推力器，规避了探测器平台中心承力筒+平行六面体结构设计所带来的布局局限性。同时，推力器的羽流方向指向同一个半球空间，有效规避在轨展开的各个大部件约束。再者，采用力臂协调的3档推力器配置和布局，可实现3000n轨控工作时，正交两方向上的各2台120n能够主备控制干扰力矩；4台120n轨控工作时，正交方向上的各2台25n能够主备控制干扰力矩；4台横向25n推力器，可以主备实现探测器正反向姿态滚动。

优选地，所述步骤s1包括：步骤s1.1：根据火星探测总体构型参数信息、火星探测总体布局参数信息，获取推力器羽流及工作热影响研究结果信息；步骤s1.2：根据推力器羽流及工作热影响研究结果信息，获取推力器布局资源统计梳理信息。

优选地，所述步骤s1还包括：

步骤s1.3：根据推力器布局资源统计梳理信息、双组元推进系统管路连接特点参数，获取推力器底板集中布局方式利弊分析结果信息；

步骤s1.4：根据推力器底板集中布局方式利弊分析结果信息，获取底板集中布局方案选择结果信息。

优选地，所述步骤s2包括：

步骤s2.1：从火星探测任务目标和技术方案出发，根据火星探测任务目标参数信息，获取推力器配置需求信息、推力器设计指标参数信息。

优选地，所述步骤s2还包括：

步骤s2.2：对任务全过程的三轴姿轨控能力要求进行了分析，形成推力器比冲、推力及配置数量的约束，结合探测器系统重量及功耗的资源限制，形成推力器1台3000n、8台120n、12台25n的分档主备配套。

根据本发明提供的一种火星探测器双组元多档推力器配置和布局系统，包括：

模块m1：根据火星探测总体构型参数信息、火星探测总体布局参数信息，获取底板集中布局方案选择结果信息；

模块m2：根据火星探测任务目标参数信息，获取分档主备配套结果信息；

模块m3：以姿轨控任务需求为基础，分析干扰力矩的要求及安装位置约束，对3档推力器组合工作模式进行构造，完成推力器力臂长度协调安装；

模块m4：以探测器总体构型与布局为基础，对推力器布局位置合理及设计代价进行权衡，考虑探测器力学环境对推力器的布局位置的约束，推力器羽流及工作热影响，结合单机设备的布局状态，确定推力器布局位置；

模块m5：获取火星探测器双组元多档推力器配置和布局信息。

优选地，所述模块m1包括：

模块m1.1：根据火星探测总体构型参数信息、火星探测总体布局参数信息，获取推力器羽流及工作热影响研究结果信息；

模块m1.2：根据推力器羽流及工作热影响研究结果信息，获取推力器布局资源统计梳理信息。

优选地，所述模块m1还包括：

模块m1.3：根据推力器布局资源统计梳理信息、双组元推进系统管路连接特点参数，获取推力器底板集中布局方式利弊分析结果信息；

模块m1.4：根据推力器底板集中布局方式利弊分析结果信息，获取底板集中布局方案选择结果信息。

优选地，所述模块m2包括：

模块m2.1：从火星探测任务目标和技术方案出发，根据火星探测任务目标参数信息，获取推力器配置需求信息、推力器设计指标参数信息。

优选地，所述模块m2还包括：

模块m2.2：对任务全过程的三轴姿轨控能力要求进行了分析，形成推力器比冲、推力及配置数量的约束，结合探测器系统重量及功耗的资源限制，形成推力器1台3000n、8台120n、12台25n的分档主备配套。

具体地，在一个实施例中，一种火星探测器双组元多档推力器配置和布局方法，包括以下步骤：

步骤1：考察探测器总体构型与布局，明确双组元推力器布局可行性；

步骤2：分析姿轨控任务要求，明确推力器配置；

步骤3：分析干扰力矩的要求及安装位置约束，确定推力器力臂长度。

步骤4：根据推力器羽流及工作热影响，确定推力器布局位置。

步骤1：充分考察火星探测器总体构型与布局的特点，研究推力器羽流及工作热影响，对推力器可用布局资源进行统计和梳理，考虑双组元推进系统管路连接的特点，完成推力器底板集中布局方式利弊分析，明确底板集中布局的可行性；

步骤2：从火星探测任务目标和技术方案出发，了解推力器配置需求、设计指标参数，对任务全过程的三轴姿轨控能力要求进行了分析，形成推力器比冲、推力及配置数量的约束，结合探测器系统重量及功耗的资源限制，形成推力器1台3000n、8台120n、12台25n的3档主备配套；

步骤3：以姿轨控任务需求为基础，分析干扰力矩的要求及安装位置约束，对3档推力器组合工作模式进行设计，确定推力器力臂长度；

步骤4：以探测器总体构型与布局为基础，对推力器布局位置合理及设计代价进行权衡，充分考虑探测器力学环境对推力器的布局位置的约束，推力器羽流及工作热影响，结合单机设备的布局状态，确定推力器布局位置。

本发明所提出的一种火星探测器双组元多档推力器配置和布局方法，不同于传统卫星推力器的配置和布局方案，一般布局安装在平台各顶点或各棱边中央位置，大、小推力2档配置。本方法充分考虑了火星探测器布局空间及系统资源限制，通过与双组元系统特点、三轴姿轨控能力需求、姿轨控工作模式及单机设备布局匹配的设计，解决了资源约束下推力器布局问题，满足探测器姿轨控的工作要求；本发明原理简单，思路新颖，过程清晰，既体现了技术应用的成熟度，也展示了应用的灵活性和创新性，是后续火星探测任务及其他深空探测任务中，配置需求高、布局约束强等条件下，实现双组元推力器布局配置的重要解决途径，与实际工程结合密切，具有很高的工程指导及直接应用价值；本发明，是直接面向火星探测任务，过程中充分考虑了深空探测任务的技术特点及难点，与近地航天任务相比，利用推进系统在探测器底部平铺布局的有利条件，进行了系统配置与工作模式的匹配设计，满足工程任务的需求，优化系统资源配置。本发明提出后，将拓展火星探测任务为代表的其他深空探测任务中推力器配置及布局的工程手段，满足后续深空探测任务的不同需求。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。