超声波流量计在航天器推进系统中的应用分析

丁凤林, 魏延明

(北京控制工程研究所,北京100190)

超声波流量计在航天器推进系统中的应用分析

丁凤林, 魏延明

(北京控制工程研究所,北京100190)

超声波流量计作为一种先进的流量计量仪器已经在工业上得到广泛的应用，其高精度、易安装、不受环境因素影响等特性为航天器在轨推进剂计量带来了新的思路.超声波的反射特性使得该装置也可作为推进剂管路内流体状态的监测及故障诊断的有力工具.简介了超声波流量计的原理及发展，分析了该装置对航天器推进系统的计量及检测的适用性，并针对该项技术在中国航天器推进系统中的应用提出了具体建议.

超声波流量计; 航天器推进系统; 剩余量测量

超声波流量计是利用流体流动对超声波脉冲或超声波束的信号起调制作用并通过检测信号的变化来获得体积流量的一种计量仪表.超声波流量计和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比，具有计量精度高、对管径的适应性强、不接触流体、使用方便等特点，近年来，随着电子器件的发展，超声波流量计开始普及.

目前，国内外航天器在轨推进剂的剩余量的计量都是通过基于气体状态方程的间接方法进行估算，对航天器寿命末期的推进剂剩余量的估算误差较大，难以满足现在工程应用提出的航天器寿命估算误差±3个月的要求.推进剂剩余量计量的误差对航天器的寿命计算及其离轨操作都有很大的影响.超声波流量计可以在轨对推进剂消耗量直接测量，能够填补这一计量领域的空白.超声波流量计的超声波特性还可以作为航天器推进系统在轨故障诊断和检测的有效手段.

本文首先介绍时差法超声波流量测量方法，其次结合目前航天器推进系统需要解决的一些问题，分析其在航天器推进系统中应用的可行性，最后针对这种测量方法在航天器推进系统中应用所面临的问题及解决方案提出具体建议.

1 超声波流量计原理与应用发展

根据对信号检测的原理，可将目前的超声波流量计检测方法大致分为多普勒法、相关法、波束偏移法、噪声法(见图1)和传播速度差法(见图2).

多普勒法利用声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中散射体散射的超声波多普勒频移来确定流体流量，适用于含悬浮颗粒、气泡等流体的流量测量.波束偏移法利用超声波束在流体中的传播方向随流体流速变化而产生偏移来测量流体流速，此方法在被测流体流速低时，灵敏度很低，适用性不大.相关法是利用相关技术测量流量，原理上，此法的测量准确度与流体中的声速无关，因而与流体温度，浓度无关，所以流量准确度高，适用范围广.但相关法仪器价格昂贵，线路比较复杂.噪声法(又称听音法)是利用通道内流体流动时产生的噪声与流体的流速有关的原理，通过检测噪声表示流速或流量值，此方法简单，成本低，但准确度低，适用于对流量测量精度要求不高的场合.

图1 超声波测量方法

图2 传播速度差法的3种配置形式

传播速度差法包括时差法、频差法和相位差法，它们的基本原理都是通过测量超声波脉冲在顺流和逆流传播时的速度之差来反映流体的流速，故统称传播速度差法.其中频差法和时差法克服了声速随流体温度变化带来的误差，精度较高，所以被广泛应用.按照换能器的配置方法的不同，传播速度差法又分为:Z法(透过法)、V法(反射法)、X法(交叉法)等.对超声波传感器的安装方法的选择原则一般是:当流体沿管轴平行流动时，选用Z法;当流动方向与管轴不平行或管路安装地点使超声波传感器的安装间隔受到限制时，采用V法或X法.

可见以上几种方法各有特点，可根据被测流体性质、流速分布情况、管路安装地点及对测量精确度的要求等因素进行选择.一般来说，如果流体的温度不能保持恒定，则多采用不受温度变化影响的频差法和时差法.航天器推进剂在轨温度变化较大，且受安装空间、重量、可靠性等限制，基于传播速度差法中Z法配置的时差法超声波流量计比较适用.

1.1时差法超声波流量计原理

由于超声波在横向穿过流动的液体介质时，在其顺流和逆流介质中的传播速度有差异而形成速度差(时间差).时差法超声波流量计就是利用该原理对流体的流速和流量进行测量的.

图3所示为超声波流量计的简化结构，A和B两个换能器相对于管道轴线的安装角是φ，管径为D.

图3 超声波流量计测量原理简化图

如果超声波换能器的嵌入安装方式如图3形式，则可得出超声信号在流体中向上游和向下游的传播时间

式中S为管路横截面积.

1.2超声波流量计的应用发展

利用超声波测量流速、流量的技术在医疗、海洋观测、河流特别是工业管道的各种测试中有着广泛的应用，它不但可以用于液体、液固两相流的测量，还可用于气体流量的测量. 利用超声波测量液体和气体的流量己有数十年的历史.上世纪30年代首先研制出相位差超声波测量计；50年代末期出现了用于测量航空燃料的频差法MAXSON流量计，它标志着超声波流量计由理论研究阶段进入工业测量时期；上世纪60年代末又出现了多普勒效应的超声波测量计；进入80年代后，由于IC技术的迅速发展、锁相技术和微处理机的应用，超声波流量计的各项性能有了大大提高，使实用的超声波流量计得以迅速发展.近10年来，基于高速数字信号的处理技术与微处理器技术的进步、新型探头材料与工艺的研究以及声道配置及流体动力学的研究，超声波流量测量技术取得了长足的进步，显示出它强劲的技术优势，形成了迅猛发展的势头.

从超声波流量计的发展史来看，美国最早着手这方面的研究，而且很快就有产品投入使用，到1975年全国就有1000多台超声波流量计在工作.前苏联以及西欧各国也很早就开始从事这方面的研究.前苏联的科学工作者对流量测量理论进行广泛地研究，讨论流速分布中的流量补偿系数问题，并且提出用多路超声波流量计解决流场畸变对测量精度的影响，为进一步提高超声波流量计测量精度打下了坚实基础.日本是超声波流量计研究的后起之秀，在消除管外传播时间、提高仪器精度和缩短相应时间方面有独到之处.在英国，由英国科学院专门拨款给Bradford大学，研究成功的相关流量计正在进一步完善和实用化.中国的超声波流量计研究工作虽然起步较晚，但由于广大科技工作者的努力和引进国外先进技术，国产的超声波流量计已开始批量生产并投入使用.

在航天领域，Bradford公司研制了应用于航天器推进系统上的超声波流量计.此流量计进行了推力器地面点火试验的推进剂测量工作，地面试验表明该流量计设计非常成功.Bradford公司2007年完成了飞行正样产品的研制，并将该流量计应用在了AlphaSat平台上.

表1 Bradford研制的航天器用超声波流量计参数

2 超声波流量计在航天器推进系统中的应用分析

2.1适应性

除高精度、高可靠性外，超声波流量计还具有以下特点：

① 超声波装置不需要与推进剂相接触，其外壳可以采用钛合金，与管路的连接采用焊接结构，故不存在与推进剂不相容和漏率超标问题；

② 该设备可以根据星上工况在地面进行标定；

③ 该测量装置可以作为管路的一部分，不影响推进剂在管路中的流动.超声波流量计可以选择安装在航天器推进系统任意一处管路的主干路上，与推进剂管路的连接可以采用焊接或螺接结构，方式灵活；

④ 体积小、重量轻、功耗低，工作环境能够涵盖目前航天器环境.

综合上述特点可知，超声波流量计在星上的应用是可行的.

2.2现实意义

超声波流量计的高精度、不受环境因素影响的特性为航天器在轨推进剂消耗计量带来了新的思路，同时超声波的反射特性使得该装置也可作为推进剂管路内流体状态的监测及故障诊断的有力工具，其应用可以解决目前困扰航天器技术的一些难题，具有重要的实际意义.

1) 航天器在轨剩余量测量

推进剂剩余量的测量目前是空间碎片预防以及航天器在轨管理的关键技术之一.由于空间为微重力或零重力环境，地面上常用的依赖于重力加速度的称重法、静压差法、液位计法等测量技术不能再应用，加之微重力下液体的表面张力起主导作用，受容器内部液体管理装置的影响，箱内气液界面复杂，各种随机扰动产生的加速度又使得液体的位置和液气相界面随之变化，使用于测定液气界面的辐射法、光学法等地面测量技术也不能在空间应用.

目前国内外用于微重力下推进剂剩余量的估算和航天器寿命终了时间预测的技术大都依赖于推进剂消耗量的簿记法(BK法)和基本的热力学测量方法(PVT法).随着航天器性能的不断提高，长寿命航天器用这种方法得出的飞行寿命终了时间的不确定性非常大，远不能满足要求.2006年，北京控制工程研究所在搭载试验中采用目前国际上公认的高精度气体注入法进行了搭载试验，从最终的分析结果来看，其精度虽然高于BK法和PVT法，但误差还是达到了2%，温度影响是其主要的误差来源.

超声波流量计安装在推进剂管路上，采用直接法对消耗的推进剂进行测量，不受飞行器贮箱内液体分布状况影响；微重力状况使管路内液体的流动更加均匀，有利于对流经的液体速率进行修正；时差法超声波流量计不受温度的影响，测量精度高；这些优点使之能够精确计量消耗掉的推进剂，这是任何一种利用气体状态方程计算推进剂剩余量的方法都无法比拟的，是解决推进剂剩余量测量的一种非常有效的方法.

2) 在轨推进剂加注计量

空间在轨补给技术是航天器主要的在轨服务模式之一，它是延长航天器的有效工作寿命、提高航天器经济效益的主要技术手段.发展航天器在轨补给系统在未来航天发展中有一定的需求，超声波流量计可以用作未来空间在轨补给系统流量计量，为精确计量推进剂的补给情况提供数据.

3)故障诊断及推进系统健康监测

超声波是一种机械波，它具有方向性好，在传输介质中遇到杂质或分界面会产生显著的反射特性，利用其这一特性，超声波流量计还可以用作推进剂管路内流体状态的监测.如果推进剂中夹杂有气泡或多余物等情况，超声波流量计的测量信号会有相应的反映，地面设计人员可以通过对流量计信号的监测判读推进系统的在轨工作情况.此外，高精度超声波流量计结合合理配置也可以对推进剂泄漏等状况进行判断.

超声波流量计具有瞬态流量计量功能，使得地面系统能够实时测定工作中的在轨航天器推进系统的氧化剂和燃烧剂支路内的液体流量，进而对发动机混合比进行评判，如果出现偏差可以及时调整，这也能够进一步减少由于发动机点火时混合比误差导致航天器寿命末期某种推进剂过量剩余而给航天器带来的死质量.

2.3挑战

目前，国内工业上已经开始应用超声波流量计，但航天领域尚未引进.要研制适用于航天器用的超声波流量计，还需对以下问题进行深入研究：

①高精度测量设备的实现.目前，工业上用于天然气流量测量的超声波流量计精度达到了公认的0.2%，Bradford公司为欧空局研制的超声波流量计精度达到了0.05%，但是鉴于国内的研究情况，达到此种精度还有待进一步研究.

②测量设备的小型化、高可靠性.星载设备要求高可靠，这是必备的特性，同时，为了节省空间，还要将其小型化、轻型化.

③信号的处理与传输.为了达到测量的高精度，系统需要高的采样频率，为实现推进剂瞬时流量和累计流量的测量，需要处理大量的数据，这些数据的处理及传输问题是地面测试设备所不存在的，但在轨测量需要仔细考虑，要做好与遥测遥控系统的接口.

④超声波对整星的影响研究.超声波是否会影响星上其他设备的工作还需进一步研究；超声波流量计的引入会带来质量和功耗等增加，流量计形状及其在星上的安装还要进一步考虑.

2.4研究方案

目前，国内一些科研院所及公司开展了此类的研究工作，虽然起步较晚，但技术引进使得这一技术得到了飞快发展.对于航天器用超声波流量计的研究应立足国内，充分利用现有的研究成果，以尽快达到在轨应用的目的.

航天器用超声波流量计的研制可以分为以下两步：

第一步：结合国内实际，综合考虑在轨测量精度需求，制定设计技术指标并完成地面原理样机研制，利用航天器姿、轨控发动机地面试验验证其精度；

第二步：在第一步基础上实现其小型化，提高可靠性，研究其在轨应用方案，协调与航天器其他分系统的关系，使之实现在轨测量.

3 结 论

时差法超声波流量测量技术作为一项成熟的工业测量技术，原理简单，具有很高的测量精度，可以用于推进系统在轨推进剂测量，同时还可以满足地面推进剂测量需求.同目前国内外应用的推进剂剩余量测量方法相比，此方法具有精度高，受外界因素干扰小等特点.同时，该装置也可用于航天器推进系统在轨故障诊断，为发动机混合比调节提供依据等，可以作为未来航天器推进系统必备的设备.

用超声波流量计实现航天器在轨测量的研究不仅可以提高中国航天器推进系统技术水平，同时作为一个负责任的航天大国在解决空间碎片等领域所做出的努力，理应深入开展此类装置的研究工作.

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ApplicationAnalysisofUltrasonicFlowmeterintheSpacecraftPropulsionSystem

DING Fenglin, WEI Yanming

(BeijingInstituteofControlEngineering,Beijing100190,China)

A kind of ultrasonic flowmeter has advantages of high accuracy, easy to use and not sensitive to the environmental factor. This kind of flowmeter is widely used in the industry. Now BK and PVT methods are used to calculate the spacecraft residual propellants in the orbit, those methods are based on the gas equation of state, and measurement error is about 2%. The ultrasonic flowmeter can be used to measure the propellant consumption directly, and it is an efficiency method to solve inaccurate gauging problem. Because of the characteristics of the ultrasonic, this kind of device can also be used to diagnose the unexpected particles or bubbles in the propellant feed lines. In this paper, the theory of ultrasonic flowmeter is introduced and its applicability in the propulsion system is analyzed. Also, some suggestions on ultrasonic flowmeter development are brought in the paper.

ultrasonic flowmeter; spacecraft propulsion system; propellant gauging

2010-10-14

丁凤林(1980—)，男，内蒙古人，工程师， 研究方向为航天器推进技术 (e-mail: cast_ding@yahoo.com.cn).

V448

A

1674-1579(2010)06-0047-04