在轨加注用超声波流量计的设计与试验

于洋 丁凤林 宗光华

（1 北京航空航天大学机器人研究所，北京100191）（2 北京控制工程研究所，北京 100190）

1 引言

通过推进剂的在轨加注可以延长航天器的在轨时间，进而提高其机动能力和执行任务的灵活性［1－3］。俄罗斯、美国等航天大国从20世纪70年代开始在轨加注技术的研究，20世纪80年代开始在航天器上进行在轨加注试验［4－5］。我国的在轨加注研究开展较晚，尚处于起步阶段，从2007年开始在轨加注方面的研究，开展了推进剂在轨加注的数值模拟和地面试验等相关研究［6－7］。

推进剂在轨加注系统由加注贮箱，被加注贮箱，加注管路和控制阀门等组件构成。其中加注管路中最重要的组成部分是超声波流量计（Ultrasonic Flow Meter，UFM），它实时显示加注管路中的推进剂流量信息，对计算加注贮箱和被加注贮箱的推进剂总量和监测在轨加注过程起着至关重要的作用。

静止轨道卫星（GEO）和低轨道卫星（LEO）在寿命即将结束时，需要离开原来的运行轨道，这就对推进剂剩余量测量的准确性和可靠性提出了更高的要求。准确的寿命预测可以使卫星的更新换代更加经济有效，并且能够减少航天器的发射数量，提高经济效益。荷兰Bradford Engineering BV 公司为欧洲航天局研制的超声波流量计，其在LAE 点火阶段（80～150g／s）的地面精度高达全量程的0.05%，已完成欧洲大型卫星平台AlphaBus的资格检查测试［8］。目前国内外对于微重力条件下的推进剂剩余量测量多采用簿记法（Book Keeping）和理想状态方程法（PVT），这两种方法的测量误差均大于2%，长寿命航天器使用这两种方法得出的飞行寿命不确定性非常大，不能满足航天器寿命精确预测的要求。因此，研制适合中国航天器使用的高精度超声波流量计是十分必要的。

此外，超声波流量计还可用于监视推进剂贮箱的液位，控制双组元推进系统的推进剂混合比例，以及检测推进剂传输管路中的气泡情况。

本文针对在轨加注对超声波流量计的要求，研制了在轨加注用超声波流量计的原理样机，样机采用钛合金材料制造，使用高精度信号处理电路，满足航天器推进剂流量测量的地面试验要求。

图1 超声波流量计原理Fig.1 Principle of ultrasonic flow meter

2 超声波流量计

2.1 原理

超声波流量计的原理是超声波在流体中传播时，其传播速度会受流体流速影响而变化，因此可以通过测量穿过流体的超声波信号来计算流体的流速。以图1所示的超声波流量计为例，换能器A 和换能器B 分别安装在管路的两侧，且从一侧换能器发射出的超声波经过楔块和管路传播后恰好进入另一侧换能器。管路中流体的流动方向为从左至右。由于流体的流动，超声波顺流传播时间td总是小于逆流时间tu，他们的时间差和流体的流速u 成比例关系，如式（1）所示）

式中 c为超声波在水中的声速；L为超声波在流体中的传播距离（图中d 点和e 点间的直线距离）；θ为传播路径（图中虚线d→e）与管路的夹角。

式（1）是传播时间法的计算公式，可以看出，流体的线速度只和超声波在流体中的传播距离L，传播路径与管路的夹角θ，以及超声波的传播时间有关，而与介质无关。正因为传播时间法的介质无关性，超声波流量计可以使用水等流体进行标定，而在更换推进剂测量流速时保证同样的精度。通常推进剂的流量计计量的是质量流量

式中 ρ为推进剂的密度；A为管路内部的横截面积；k为速度修正系数，应根据流量计管路内流速分布情况计算。理想湍流流动状态下，速度修正系数公式为［9］

式（3）、（4）为计算速度修正系数的理论公式，然而为了提高流量计的测量精度，采用标定的方法，通过查表法（Look Up Table，LUT）记录流量计在不同流速范围的速度修正系数。

2.2 管路布局的优化设计

通过上面对传播时间法的分析，以提高超声波流量计精度为目的，可得到管路的设计目标：

1）超声波在流体中的传播距离L 尽可能长，以增加超声波在流体中的传播时间，减小传播时间的测量误差。

2）优化设计管路的内部布局，以使管路内的流场充分发展，减少管路内的扰动。

综合以上两方面的要求，采用超声波换能器成直线型对射，且与流体流动方向一致的管路设计，如图2所示。为了设计上下游管路与测量管路的接口形式（即图2中上游管座和下游管座），采用计算流体动力学（CFD）的方法，使用Ansys Fluent软件分析了4种不同的管路布局的流速分布情况。这4种管路接口形式分别为直角型、45°锐角型、直线型和圆弧型，其中直线型为换能器内置，其余均为换能器外置。通过分析得出45°锐角型的管路内部流速分布比较均匀，因此采用45°锐角型的管路布局设计超声波流量计，如图3所示。

图2 超声波流量计结构Fig.2 Structure of ultrasonic flow meter

图3 超声波流量计管座结构Fig.3 Structure of UFM base

图4 信号处理电路Fig.4 Signal processing circuit

2.3 信号处理

为了提高系统的测量精度，需要在电路延迟、信号处理速度等方面对电路进行优化设计。信号处理电路的组成如图4所示。系统使用1MHz的收发一体超声波换能器，在一个测量周期内，通过模拟开关的切换，两个超声波换能器交替发射激励脉冲和接收电压信号。处理电路使用LEMO 连接器和超声波换能器连接。当一侧换能器发射激励脉冲时，计时电路开始计时；另一侧换能器接收到的信号，首先经过滤波器滤除高频噪声，然后通过斩波稳定比较器，经阈值比较得到停止计时时间。开始时间和停止时间的差值即为超声波的传播时间。计时电路的时间测量精度最高可达22ps，保证了传播时间的测量精度。传播时间经嵌入式微处理器（MCU）计算得到流量后，通过RS232或者RS485协议输出，供测控系统使用。

信号处理电路采用5V 电压供电，超声波的激励电压为3.3V，电路功耗小于1W，工作温度－20℃～＋80℃，适于在轨加注地面模拟试验环境的使用。

2.4 标定

不同流速情况下，管路内部流场发展情况不同，根据线速度计算得到的流量通常和真实流量有误差，因此在使用前需要对超声波流量计进行标定。标定在中国计量科学院进行，使用水流量国家基准装置提供稳定水流。流量测量在温度25℃，湿度59%RH 的环境下进行，试验介质为清水，水温25.2℃，流量测量范围为0～150mL／s。按照流量计检定标准，测量点设为5 个，分别为15mL／s、40mL／s、80mL／s、120mL／s、150mL／s。标定系数曲线如图5所示，可见超声波流量计在大流量（80～150mL／s）测量时，线性度较好。

在取得标定系数后，流量计根据分段线性插值法进行标定。标定后再次测量流量的误差，如图6所示。可见超声波流量计在全量程的测量误差均小于0.1%，且随着流量的增大，误差有减小的趋势。这一方面说明随流量增大，超声波传播时间差增大，时间测量误差减小；另一方面说明流量增大，流量充分发展，测量线速度越来越接近流体的平均流速，因此测量误差减小。

图5 标定系数曲线Fig.5 Calibration factor

图6 标定后的误差Fig.6 Error after calibration

3 在轨加注地面模拟试验

3.1 在轨加注方案

在轨加注的方式主要有3种，推进剂直接传输式、推进剂模块更换式和推进剂模块补加式。推进剂直接传输式的使用最为广泛，其操作方式有4种，分别为排气式、压缩机式、背压式和贯通式。排气式加注可以在低压情况下使用，加注过程中产生的热量少，不需要压缩机等设备，是一种安全可靠的加注方法。本系统使用排气式直接传输法进行推进剂的加注。

排气式加注的工作原理是，在推进剂加注前，将加注贮箱接入恒压气源，然后通过卸压阀对被加注贮箱排气，使其卸压到低压阈值，这样加注贮箱和被加注贮箱间的压力差便促使推进剂流向被加注贮箱。随着推进剂不断流入被加注贮箱，被加注贮箱内部气体体积减小，气压升高，当其气压升至卸压阀高压阈值时，再次排气卸压至低压阈值，实现再加注。如此反复，直至被加注贮箱加注完成。

3.2 模拟试验系统

在轨加注地面模拟试验系统由加注贮箱，被加注贮箱，加注管路和控制阀门等组件构成，其中加注管路中使用的传感器有超声波流量计和压力传感器，如图7所示。试验在环境温度25℃下进行，使用无水乙醇作为模拟推进剂，氮气作为压缩气体，加注贮箱和被加注贮箱均使用容积28L的板式表面张力贮箱，贮箱外壳使用有机玻璃制造，以便于观察加注过程的进行情况。试验前称重22kg的无水乙醇注入到加注贮箱中。初始状态加注贮箱充满推进剂，被加注贮箱有很少量剩余推进剂。

试验流程如下：

1）加注贮箱接入恒压气源，使其内部气体保持恒压48kPa；

2）推进剂在压力差的作用下流向被加注贮箱（记录此过程的流量和压力变化）；

3）随着加注的进行，被加注贮箱气体体积减小，压力升高。当升至高压阈值40kPa，卸压阀开启，排气卸压至低压阈值30kPa后关闭；

4）重复步骤2）、3），直至加注完成。

图7 在轨加注地面模拟系统Fig.7 Simulation system of orbital refueling

3.3 试验结果

两贮箱的压力变化，以及其压力差变化如图8所示。可以看出，加注贮箱基本稳定在恒压气源的48kPa压力值；被加注贮箱由于卸压阀的存在，其压力值在30kPa～40kPa之间做锯齿状波动。而且随着加注的进行，被加注贮箱内部气体体积减小，升压和卸压过程加速，气压波动频率变大。

图9使用双纵坐标轴展示压力差和管路内流量之间的关系，可见两者的变化趋势是一样的，这说明了压力差是推进剂加注的主要动力。当压力差波动加剧时，流量变化也加快。值得注意的是，流量的变化呈整体下降的趋势。这是由于随着加注的进行，加注贮箱推进剂液面降低，被加注贮箱推进剂液面升高，两者间的推进剂重量差值越来越大，压力差要抵消这部分推进剂重量差，所以流量呈整体下降趋势。

图8 贮箱压力Fig.8 Tank pressure

图9 压力差与流量Fig.9 Pressure difference and flow rate

两贮箱内推进剂总量变化曲线如图10所示，可见随加注进行，总量曲线的斜率略有减小，说明加注过程放慢，这与图9的流量整体下降一致。在2 280s（约38min），加注贮箱剩余2.3kg推进剂，被加注贮箱推进剂总量为19.7kg，贮箱接近加满，这时关闭自锁阀，停止加注。

图10 贮箱推进剂总量Fig.10 Remaining of tanks

试验中因空间限制没有串联其他的流量计进行流量对比。加注结束后，加注贮箱推进剂剩余量2.3kg和被加注贮箱推进剂剩余量19.7kg的总和为22kg，和试验前注入贮箱的无水乙醇的质量22kg是完全相等的，证明了超声波流量计是满足地面模拟试验的精度要求的。

需要注意的是，这里因为是模拟试验，可以通过观察贮箱内部的加注情况，人为判断被加注贮箱加注完成，进而停止加注。然而在航天器上，加注过程的完成判断，就要依靠流量计对贮箱推进剂总量的测量。由此可见，超声波流量计在推进剂在轨加注系统中的应用是可行的、必要的。

4 结束语

航天器在轨加注中，使用超声波流量计可以提高推进剂流量的测量精度，提高航天器的经济效益。本文研制了一种满足在轨加注要求的超声波流量计。

1）流量计经标定后，在量程（0～150g／s）范围内可达到0.1%的测量精度，高于传统的推进剂流量测量方法。

2）使用计算流体动力学（CFD）的方法，比较了4种常见的管路布局（直角型、45°锐角型、直线型和圆弧型），并在45°锐角型管路布局的基础上，优化设计了管路的布局，使得流场充分发展，流速均匀分布。

3）在处理电路方面，采用斩波稳定比较器和高精度的计时电路，保证了时间测量的准确性。

4）在轨加注地面模拟试验表明，超声波流量计在推进剂在轨加注中的使用是可行的，对于检测加注过程的进行情况是十分必要的。此外，流量计对贮箱推进剂总量的测量也验证了其作为航天器寿命估算依据的可行性。

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