结合多种剩余推进剂测量方法的应用研究

宋 涛,梁军强,魏延明

(北京控制工程研究所,北京100190)

结合多种剩余推进剂测量方法的应用研究

宋 涛,梁军强,魏延明

(北京控制工程研究所,北京100190)

基于“十一五”期间对多种航天器剩余推进剂测量方法的研究成果，分析了气体注入(压力激励)法、超声波流量计法、加速度计法、热容法以及压力-体积-温度(PVT)法和簿记(BK)法的适用范围，对这些剩余推进剂测量方法在航天器整个寿命期间不同时期的应用方案进行了研究，提出了3种典型的测量方法组合方案和应用策略.

推进系统；剩余推进剂测量；应用研究

随着航天器技术的发展和应用前景的日益广泛,特别是长寿命卫星的投入使用,对航天器整体管理水平和卫星使用效率提出了越来越高的要求,在轨航天器寿命期间的管理和维护已成为迫切需要解决的问题.推进剂剩余量测量是航天器在轨管理的一个重要组成部分,推进剂耗尽航天器就结束了寿命,因此通过对推进剂的精确测量就能够有效管理航天器的工作寿命,提高推进剂的使用效率,从而获得显著的经济效益.

空间碎片的存在对航天器和航天任务的影响日益严重,特别是加大了载人航天的潜在危害.缓减空间碎片的措施无非是预防和治理两种.对于空间碎片的预防来说,除了“钝化”这一最基本的技术外,任务后及时“离轨”是比较彻底的减缓措施.实施离轨的基本条件是必须掌握对卫星内剩余推进剂量精确监测技术,使中国对每一颗GEO在轨卫星剩余推进剂量都能心中有数.因此,精确测定航天器推进剂剩余量是空间碎片预防以及航天器在轨管理的关键技术之一.

在“十一五”期间,开展了多种航天器剩余推进剂测量方法的研究,主要有气体注入(压力激励)法、超声波流量计法、加速度计法和热容法,并结合传统的压力-体积-温度(PVT)法和簿记(BK)法对航天器整个寿命期间不同时期的应用方案进行了研究.

1 剩余推进剂测量方法应用情况分析

1.1 压力-体积-温度(PVT)法

压力-体积-温度(PVT)法［1］是根据遥测航天器上的液体贮箱内气体的压力和温度数据,利用气体状态方程计算出贮箱内气体体积,再由贮箱总体积和液体密度计算出箱内液体体积和液体质量.PVT法依赖于贮箱内的初始推进剂量,而且不能测量并联贮箱中每只贮箱的剩余推进剂,局限较大.但是若能够获得准确的初始推进剂量,而且压力传感器精度较高的情况下,对于独立的推进剂贮箱应用PVT法的能够达到比较高的精度.

1.2 簿记(BK)法

簿记(BK)法［2］是根据遥测的航天器推进系统的温度压力数据及轨道速度变化,并结合发动机和推力器比冲等地面经验数据,具体计算发动机和每个推力器在每个特定工作时序上的推进剂消耗量,并累计相加得到一定时间内的总消耗.BK法只能估算出每种组元推进剂的消耗量,局限较大.

1.3 气体注入(压力激励)法

气体注入法(又称压力激励法),基本原理是由外部给贮箱系统注入一定量的气体,由道尔顿分压定律和箱内气体压力温度变化的测量数据计算出贮箱内气体体积,同样再由贮箱总体积和液体密度计算出箱内液体体积和液体质量.目前有两种技术形式,一是应用节流阀测量气体注入质量的压力-温度-节流阀(PTT)技术,二是通过气体源压力温度变化测量得到注入质量的推进剂测量系统(PGS)技术［3］.其中PGS系统在HS-601和HS-702平台卫星上应用情况良好,测量精度可达到±3个月.图1为HS-702平台剩余量测量系统原理图,属于推进系统的气路部分.在轨测量是通过自锁阀LV5～LV10的组合将氦气瓶内的氦气注入到推进剂贮箱内.

气体注入法具有动态测量方法的优点,可以随 时进行测量,不依赖贮箱内的初始推进剂量,而且能够对并联贮箱中的每只贮箱的剩余推进剂进行测量.利用气体注入法的测量系统,还能够对推进系统的混合比和并联贮箱的平衡排放性能进行主动控制.气体注入法受到带气量的限制,只能进行有限次数的测量,因此测量时机需要综合考虑.

1.4 超声波流量计法

超声波流量计是利用流体流动对超声波脉冲或者超声波束的信号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.超声波流量计与其它流量计相比,具有如下特点:

a.超声波流量计流量测量精度高,可以达到0.05%；

b.超声波流量计能制作成非接触式,可安装在管道外侧测量流量,安装时不用在管壁上打孔,不受管子外型尺寸的影响,结构简单,对流体不产生压力损失；

c.可以实时测量流速,对流速的变化响应快,测量范围大,系统的稳定性较好；

d.超声波流量计不受流体物理性质与化学性质的影响,如流体的粘性、导电性及腐蚀性等.

因此应用超声波流量计测量液体流量的方法也是可以在空间应用的一种技术.

图2 Brad ford研制的航天器用超声波流量计［4］(测量精度0.05%)Fig.2 Brad ford’s ultrasonic flowm eter for spacecraft

将超声波流量计安装到推进剂贮箱的出口处,可以实时测量每只贮箱(包括并联结构贮箱)推进剂的流动情况,通过积分就能获得推进剂贮箱排出的推进剂量,从而计算出贮箱内的剩余推进剂［5］.超声波流量计对于微小流量的测量误差较大,而且是依赖积分方法测量推进剂剩余量,因此超声波流量计法的测量精度随着时间增加而下降.

1.5 加速度计法

应用加速度计法需要在卫星上沿轨控发动机推力方向安装高精度的加速度计.通过对加速度计的输出进行积分可以得到轨道机动时间段内卫星获得的速度增量Δv,然后根据火箭方程就能计算出卫星的质量变化量.

加速度计法只能计算出推进剂总的消耗量,每种推进剂的消耗需要根据混合比情况估算,而且无法计算出并联贮箱中每只贮箱的剩余量.高精度的加速度计为航天器的轨道机动提供精确控制手段,剩余推进剂的计算结果可作为其它方法测量结果的复核.

1.6 热容法

热容法［6］的使用步骤是:用加热器对贮箱壁面加热,根据能量守恒原理和理想气体状态方程,利用加热前后两个平衡状态下贮箱的温度压力数据,计算出推进剂质量.

热容法可以测量出每只贮箱(包括并联结构贮箱)的推进剂剩余量,但是其测量精度是与推进剂剩余量相关的,推进剂剩余量越少,其测量精度越高,因此对航天器寿终时间的预报最为准确.

热容法对航天器硬件的要求很少,只需要在贮箱上安装若干个加热器和温度传感器,但是其测量模型需要在地面根据每只贮箱的试验情况而建立,地面试验结果直接影响测量模型的准确性.

2 结合多种测量方法的应用研究

通过对上述各种测量方法的原理和应用情况分析,可以看出不同的测量方法应用范围和应用时机均有差异,下表是基于上述分析结果对各种测量方法的应用范围的统计.

从表1的统计结果可以看出,对于不同的推进系统结构和航天器不同的工作阶段,剩余量测量方法的适用性也不一样.下图基于对各种方法的误差分析,结合国外的研究资料,示意性的给出了5种剩余量测量方法(加速度计法适用性较窄,不作分析)在航天器寿命期间的测量精度变化情况,图中横坐标是航天器的工作寿命(全寿命周期为1),纵坐标是剩余量测量误差相对于贮箱容积的百分比.

表1 6种剩余推进剂测量方法的应用范围统计表Tab.1 The app lication field of six rem aining p ropellant gauging m ethods

图3 5种剩余量测量方法在航天器寿命期间的精度变化Fig.3 The precision in spacecraft lifetim e of five rem aining p ropellan t gauging m ethods

从上图可以看出,根据航天器寿命的不同时期,选择合适的剩余量测量方法,可以最大限度提高测量精度.下面针对3种典型的推进剂测量方法组合给出采用双组元推进系统的航天器寿命期间的应用策略:

a.气体注入法+PVT法.在航天器工作寿命初期,首先使用气体注入法测量出准确的推进剂剩余量初值；之后应用PVT法进行测量,由于初值比较准确,PVT法的测量精度与气体注入法相当(比图3中所示PVT法精度高)；对于并联贮箱,在工作寿命期间利用贮箱隔离措施,可以用PVT法对每只贮箱进行测量；到航天器工作寿命末期,再次使用气体注入法进行测量,结合PVT法的测量结果,确定航天器寿终时刻.这种组合既解决了气体注入法测量次数的限制,又提高了PVT法的测量精度.

b.超声波流量计法+PVT法.这种组合与“气体注入法+PVT法”类似,主要目的是利用超声波流量计确定出航天器寿命初期的推进剂剩余量初值,可以有效提高PVT法的测量精度,之后应用两种测量方法共同确定航天器寿命不同时期的剩余推进剂.

c.超声波流量计法+热容法.参考图3的曲线,选择航天器工作寿命不同阶段测量精度最高的方法进行测量.应用该组合方案,同时保证了航天器寿命初期和末期的测量精度,而且对于并联贮箱结构的适用性良好.

3 结 论

剩余推进剂测量方法在不同条件下的测量精度是不相同的,或者随应用的推进系统配置而改变,或者随航天器的工作时间而改变.而通过对剩余推进剂测量方法的精度和适用性分析,合理选择2项或多项测量方法,可以确保航天器工作寿命的特定时期的剩余推进剂测量精度,或者最大限度提高整个工作寿命期间的剩余推进剂测量精度.

［1］ Duhon D D.The shuttle orbital maneuvering system P-V-T propellant quantity gauging accuracy and leak detection allowance for four instrumentation conditions［R］.NASA CR-150972,23 July,1975

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［5］ 丁凤林,魏延明.超声波流量计在航天器推进系统中的应用分析［J］.空间控制技术与应用,2010,36 (6):47-50 Ding F L,Wei Y M.Application analysis of ultrasonic flowmeter in the spacecraft propulsion system［J］.Aerospace Control and Application,2010,36(6):47-50

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App lication Research on Com bination of M ultip le M ethods for Residual Propellant Gauging

SONG Tao,LIANG Junqiang,WEIYanming
(Beijing Institute of Control Engineering,Beijing 100190,China)

Based on the research of the residual propellant gauging methods in 11thFive-years Plan,the app lication conditions such as propellant gauging methods of the gas injection,ultrasonic flowmeter,accelerometer,thermal,PVT(pressure,volume,temperature)and bookkeeping are analyzed.In this paper,the application of propellant gaugingmethods in each period of the spacecraft life is researched,and three typical combinational applications of these methods are brought up.

spacecraft propulsion system；propellant gauging；application research

V448

A

1674-1579(2012)01-0058-05

宋 涛(1980-),男,工程师,研究方向为航天器推进技术；梁军强(1970-),男,研究员,研究方向为航天器推进技术；魏延明(1965-),男,研究员,研究方向为航天器推进技术.

2011-05-28

DO I:10.3969/j.issn.1674-1579.2012.01.010