载人飞船推进剂剩余量在轨直接测量技术

刘建盈，宣晓萍，汤建华

(上海空间推进研究所，上海201108)

1 引言

载人飞船推进系统推进剂剩余量在轨准确测量对于交会对接任务的完成和航天员的安全返回具有重要意义，是推进系统在轨维护和载人飞船飞控决策的重要依据。

载人飞船使用球形金属膜片贮箱贮存和供应推进剂。贮箱增压后金属膜片与推进剂液面完全贴合，其变形过程连续、型面相对稳定，膜片位置可测量，但工作过程球形贮箱液腔容积呈非线性变化，实现剩余量精确测量难度大［1］。根据交会对接任务对推进剂在轨准确评估的要求，剩余量测量即要实时、直观、准确反映推进剂消耗总量，又要同时反映单个贮箱消耗情况，获得各贮箱、各推进剂组元之间的不平衡消耗情况。针对上述特点和要求，本文通过边界元仿真分析技术研究了膜片变形的规律及其与剩余量的关系，采用测量膜片顶点位移并转换成剩余量的测量方法实现了推进剂剩余量在轨高精度直接测量。

2 测量系统方案设计

目前常用的剩余量测量方法包括记账簿法、PVT法、传感器直接测量法等［2］。能够满足本项目需求的为直接测量法，项目组首先研究了该方法的测量原理，为测量系统设计奠定理论基础。

2.1 测量系统原理［3］

根据金属膜片贮箱工作特性，采用测量膜片顶点位移并转换成剩余量的测量方法其原理为:

1)利用位移传感器测量金属膜片位移量;

2)通过膜片位移与液腔容积关系式计算出剩余量。

根据理论模型得到的推进剂剩余量计算公式［4］如式(1)(2)所示。

其中L—位移传感器拉线长度，mm;

R－位移传感器输出电阻，Ω;

H－推进剂剩余量，L。

2.2 影响测量精度的因素

本测量方法的确立涉及的环节包括数学模型的建立，测量系统设计，在轨遥测采集分析等环节，测量精度受以下因素影响:

1)计算公式的影响。金属膜片贮箱内金属膜片理论上沿膜片根部逐渐往下变形，液腔容积的变化为非线性、无特定规律的。由于同一圆周上膜片厚度、硬度存在的差异，膜片变形过程中可能存在偏离几何轴线的情况。

2)测量系统设计方案的影响。测量系统设计包括测量装置的布局、位移传感器安装形式、参数初值选取等，对剩余量零位显示值及测量全程误差水平有重要影响。

3)测量设备性能和精度的影响。传感器和采集电路精度虽然误差较小，但对于总体测量精度的影响需要分析并进行优化设计。

3 关键技术及研究情况

在该测量系统中，需要得到贮箱工作过程剩余量变化函数，设计位移测量测量装置，并进行试验验证等，为确定在轨测量精度和装订参数提供依据。

3.1 金属膜片工作过程仿真［1］

金属膜片贮箱工作过程中膜片理论变形过程见图1［2］。

根据理论变形过程采用边界元分析技术，以膜片顶点位移来表征膜片变形情况，当膜片顶点位移量为L时，利用仿真技术计算对应的贮箱液腔容积。计算结果表明，当膜片顶点位移等距离变化时，贮箱液腔容积(即剩余量)呈非线性变化，详见图2膜片顶点位移与剩余量理论关系曲线。

图1 金属膜片贮箱膜片变形过程示意图Fig.1 The metal diaphragm reversing process of the metal diaphragm

图2 金属膜片贮箱理论剩余量变化曲线Fig.2 The theoretical curve of the propellant remaining in the metal diaphragm tank

3.2 内置式、小型化位移测量装置设计

金属膜片贮箱通过金属膜片隔离气液腔，要实现金属膜片的位移测量必须能够将测量装置安装在贮箱气腔内，而贮箱气腔容积较小，在不能改变贮箱结构的情况下，必须研制内置式、小型化位移测量系统。该装置采用拉线式位移传感器直接测量的方案，即位移传感器一端固定在贮箱壳体内顶端位置，引出线与金属膜片顶端连接固定。当膜片产生位移时，传感器引出线被拉长，输出电压、电阻特定发生变化，通过采集到的电压、电阻变化量计算得到膜片位移量，实现位移测量。

为了实现小型化、高精度的研制目的，采取了以下措施:

1)采用卷轴式结构，拉线初始状态缠绕与卷轴上，电位计与卷轴同轴设计，减小了设计尺寸。

2)选用高精度元件，减小初始段非线性误差和重复性误差。

3)通过试验得到了输出电压与拉线长度的线性关系式如式(3)所示。

式中L为拉线长度，R0为总阻值，R1为零位阻值，U为实时遥测采集电压，E0为传感器供电二次电源电压，K为系数。

3.3 获取计算公式及相关参数的试验研究

本技术方案通过地面模拟排放试验获取计算公式和相关参数。试验共使用四只金属膜片贮箱和2只位移传感器进行排放试验，试验系统原理见图3，位移传感器安装于贮箱顶端端盖，传感器下拉线与金属膜片顶端的吊钩固定。贮箱加注模拟工质，然后进行排放试验。试验中，同时测量位移传感器的输出阻值和模拟工质的剩余量。

图3 金属膜片贮箱剩余量拟合试验系统原理图Fig.3 The system diagram of the fitted test for propellant remaining in themetaldiaphragm tank

根据四个贮箱第一次排放的数据，可拟合出拉线长度变化量与剩余量的关系。以拉线长度变化量为变量，用Origin软件按一元三次多项式拟合进行了计算，这种拟合方法的相关系数(RSquare)达到 0.99912［4］。拟合曲线见图4。

图4 贮箱第一次排放剩余量数据及拟合曲线Fig.4 The fitted curve of the propellant remaining in the metal diaphragm tank according to the test data

多项式拟合公式为:

式中 A、B1、B2、B3为修正系数。

3.4 测量系统误差分析

将试验曲线与理论曲线进行了比对，当膜片位置相同时，理论计算的剩余量与实际测量值偏差不超过3.5%，证明排放试验数据可信。

对排放试验数据按照上述方法进行处理，得到|±3σ|max=11.34 kg(可信度 99.73%)，对应的测量精度为4.5%(与实际称重结果比对)。

4 载人飞船应用情况

载人飞船推进舱推进剂剩余量测量方法确定后，通过三次交会对接任务进行了验证，在轨测量精度均满足技术指标要求，详见表1。

在轨飞行过程中以记账簿法和PVT法综合评定结果作为推进剂剩余量理论参考值(该方法经过地面系统试车验证，误差小于1%)。

表1 在轨飞行试验验证结果Table 1 The flight verification test results

5 结论

本文确定了适合交会对接任务载人飞船推进舱推进剂剩余量测量方法，并在载人飞船飞行试验中得到应用，取得了如下成果:

1)获得了金属膜片非线性变形与剩余量变化的规律，通过试验验证了变形规律的准确性;

2)研制了内置式、小型化、高精度的位移测量系统，能适应贮箱狭小气腔空间安装要求;

3)在国内飞行器中首次实现了推进剂剩余量的在轨直接测量，直接、实时获得了各贮箱推进剂剩余量信息，提高了载人飞行的可靠性。

［1］朱智春，赵和明.金属膜片贮箱的膜片变形分析［J］.推进技术，1999，20(5):77-79.

［2］宋涛，梁军强，魏延明.结合多种剩余推进剂测量方法的应用研究［J］.空间控制技术与应用，2012，38(1):58-62.

［3］罗斌，施金苗，童钧耕.采用位移传感器测量飞船推进剂剩余量［J］.载人航天，2003(5):38-40.

［4］金哲，金林虎.Origin 6.1在试验数据处理和分析中的应用［J］.延边大学学报(自然科学版)，2002，28(4):217-273.