結(jié)合多種剩余推進(jìn)劑測量方法的應(yīng)用研究

宋 濤,梁軍強(qiáng),魏延明

(北京控制工程研究所,北京100190)

結(jié)合多種剩余推進(jìn)劑測量方法的應(yīng)用研究

宋 濤,梁軍強(qiáng),魏延明

(北京控制工程研究所,北京100190)

基于“十一五”期間對多種航天器剩余推進(jìn)劑測量方法的研究成果，分析了氣體注入(壓力激勵)法、超聲波流量計(jì)法、加速度計(jì)法、熱容法以及壓力-體積-溫度(PVT)法和簿記(BK)法的適用范圍，對這些剩余推進(jìn)劑測量方法在航天器整個壽命期間不同時期的應(yīng)用方案進(jìn)行了研究，提出了3種典型的測量方法組合方案和應(yīng)用策略.

推進(jìn)系統(tǒng)；剩余推進(jìn)劑測量；應(yīng)用研究

隨著航天器技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用前景的日益廣泛,特別是長壽命衛(wèi)星的投入使用,對航天器整體管理水平和衛(wèi)星使用效率提出了越來越高的要求,在軌航天器壽命期間的管理和維護(hù)已成為迫切需要解決的問題.推進(jìn)劑剩余量測量是航天器在軌管理的一個重要組成部分,推進(jìn)劑耗盡航天器就結(jié)束了壽命,因此通過對推進(jìn)劑的精確測量就能夠有效管理航天器的工作壽命,提高推進(jìn)劑的使用效率,從而獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益.

空間碎片的存在對航天器和航天任務(wù)的影響日益嚴(yán)重,特別是加大了載人航天的潛在危害.緩減空間碎片的措施無非是預(yù)防和治理兩種.對于空間碎片的預(yù)防來說,除了“鈍化”這一最基本的技術(shù)外,任務(wù)后及時“離軌”是比較徹底的減緩措施.實(shí)施離軌的基本條件是必須掌握對衛(wèi)星內(nèi)剩余推進(jìn)劑量精確監(jiān)測技術(shù),使中國對每一顆GEO在軌衛(wèi)星剩余推進(jìn)劑量都能心中有數(shù).因此,精確測定航天器推進(jìn)劑剩余量是空間碎片預(yù)防以及航天器在軌管理的關(guān)鍵技術(shù)之一.

在“十一五”期間,開展了多種航天器剩余推進(jìn)劑測量方法的研究,主要有氣體注入(壓力激勵)法、超聲波流量計(jì)法、加速度計(jì)法和熱容法,并結(jié)合傳統(tǒng)的壓力-體積-溫度(PVT)法和簿記(BK)法對航天器整個壽命期間不同時期的應(yīng)用方案進(jìn)行了研究.

1 剩余推進(jìn)劑測量方法應(yīng)用情況分析

1.1 壓力-體積-溫度(PVT)法

壓力-體積-溫度(PVT)法［1］是根據(jù)遙測航天器上的液體貯箱內(nèi)氣體的壓力和溫度數(shù)據(jù),利用氣體狀態(tài)方程計(jì)算出貯箱內(nèi)氣體體積,再由貯箱總體積和液體密度計(jì)算出箱內(nèi)液體體積和液體質(zhì)量.PVT法依賴于貯箱內(nèi)的初始推進(jìn)劑量,而且不能測量并聯(lián)貯箱中每只貯箱的剩余推進(jìn)劑,局限較大.但是若能夠獲得準(zhǔn)確的初始推進(jìn)劑量,而且壓力傳感器精度較高的情況下,對于獨(dú)立的推進(jìn)劑貯箱應(yīng)用PVT法的能夠達(dá)到比較高的精度.

1.2 簿記(BK)法

簿記(BK)法［2］是根據(jù)遙測的航天器推進(jìn)系統(tǒng)的溫度壓力數(shù)據(jù)及軌道速度變化,并結(jié)合發(fā)動機(jī)和推力器比沖等地面經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),具體計(jì)算發(fā)動機(jī)和每個推力器在每個特定工作時序上的推進(jìn)劑消耗量,并累計(jì)相加得到一定時間內(nèi)的總消耗.BK法只能估算出每種組元推進(jìn)劑的消耗量,局限較大.

1.3 氣體注入(壓力激勵)法

氣體注入法(又稱壓力激勵法),基本原理是由外部給貯箱系統(tǒng)注入一定量的氣體,由道爾頓分壓定律和箱內(nèi)氣體壓力溫度變化的測量數(shù)據(jù)計(jì)算出貯箱內(nèi)氣體體積,同樣再由貯箱總體積和液體密度計(jì)算出箱內(nèi)液體體積和液體質(zhì)量.目前有兩種技術(shù)形式,一是應(yīng)用節(jié)流閥測量氣體注入質(zhì)量的壓力-溫度-節(jié)流閥(PTT)技術(shù),二是通過氣體源壓力溫度變化測量得到注入質(zhì)量的推進(jìn)劑測量系統(tǒng)(PGS)技術(shù)［3］.其中PGS系統(tǒng)在HS-601和HS-702平臺衛(wèi)星上應(yīng)用情況良好,測量精度可達(dá)到±3個月.圖1為HS-702平臺剩余量測量系統(tǒng)原理圖,屬于推進(jìn)系統(tǒng)的氣路部分.在軌測量是通過自鎖閥LV5～LV10的組合將氦氣瓶內(nèi)的氦氣注入到推進(jìn)劑貯箱內(nèi).

氣體注入法具有動態(tài)測量方法的優(yōu)點(diǎn),可以隨 時進(jìn)行測量,不依賴貯箱內(nèi)的初始推進(jìn)劑量,而且能夠?qū)Σ⒙?lián)貯箱中的每只貯箱的剩余推進(jìn)劑進(jìn)行測量.利用氣體注入法的測量系統(tǒng),還能夠?qū)ν七M(jìn)系統(tǒng)的混合比和并聯(lián)貯箱的平衡排放性能進(jìn)行主動控制.氣體注入法受到帶氣量的限制,只能進(jìn)行有限次數(shù)的測量,因此測量時機(jī)需要綜合考慮.

1.4 超聲波流量計(jì)法

超聲波流量計(jì)是利用流體流動對超聲波脈沖或者超聲波束的信號調(diào)制作用并通過檢測信號的變化來獲得體積流量的一種計(jì)量儀表.超聲波流量計(jì)與其它流量計(jì)相比,具有如下特點(diǎn):

a.超聲波流量計(jì)流量測量精度高,可以達(dá)到0.05%；

b.超聲波流量計(jì)能制作成非接觸式,可安裝在管道外側(cè)測量流量,安裝時不用在管壁上打孔,不受管子外型尺寸的影響,結(jié)構(gòu)簡單,對流體不產(chǎn)生壓力損失；

c.可以實(shí)時測量流速,對流速的變化響應(yīng)快,測量范圍大,系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好；

d.超聲波流量計(jì)不受流體物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)的影響,如流體的粘性、導(dǎo)電性及腐蝕性等.

因此應(yīng)用超聲波流量計(jì)測量液體流量的方法也是可以在空間應(yīng)用的一種技術(shù).

圖2 Brad ford研制的航天器用超聲波流量計(jì)［4］(測量精度0.05%)Fig.2 Brad ford’s ultrasonic flowm eter for spacecraft

將超聲波流量計(jì)安裝到推進(jìn)劑貯箱的出口處,可以實(shí)時測量每只貯箱(包括并聯(lián)結(jié)構(gòu)貯箱)推進(jìn)劑的流動情況,通過積分就能獲得推進(jìn)劑貯箱排出的推進(jìn)劑量,從而計(jì)算出貯箱內(nèi)的剩余推進(jìn)劑［5］.超聲波流量計(jì)對于微小流量的測量誤差較大,而且是依賴積分方法測量推進(jìn)劑剩余量,因此超聲波流量計(jì)法的測量精度隨著時間增加而下降.

1.5 加速度計(jì)法

應(yīng)用加速度計(jì)法需要在衛(wèi)星上沿軌控發(fā)動機(jī)推力方向安裝高精度的加速度計(jì).通過對加速度計(jì)的輸出進(jìn)行積分可以得到軌道機(jī)動時間段內(nèi)衛(wèi)星獲得的速度增量Δv,然后根據(jù)火箭方程就能計(jì)算出衛(wèi)星的質(zhì)量變化量.

加速度計(jì)法只能計(jì)算出推進(jìn)劑總的消耗量,每種推進(jìn)劑的消耗需要根據(jù)混合比情況估算,而且無法計(jì)算出并聯(lián)貯箱中每只貯箱的剩余量.高精度的加速度計(jì)為航天器的軌道機(jī)動提供精確控制手段,剩余推進(jìn)劑的計(jì)算結(jié)果可作為其它方法測量結(jié)果的復(fù)核.

1.6 熱容法

熱容法［6］的使用步驟是:用加熱器對貯箱壁面加熱,根據(jù)能量守恒原理和理想氣體狀態(tài)方程,利用加熱前后兩個平衡狀態(tài)下貯箱的溫度壓力數(shù)據(jù),計(jì)算出推進(jìn)劑質(zhì)量.

熱容法可以測量出每只貯箱(包括并聯(lián)結(jié)構(gòu)貯箱)的推進(jìn)劑剩余量,但是其測量精度是與推進(jìn)劑剩余量相關(guān)的,推進(jìn)劑剩余量越少,其測量精度越高,因此對航天器壽終時間的預(yù)報(bào)最為準(zhǔn)確.

熱容法對航天器硬件的要求很少,只需要在貯箱上安裝若干個加熱器和溫度傳感器,但是其測量模型需要在地面根據(jù)每只貯箱的試驗(yàn)情況而建立,地面試驗(yàn)結(jié)果直接影響測量模型的準(zhǔn)確性.

2 結(jié)合多種測量方法的應(yīng)用研究

通過對上述各種測量方法的原理和應(yīng)用情況分析,可以看出不同的測量方法應(yīng)用范圍和應(yīng)用時機(jī)均有差異,下表是基于上述分析結(jié)果對各種測量方法的應(yīng)用范圍的統(tǒng)計(jì).

從表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出,對于不同的推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和航天器不同的工作階段,剩余量測量方法的適用性也不一樣.下圖基于對各種方法的誤差分析,結(jié)合國外的研究資料,示意性的給出了5種剩余量測量方法(加速度計(jì)法適用性較窄,不作分析)在航天器壽命期間的測量精度變化情況,圖中橫坐標(biāo)是航天器的工作壽命(全壽命周期為1),縱坐標(biāo)是剩余量測量誤差相對于貯箱容積的百分比.

表1 6種剩余推進(jìn)劑測量方法的應(yīng)用范圍統(tǒng)計(jì)表Tab.1 The app lication field of six rem aining p ropellant gauging m ethods

圖3 5種剩余量測量方法在航天器壽命期間的精度變化Fig.3 The precision in spacecraft lifetim e of five rem aining p ropellan t gauging m ethods

從上圖可以看出,根據(jù)航天器壽命的不同時期,選擇合適的剩余量測量方法,可以最大限度提高測量精度.下面針對3種典型的推進(jìn)劑測量方法組合給出采用雙組元推進(jìn)系統(tǒng)的航天器壽命期間的應(yīng)用策略:

a.氣體注入法+PVT法.在航天器工作壽命初期,首先使用氣體注入法測量出準(zhǔn)確的推進(jìn)劑剩余量初值；之后應(yīng)用PVT法進(jìn)行測量,由于初值比較準(zhǔn)確,PVT法的測量精度與氣體注入法相當(dāng)(比圖3中所示PVT法精度高)；對于并聯(lián)貯箱,在工作壽命期間利用貯箱隔離措施,可以用PVT法對每只貯箱進(jìn)行測量；到航天器工作壽命末期,再次使用氣體注入法進(jìn)行測量,結(jié)合PVT法的測量結(jié)果,確定航天器壽終時刻.這種組合既解決了氣體注入法測量次數(shù)的限制,又提高了PVT法的測量精度.

b.超聲波流量計(jì)法+PVT法.這種組合與“氣體注入法+PVT法”類似,主要目的是利用超聲波流量計(jì)確定出航天器壽命初期的推進(jìn)劑剩余量初值,可以有效提高PVT法的測量精度,之后應(yīng)用兩種測量方法共同確定航天器壽命不同時期的剩余推進(jìn)劑.

c.超聲波流量計(jì)法+熱容法.參考圖3的曲線,選擇航天器工作壽命不同階段測量精度最高的方法進(jìn)行測量.應(yīng)用該組合方案,同時保證了航天器壽命初期和末期的測量精度,而且對于并聯(lián)貯箱結(jié)構(gòu)的適用性良好.

3 結(jié) 論

剩余推進(jìn)劑測量方法在不同條件下的測量精度是不相同的,或者隨應(yīng)用的推進(jìn)系統(tǒng)配置而改變,或者隨航天器的工作時間而改變.而通過對剩余推進(jìn)劑測量方法的精度和適用性分析,合理選擇2項(xiàng)或多項(xiàng)測量方法,可以確保航天器工作壽命的特定時期的剩余推進(jìn)劑測量精度,或者最大限度提高整個工作壽命期間的剩余推進(jìn)劑測量精度.

［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

［2］ Chang Y K,Young M B,Chae Y S.Error analyses for spacecraft propellant gauging techniques［C］.The 30thAIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, Indianapolis,June 27-29,1994

［3］ Monti R.Assessment study of liquid content measure-mentmethods applicable to space mission［R］.ESA. Techno System Report TS-8-84,September 1984

［4］ Matthijssen R,Van P P.“State-of-the art”gauging components for improved propellant management on 3-axis stabilized spacecraft［C］.The 42ndAIAA/ASME/ SAE/ASEE Joint Propulsion Conference&Exhibit,California,2006

［5］ 丁鳳林,魏延明.超聲波流量計(jì)在航天器推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用分析［J］.空間控制技術(shù)與應(yīng)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

［6］ Oz I,Pelenc L,Yendler B.Thermal propellant gauging,SpaceBus 2000(Turksat1C)imp lementation［C］. AIAA SPACE 2008 Conference&Exposition,San Diego,California,9-11 September,2008

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 濤(1980-),男,工程師,研究方向?yàn)楹教炱魍七M(jìn)技術(shù)；梁軍強(qiáng)(1970-),男,研究員,研究方向?yàn)楹教炱魍七M(jìn)技術(shù)；魏延明(1965-),男,研究員,研究方向?yàn)楹教炱魍七M(jìn)技術(shù).

2011-05-28

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