載人飛船推進(jìn)劑剩余量在軌直接測(cè)量技術(shù)

劉建盈，宣曉萍，湯建華

(上?？臻g推進(jìn)研究所，上海201108)

1 引言

載人飛船推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)劑剩余量在軌準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)于交會(huì)對(duì)接任務(wù)的完成和航天員的安全返回具有重要意義，是推進(jìn)系統(tǒng)在軌維護(hù)和載人飛船飛控決策的重要依據(jù)。

載人飛船使用球形金屬膜片貯箱貯存和供應(yīng)推進(jìn)劑。貯箱增壓后金屬膜片與推進(jìn)劑液面完全貼合，其變形過程連續(xù)、型面相對(duì)穩(wěn)定，膜片位置可測(cè)量，但工作過程球形貯箱液腔容積呈非線性變化，實(shí)現(xiàn)剩余量精確測(cè)量難度大［1］。根據(jù)交會(huì)對(duì)接任務(wù)對(duì)推進(jìn)劑在軌準(zhǔn)確評(píng)估的要求，剩余量測(cè)量即要實(shí)時(shí)、直觀、準(zhǔn)確反映推進(jìn)劑消耗總量，又要同時(shí)反映單個(gè)貯箱消耗情況，獲得各貯箱、各推進(jìn)劑組元之間的不平衡消耗情況。針對(duì)上述特點(diǎn)和要求，本文通過邊界元仿真分析技術(shù)研究了膜片變形的規(guī)律及其與剩余量的關(guān)系，采用測(cè)量膜片頂點(diǎn)位移并轉(zhuǎn)換成剩余量的測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)劑剩余量在軌高精度直接測(cè)量。

2 測(cè)量系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

目前常用的剩余量測(cè)量方法包括記賬簿法、PVT法、傳感器直接測(cè)量法等［2］。能夠滿足本項(xiàng)目需求的為直接測(cè)量法，項(xiàng)目組首先研究了該方法的測(cè)量原理，為測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。

2.1 測(cè)量系統(tǒng)原理［3］

根據(jù)金屬膜片貯箱工作特性，采用測(cè)量膜片頂點(diǎn)位移并轉(zhuǎn)換成剩余量的測(cè)量方法其原理為:

1)利用位移傳感器測(cè)量金屬膜片位移量;

2)通過膜片位移與液腔容積關(guān)系式計(jì)算出剩余量。

根據(jù)理論模型得到的推進(jìn)劑剩余量計(jì)算公式［4］如式(1)(2)所示。

其中L—位移傳感器拉線長(zhǎng)度，mm;

R－位移傳感器輸出電阻，Ω;

H－推進(jìn)劑剩余量，L。

2.2 影響測(cè)量精度的因素

本測(cè)量方法的確立涉及的環(huán)節(jié)包括數(shù)學(xué)模型的建立，測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在軌遙測(cè)采集分析等環(huán)節(jié)，測(cè)量精度受以下因素影響:

1)計(jì)算公式的影響。金屬膜片貯箱內(nèi)金屬膜片理論上沿膜片根部逐漸往下變形，液腔容積的變化為非線性、無特定規(guī)律的。由于同一圓周上膜片厚度、硬度存在的差異，膜片變形過程中可能存在偏離幾何軸線的情況。

2)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的影響。測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括測(cè)量裝置的布局、位移傳感器安裝形式、參數(shù)初值選取等，對(duì)剩余量零位顯示值及測(cè)量全程誤差水平有重要影響。

3)測(cè)量設(shè)備性能和精度的影響。傳感器和采集電路精度雖然誤差較小，但對(duì)于總體測(cè)量精度的影響需要分析并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 關(guān)鍵技術(shù)及研究情況

在該測(cè)量系統(tǒng)中，需要得到貯箱工作過程剩余量變化函數(shù)，設(shè)計(jì)位移測(cè)量測(cè)量裝置，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證等，為確定在軌測(cè)量精度和裝訂參數(shù)提供依據(jù)。

3.1 金屬膜片工作過程仿真［1］

金屬膜片貯箱工作過程中膜片理論變形過程見圖1［2］。

根據(jù)理論變形過程采用邊界元分析技術(shù)，以膜片頂點(diǎn)位移來表征膜片變形情況，當(dāng)膜片頂點(diǎn)位移量為L(zhǎng)時(shí)，利用仿真技術(shù)計(jì)算對(duì)應(yīng)的貯箱液腔容積。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)膜片頂點(diǎn)位移等距離變化時(shí)，貯箱液腔容積(即剩余量)呈非線性變化，詳見圖2膜片頂點(diǎn)位移與剩余量理論關(guān)系曲線。

圖1 金屬膜片貯箱膜片變形過程示意圖Fig.1 The metal diaphragm reversing process of the metal diaphragm

圖2 金屬膜片貯箱理論剩余量變化曲線Fig.2 The theoretical curve of the propellant remaining in the metal diaphragm tank

3.2 內(nèi)置式、小型化位移測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

金屬膜片貯箱通過金屬膜片隔離氣液腔，要實(shí)現(xiàn)金屬膜片的位移測(cè)量必須能夠?qū)y(cè)量裝置安裝在貯箱氣腔內(nèi)，而貯箱氣腔容積較小，在不能改變貯箱結(jié)構(gòu)的情況下，必須研制內(nèi)置式、小型化位移測(cè)量系統(tǒng)。該裝置采用拉線式位移傳感器直接測(cè)量的方案，即位移傳感器一端固定在貯箱殼體內(nèi)頂端位置，引出線與金屬膜片頂端連接固定。當(dāng)膜片產(chǎn)生位移時(shí)，傳感器引出線被拉長(zhǎng)，輸出電壓、電阻特定發(fā)生變化，通過采集到的電壓、電阻變化量計(jì)算得到膜片位移量，實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量。

為了實(shí)現(xiàn)小型化、高精度的研制目的，采取了以下措施:

1)采用卷軸式結(jié)構(gòu)，拉線初始狀態(tài)纏繞與卷軸上，電位計(jì)與卷軸同軸設(shè)計(jì)，減小了設(shè)計(jì)尺寸。

2)選用高精度元件，減小初始段非線性誤差和重復(fù)性誤差。

3)通過試驗(yàn)得到了輸出電壓與拉線長(zhǎng)度的線性關(guān)系式如式(3)所示。

式中L為拉線長(zhǎng)度，R0為總阻值，R1為零位阻值，U為實(shí)時(shí)遙測(cè)采集電壓，E0為傳感器供電二次電源電壓，K為系數(shù)。

3.3 獲取計(jì)算公式及相關(guān)參數(shù)的試驗(yàn)研究

本技術(shù)方案通過地面模擬排放試驗(yàn)獲取計(jì)算公式和相關(guān)參數(shù)。試驗(yàn)共使用四只金屬膜片貯箱和2只位移傳感器進(jìn)行排放試驗(yàn)，試驗(yàn)系統(tǒng)原理見圖3，位移傳感器安裝于貯箱頂端端蓋，傳感器下拉線與金屬膜片頂端的吊鉤固定。貯箱加注模擬工質(zhì)，然后進(jìn)行排放試驗(yàn)。試驗(yàn)中，同時(shí)測(cè)量位移傳感器的輸出阻值和模擬工質(zhì)的剩余量。

圖3 金屬膜片貯箱剩余量擬合試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖Fig.3 The system diagram of the fitted test for propellant remaining in themetaldiaphragm tank

根據(jù)四個(gè)貯箱第一次排放的數(shù)據(jù)，可擬合出拉線長(zhǎng)度變化量與剩余量的關(guān)系。以拉線長(zhǎng)度變化量為變量，用Origin軟件按一元三次多項(xiàng)式擬合進(jìn)行了計(jì)算，這種擬合方法的相關(guān)系數(shù)(RSquare)達(dá)到 0.99912［4］。擬合曲線見圖4。

圖4 貯箱第一次排放剩余量數(shù)據(jù)及擬合曲線Fig.4 The fitted curve of the propellant remaining in the metal diaphragm tank according to the test data

多項(xiàng)式擬合公式為:

式中 A、B1、B2、B3為修正系數(shù)。

3.4 測(cè)量系統(tǒng)誤差分析

將試驗(yàn)曲線與理論曲線進(jìn)行了比對(duì)，當(dāng)膜片位置相同時(shí)，理論計(jì)算的剩余量與實(shí)際測(cè)量值偏差不超過3.5%，證明排放試驗(yàn)數(shù)據(jù)可信。

對(duì)排放試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照上述方法進(jìn)行處理，得到|±3σ|max=11.34 kg(可信度 99.73%)，對(duì)應(yīng)的測(cè)量精度為4.5%(與實(shí)際稱重結(jié)果比對(duì))。

4 載人飛船應(yīng)用情況

載人飛船推進(jìn)艙推進(jìn)劑剩余量測(cè)量方法確定后，通過三次交會(huì)對(duì)接任務(wù)進(jìn)行了驗(yàn)證，在軌測(cè)量精度均滿足技術(shù)指標(biāo)要求，詳見表1。

在軌飛行過程中以記賬簿法和PVT法綜合評(píng)定結(jié)果作為推進(jìn)劑剩余量理論參考值(該方法經(jīng)過地面系統(tǒng)試車驗(yàn)證，誤差小于1%)。

表1 在軌飛行試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果Table 1 The flight verification test results

5 結(jié)論

本文確定了適合交會(huì)對(duì)接任務(wù)載人飛船推進(jìn)艙推進(jìn)劑剩余量測(cè)量方法，并在載人飛船飛行試驗(yàn)中得到應(yīng)用，取得了如下成果:

1)獲得了金屬膜片非線性變形與剩余量變化的規(guī)律，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了變形規(guī)律的準(zhǔn)確性;

2)研制了內(nèi)置式、小型化、高精度的位移測(cè)量系統(tǒng)，能適應(yīng)貯箱狹小氣腔空間安裝要求;

3)在國(guó)內(nèi)飛行器中首次實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)劑剩余量的在軌直接測(cè)量，直接、實(shí)時(shí)獲得了各貯箱推進(jìn)劑剩余量信息，提高了載人飛行的可靠性。

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