熱容法測量推進劑剩余量的地面試驗*

郭 蕾，李 永，焦 焱，唐 飛，宋 濤

0 引 言

隨著航天器技術的發(fā)展和應用前景的日益廣泛，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已經成為迫切需要解決的問題[1].制約衛(wèi)星壽命的主要因素是推進劑的攜帶量，精確測定航天器推進劑剩余量是航天器在軌管理的關鍵技術之一.

自20世紀60年代，以美國為代表的航天技術發(fā)達國家開始研究衛(wèi)星推進劑剩余量的測量方法，提出并發(fā)展了簿記(BK)法[2-3]、氣體定律法(PVT)[4]、氣體注入法、放射性探測法、超聲波探測法、電磁探測法、流體動力學法等.其中，簿記法、氣體定律法和氣體注入法是3種常用的測量方法[5].有關分析表明[6]，簿記法后期因累計誤差隨時間增大導致測量精度降低；PVT法由于氦氣壓力隨壓力降低對體積變化的不敏感導致后期準確性降低，因此局限較大[7]；氣體注入法雖然精度較高，但該方法的裝置比較復雜.我國目前在軌衛(wèi)星使用PVT法和簿記法估算剩余推進劑，這2種方法精度較差，誤差通常為1%～2%，對于衛(wèi)星壽命預測誤差為6～12個月，無法滿足國際商業(yè)衛(wèi)星通常的3個月以內的指標要求.

熱容法是近期提出的新的推進劑剩余量測量方法.與其他測量方法相比，熱容法在衛(wèi)星壽命末期測量精度比較高[8]，另外，熱容法還具有硬件配置簡單、占有星上資源少等優(yōu)點，而且不受衛(wèi)星入軌初始條件的限制，可對并聯(lián)貯箱結構中任一貯箱的推進劑剩余量進行測量[9].本文對具體貯箱進行了基于熱容法的推進劑剩余量精確測量方法的地面試驗研究，對不同試液裝填量在不同加熱工況下，在不同測溫點的熱響應數(shù)據(jù)進行了采集，并對試驗數(shù)據(jù)進行分析.

1 熱容法的基本原理

熱容法(thermal propellant gauging system,PGS)是熱量激勵技術的一種.用加熱器對貯箱壁面加熱，利用對貯箱進行特定功率加熱過程中的溫度變化數(shù)據(jù)計算貯箱和推進劑的熱容，對比在軌實際測量結果與不同推進劑剩余量下的模型計算結果，從而估算出貯箱內的推進劑剩余量.

貯箱內的溫度變化遵循能量守恒公式

(1)

(2)

(3)

由于在軌貯箱的溫度場分布不均勻，無法直接獲得貯箱加熱過程中的真實溫度變化情況，因此熱容法是通過逆向仿真計算來估算剩余推進劑的，熱容法測量推進劑剩余量的步驟如下：

(1)建立整星條件下推進劑貯箱的詳細熱分析模型；

(2)計算不同剩余量下貯箱加熱過程中的溫度變化數(shù)據(jù)；

(3)在軌實施對貯箱加熱動作，測量實際溫度變化數(shù)據(jù)；

(4)比對在軌實測溫度數(shù)據(jù)與熱分析計算數(shù)據(jù)，得到推進劑剩余量并進行誤差分析.

由上述步驟可知，熱容法測量推進劑剩余量的關鍵是建立整星條件下推進劑貯箱的詳細熱分析模型及測量不同推進劑剩余量下的實際溫度變化規(guī)律.雖然地面無法完全模擬在軌微重力的條件，但地面和在軌的熱傳導的基本原理和規(guī)律是一致的，因此可以通過一些假設，利用地面試驗驗證熱容法溫度變化的基本規(guī)律，并且地面試驗的熱控實施效果及有效輻射率與在軌狀態(tài)是等效的，因此地面試驗能夠為熱容法的實際在軌應用提供參考依據(jù).

2 地面試驗

2.1 試驗目的

為了驗證熱容法的可行性，考察熱容法地面試驗精度，并對星上熱容法方案給出實施依據(jù)，包括加熱功率以及熱敏電阻的精度和位置，對1407L貯箱進行了地面試驗.研究相同加熱條件下，不同推進劑剩余量下的溫度變化規(guī)律；分別使用不同加熱功率進行加熱，考察不同功率下的溫度變化情況.

2.2 試驗工況

實際在軌衛(wèi)星的推進劑介質為甲基肼，這種介質具有毒性和腐蝕性.經理論分析及實驗模擬，無水乙醇的比熱與甲基肼的比熱相近，可以達到相同的試驗效果，因此，考慮試驗的安全性，試驗使用無水乙醇代替甲基肼作為推進劑介質.

地面試驗分為6個工況，具體工況設置如表1所示.在不同推進劑裝填量下，分別采用不同的加熱條件進行熱容法試驗，測定不同測溫點的溫度變化情況，從而得出不同試液裝填量之間的溫度分辨率.

表1 工況設置表Tab.1 The operation conditions

2.3 試驗系統(tǒng)

試驗前需要對貯箱進行熱控實施工作.熱控實施工作包括加熱片、熱敏電阻的粘貼，以及多層隔熱材料的包覆工作.按照貯箱星上的安裝方式，對支架和接觸面采取隔熱包覆措施，減小支架支撐腿與真空罐接觸產生的外部漏熱，貯箱外部整體完全包覆多層隔熱組件.

地面試驗配備相應的數(shù)據(jù)實時采集和監(jiān)控系統(tǒng).采集精度達到0.001 ℃，優(yōu)于測量精度.同時編寫溫度判讀及自動控溫軟件，并制作數(shù)據(jù)顯示界面.

熱容法試驗系統(tǒng)包括完成熱控實施的貯箱試驗系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、測控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)實時顯示與程控系統(tǒng)，以及模擬液及氦氣加排系統(tǒng)，如圖1所示.

圖1 熱容法系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 The system composition of PGS

2.4 加熱片和熱敏電阻配置

根據(jù)貯箱內推進劑液面分布的特點，進行加熱器和測溫點的布置.加熱器設置在貯箱中段和下艙位置.試驗用加熱器共3類，有14路電加熱器(含備份加熱器).其中，熱容法新布置的加熱片有兩類共12路(含備份加熱器)，主份回路第1類共4路，分布在4個粘貼區(qū)域，其中兩個粘貼區(qū)域位于貯箱中段的柱面部分，另兩個在沿貯箱的半球球面上，每路功率30 W，每個加熱片是一個回路；第2類共2路，分布在兩個粘貼區(qū)域，位于貯箱下半球的底部，每路15 W，每個加熱片是一個回路，備份回路與主份回路配置相同.加熱片粘貼區(qū)域如圖2～3所示.

圖2 加熱片和熱敏電阻位置示意圖Fig.2 The positions of heater and thermistor

圖3 加熱片和熱敏電阻位置底部示意圖Fig.3 The positions of heater and thermistor at the bottom of the view

為了全面準確的反映整個貯箱系統(tǒng)的溫度變化趨勢，熱敏電阻布置在相對于推進劑液面的不同位置上.貯箱上共設置20只熱敏電阻用于熱容法溫度測量，從不同角度沿貯箱弧長和柱面母線安裝兩列，安裝位置如圖3、圖4所示.該類熱敏電阻為高精度熱敏電阻MF61，熱敏電阻的性能如表2所示.

表2 熱敏電阻的性能Tab.2 the parameters of thermistors

2.5 試驗條件

熱容法地面試驗在真空罐內進行，環(huán)境初始溫度為室溫.工作介質為氦氣，貯箱內工作壓力為1.2 MPa(絕壓).在考慮測溫誤差，功率調節(jié)誤差，熱敏電阻焊接、測溫系統(tǒng)連線節(jié)點引起的誤差，以及漏熱誤差等誤差因素的情況下，要求總測溫系統(tǒng)精度應該能達到優(yōu)于0.1.貯箱在裝液30 L、20 L、10 L工況試驗之前各進行一次檢漏工作，保證外漏率滿足≤1×10-2Pa·L/s.地面試驗關閉真空罐前的熱容法試驗狀態(tài)如圖4所示.

圖4 地面試驗關閉真空罐前的熱容法試驗狀態(tài)Fig.4 The condition of experiment before closing the vacuum tank

2.6 結果分析

熱容法是通過測量不同剩余量下的貯箱溫度變化來估算貯箱內的推進劑剩余量的，定義不同推進劑剩余量之間溫度的差異為溫度分辨率，不同推進劑剩余量之間溫度分辨率越大，測量的精度越高.對所有6種試驗工況收集數(shù)據(jù)并繪制曲線圖，通過分析同一測溫點在不同液體裝填量下的溫度分辨率來驗證熱容法測量的精度.

通過曲線圖發(fā)現(xiàn)，在20個熱敏電阻中，編號為TR1、TR2和TR3的熱敏電阻的溫度分辨率較大.其中， TR1在3種液體量下均在液面以下； TR2當10 L 液體填充時在液面上，20 L和30 L液體填充時在液面下，因此僅有20 L和30 L的曲線有可比性； TR3當10 L和20 L液體填充時在液面上，30 L液體填充時在液面下，因此僅有10 L和20 L的曲線有可比性.圖5～6是加熱功率分別為30 W和60 W 時熱敏電阻在不同液體填充狀態(tài)下的溫度變化曲線.

圖5 30 W加熱功率不同液體填充狀態(tài)下熱敏電阻的溫度曲線Fig.5 The temperature of thermistor with different filling quantity of liquid under 30 W heating power

由圖5可知，加熱功率為30 W時，TR1在10 L與20 L液體填充狀態(tài)下溫度最大分辨率為2.2 ℃，20 L 與30 L液體填充狀態(tài)下溫度最大分辨率為1.87 ℃；TR2在20 L與30 L液體填充狀態(tài)下溫度最大分辨率為2.05 ℃；TR3在10 L與20 L液體填充狀態(tài)下溫度最大分辨率為1.33 ℃.

圖6. 60 W加熱功率不同液體填充狀態(tài)下熱敏電阻的溫度曲線Fig.6 The temperature of thermistor with different filling quantity of liquid under 60 W heating power

由圖6可知，加熱功率為60 W時，TR1在10 L與20 L液體填充狀態(tài)下溫度最大分辨率為4.8 ℃，20 L與30 L液體填充狀態(tài)下溫度最大分辨率為2.44 ℃；TR2在20 L與30 L液體填充狀態(tài)下溫度最大分辨率為3℃；TR3在10 L與20 L液體填充狀態(tài)下溫度最大分辨率為3.16 ℃.

分析熱敏電阻的溫度變化可以得出結論，在加熱功率分別為30 W和60 W時，熱敏電阻在不同液體填充狀態(tài)下的溫度分辨率較大，熱容法實施效果好.并且熱敏電阻越靠近液體分布處，溫度分辨率越大，熱容法的測量精度越高.相同的加熱功率下，推進劑剩余量越小，溫度分辨率越大，即熱容法在衛(wèi)星壽命末期的測量精度比較高；不同的加熱功率下，加熱功率為30 W時，由于加熱功率過小，溫度分辨率不如加熱功率為60 W時好.

假定地球同步商業(yè)通信衛(wèi)星的單個貯箱一年的推進劑消耗量為22 L，根據(jù)地面試驗結果可以推算出，熱容法的測量精度為3個月.而PVT法和BK法的衛(wèi)星壽命預測誤差為6～12個月，因此，熱容法的測量精度更高.

經過地面試驗及分析可知，實際對大型貯箱在軌應用熱容法時，加熱功率設置為60 W為宜，用于測溫的熱敏電阻的精度為0.1 ℃比較合適，測溫點應布置在液體分布處或靠近液體分布處，熱容法的測量精度較高.

3 結 論

推進劑剩余量測量是衛(wèi)星在軌管理的重要工作，對在軌衛(wèi)星的液體推進劑進行準確可靠檢測，不僅是航天技術發(fā)展的必然要求，更是確保衛(wèi)星有效使用和航天任務全面完成的重要條件.本文對1 407 L大型貯箱進行了基于熱容法的推進劑剩余量精確測量方法的地面試驗，包括熱容法試驗方案的設計、熱容法地面試驗系統(tǒng)的搭建，以及熱容法地面試驗驗證.經過地面試驗及數(shù)據(jù)分析可知，熱容法的測量精度為3個月，明顯優(yōu)于PVT法和BK法，滿足目前地球同步商業(yè)通信衛(wèi)星的應用要求，并基于試驗結論給出了熱容法的實施建議.相對于其他測量方法，熱容法在衛(wèi)星壽命末期測量精度高，實施效果好，可以推廣應用于空間推進系統(tǒng)在軌推進劑的剩余量計算，進一步提高我國的空間推進技術水平.

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