CN106114909A - 一种卫星变轨推进剂消耗量计算方法 - Google Patents

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Abstract

一种卫星变轨推进剂消耗量计算方法，方法涉及的推进剂贮箱具有中间底结构，卫星在变轨末期推进剂流过贮箱中间底进入下舱。方法通过下列方式实现：(1)从卫星变轨飞行贮箱遥测压力变化判断氧燃推进剂流过下舱时刻，得到氧燃推进剂过贮箱中间底重要时间特征参数to和tf，其中to为氧化剂进入下舱时刻与变轨结束时刻的时间差，tf为燃烧剂进入下舱时刻与变轨结束时刻的时间差；(2)根据时间特征参数to和tf，计算变轨过程中贮箱下舱氧化剂和燃烧剂的消耗量；(3)根据贮箱下舱装填量和变轨时下舱推进剂消耗量计算出变轨后氧燃剩余推进剂量；(4)根据推进剂加注量及变轨后剩余量确认该卫星变轨过程推进剂消耗量。

Description

一种卫星变轨推进剂消耗量计算方法
技术领域
本发明涉及一种卫星变轨推进剂消耗量计算方法，用于国内典型的使用双组元化学推进系统进行变轨的高轨卫星变轨结束后计算推进剂的消耗量、剩余量及混合比，作为进一步计算推进系统工作性能的依据。
背景技术
目前典型的国内地球静止轨道卫星采用双组元推进系统，卫星发射后经过运载火箭主动段飞行送入转移轨道，之后使用星上变轨发动机进行从转移轨道到地球静止轨道的变轨，卫星定点后开通转发器，展开业务。卫星在轨服务寿命期间(一般15年)，推进系统通过姿轨推力器进行轨道维持和动量轮卸载。一般情况下卫星在转移轨道期间消耗约为携带总量80％的推进剂，包括氧化剂和燃烧剂，其中超99％以上的推进剂是通过变轨发动机消耗的，变轨后剩余的推进剂约为20％，用于变轨后定点捕获和全部寿命期间轨道维持和姿态控制。这20％推进剂通过姿轨控推力器消耗。按照推进系统最初设计，理想状况下卫星在变轨过程及后续轨道控制中氧燃推进剂应该等体积排放，氧燃推进剂消耗重量比值称为混合比，标称值为1.65。
卫星转移轨道变轨期间的推进剂消耗量及剩余量计算很重要，可以提供卫星开始在轨服务的推进剂剩余量初始参数，并确认变轨过程中氧燃推进剂消耗及剩余推进剂混合比，这些参数作为卫星全寿命期间推进剂消耗量计算和预测的重要依据。
卫星转移轨道变轨后一般用传统的PVT及记账法对卫星变轨推进剂消耗进行计算，确定每次变轨氧燃推进剂消耗量以及混合比。其中PVT法精度偏低，超过2％(计算偏差量与推进剂总量的质量百分比)，精度低原因主要是由于增压气体(一般为氦气)氧燃推进剂溶解特性导致其压力、温度、体积变化规律偏离理想气体所致。而记账法是通过发动机点火时间和流量来确定推进剂消耗量及混合比。在流量计算中通过小偏差方程修正由于贮箱系统压力及温度偏差对流量造成的影响，该方法能够给出发动机系统工作时相对于标称工况下流量的变化量，而发动机标称工况下的流量按照理论标称流量取值。但如果由于某种原因(例如单机调试偏差)导致变轨发动机在标称工况下流量偏离理论值，采用小偏差方程无法计算出实际流量及其与标称流量偏差，也就无法及时发现可能存在的变轨期间氧燃推进剂消耗量及混合比异常。
关于PVT和记账法可参考公开文献：“基于并联贮箱结构的卫星推进剂剩余量测量方法(魏延明等，空间控制技术及应用，2010年8月)”。
发明内容
本发明的技术解决问题是：避免传统PVT法和记账法存在的不足，给出一种新的卫星变轨推进剂消耗量计算方法。该方法(贮箱中间底法)适用于典型国内高轨静止轨道平台卫星，其推进剂贮箱具有中间底结构特征，一般在卫星变轨末期贮箱内推进剂流过中间底。
本发明的技术解决方案是：一种卫星变轨推进剂消耗量计算方法，方法涉及的推进剂贮箱具有中间底结构，卫星在变轨末期推进剂流过贮箱中间底进入下舱；该方法通过下列方式实现：
(1)从卫星变轨飞行贮箱遥测压力变化判断氧燃推进剂流过下舱时刻，得到氧燃推进剂过贮箱中间底重要时间特征参数to和tf，其中to为氧化剂进入下舱时刻与变轨结束时刻的时间差，tf为燃烧剂进入下舱时刻与变轨结束时刻的时间差；
(2)根据时间特征参数to和tf，计算变轨过程中贮箱下舱氧化剂和燃烧剂的消耗量；
(3)根据贮箱下舱装填量和变轨时下舱推进剂消耗量计算出变轨后氧燃剩余推进剂量；
(4)根据推进剂加注量及变轨后剩余量确认该卫星变轨过程推进剂消耗量。
步骤(2)中根据氧化剂和燃烧剂标称流量计算变轨过程中贮箱下舱氧化剂和燃烧剂的消耗量。
贮箱下舱装填量考虑贮箱在加压状态下的下舱容积，通过加压状态下的下舱容积乘以推进剂的密度得到。
所述的加压状态为1.5MPa。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)精度高，现有的PVT+记账法在轨使用精度超过2％，而中间底法在轨使用精度可达到0.2％以内；
(2)相对于记账法可以准确发现由于发动机调试偏差所导致的系统混合比偏差；
(3)对于目前国内典型地球静止轨道卫星进行转移轨道变轨，贮箱中间底法相对于之前的PVT和记账法未增加变轨时卫星遥测参量及采集精度、速度需求，现有的遥测采集精度及速度即可满足要求，当然如果遥测采集精度及速度(氧燃贮箱压力)进一步提高的话，会更加便于判断推进剂流过贮箱中间底时刻，中间底法使用将会更加便捷。
附图说明
图1为本发明流程图。
具体实施方式
贮箱中间底方法进行变轨后推进剂剩余量及消耗量评估步骤如下：
(1)从卫星变轨飞行贮箱遥测压力变化判断氧燃推进剂流过下舱时刻，得到氧燃推进剂过贮箱中间底重要时间特征参数to和tf，其中to为氧化剂进入下舱时刻与变轨结束时刻的时间差，该时间差对应氧化剂实际在下舱的变轨点火消耗时间，同理得到tf，为燃烧剂进入下舱时刻与变轨结束时刻的时间差，该时间差对应燃烧剂实际在下舱的变轨点火消耗时间；
(2)根据to和氧化剂标称流量算出变轨过程中下舱氧化剂的消耗量mo1，同样根据tf和燃烧剂标称流量算出变轨过程中下舱燃烧剂的消耗量mf1。在此计算过程中使用的是卫星变轨时氧化剂与燃烧剂标称流量，与变轨过程中实际流量偏差一般不超过2％，此外，典型卫星变轨时氧化剂与燃烧剂在贮箱下舱点火时间to和tf一般不长，不超过1000s，因此使用标称流量进行下舱推进剂消耗量计算较实际情况偏差不大，氧化剂不超过±2.1kg，燃烧剂不超过±1.24kg。此外进行计算时需考虑贮箱在加压状态(一般为1.5MPa左右)下的下舱容积；
(3)根据氧燃贮箱下舱装填量和变轨时下舱推进剂消耗量计算出变轨后氧燃剩余推进剂量；
(4)卫星加注时氧燃推进剂加注量减去变轨后推进剂的剩余量得到变轨过程中氧燃推进剂的消耗量(mo、mf)，从而计算出系统混合比γ＝mo/mf。
下面结合附图对本发明做进一步说明。用具体实例给出利用贮箱中间底法计算某卫星从转移轨道到地球静止轨道变轨推进剂消耗量、剩余量及混合比。
实施例1
1)确认卫星加注后重量参数特征：
某卫星加注后参数特征：起飞重量5220kg，推进剂加注量3130kg，其中氧化剂1949kg，燃烧剂1181kg。
2)确认推进剂过贮箱中间底时刻
卫星变轨飞行共进行了五次变轨，在第五次变轨中氧燃推进剂分别过各自贮箱中间底。氧箱压力在第五次点火结束前5分49秒出现0.009MPa跳变，说明氧化剂流过中间底，氧化剂流过中间底与变轨结束时间间隔to＝349s。燃烧剂贮箱压力在距第五次点火结束前5分26秒出现0.009MPa跳变，说明燃烧剂流过中间底，燃烧剂流过中间底与变轨结束时间间隔tf＝326s。
3)计算下舱推进剂消耗量
氧化剂和燃烧剂流量取变轨发动机标称流量，氧化剂：0.1021kg/s，燃烧剂：0.06185kg/s。氧燃流量乘以下舱点火时间to和tf，得到推进剂下舱消耗量：
氧化剂mo1＝0.1021*349＝35.6kg，
燃烧剂mf1＝0.06185*326＝20.2kg。
4)计算变轨后推进剂剩余量及混合比
贮箱结构固定，下舱满液时氧化剂质量按531.7kg计算，燃烧剂质量按321.3kg计算，这样可以确认变轨后推进剂剩余量：
氧化剂mo2＝531.7-35.6＝496.1kg，
燃烧剂mf2＝321.3-20.2＝301.1kg，
剩余推进剂混合比γ2＝496.1/301.1＝1.648。
上述计算需考虑贮箱在加压状态(一般为1.5MPa左右)下的下舱容积，例如下舱满液时氧化剂质量为加压状态下的下舱容积乘以氧化剂的密度。
5)计算变轨推进剂消耗量及混合比
根据推进剂加注量及变轨后剩余量确认该卫星变轨过程推进剂消耗量：
氧化剂mo＝1949-496.1＝1452.9kg，
燃烧剂剂mf＝1181-301.1＝879.9kg，
变轨消耗推进剂混合比γ＝1452.9/879.9＝1.651。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.一种卫星变轨推进剂消耗量计算方法，方法涉及的推进剂贮箱具有中间底结构，卫星在变轨末期推进剂流过贮箱中间底进入下舱；其特征在于该方法通过下列方式实现：
(1)从卫星变轨飞行贮箱遥测压力变化判断氧燃推进剂流过下舱时刻，得到氧燃推进剂过贮箱中间底重要时间特征参数to和tf，其中to为氧化剂进入下舱时刻与变轨结束时刻的时间差，tf为燃烧剂进入下舱时刻与变轨结束时刻的时间差；
(2)根据时间特征参数to和tf，计算变轨过程中贮箱下舱氧化剂和燃烧剂的消耗量；
(3)根据贮箱下舱装填量和变轨时下舱推进剂消耗量计算出变轨后氧燃剩余推进剂量；
(4)根据推进剂加注量及变轨后剩余量确认该卫星变轨过程推进剂消耗量。
2.根据权利要求1所述的一种卫星变轨推进剂消耗量计算方法，其特征在于：步骤(2)中根据氧化剂和燃烧剂标称流量计算变轨过程中贮箱下舱氧化剂和燃烧剂的消耗量。
3.根据权利要求1所述的一种卫星变轨推进剂消耗量计算方法，其特征在于：贮箱下舱装填量考虑贮箱在加压状态下的下舱容积，通过加压状态下的下舱容积乘以推进剂的密度得到。
4.根据权利要求3所述的一种卫星变轨推进剂消耗量计算方法，其特征在于：所述的加压状态为1.5MPa。
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