CN107529390B - 贮箱推进剂空间分布的预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种贮箱推进剂空间分布的预测方法。该方法通过采用前处理软件对具有管理装置的贮箱进行建模而获得贮箱模型，设置该贮箱模型的边界条件和计算初始条件，该边界条件为固壁边界条件，液体与固壁的接触角是0～10度，微重力条件为10-2～10-4g；采用界面追踪数值方法对设置有所述边界条件和计算初始条件的贮箱模型进行求解而获得精确的气液界面，将气液界面与在轨飞行试验获得的试验数据进行比对而修正所述模型直至经过所述模型计算出的气液界面与在轨飞行时间获得试验数据一致，从而，进一步获得精确的贮箱模型，由此，以该贮箱模型为基础而获得的热响应曲线也精确，所以，通过该热响应曲线推算出的推进剂剩余量也精确。
Description
技术领域
本发明涉及贮箱推进剂空间分布的预测方法。
背景技术
作为卫星姿态和轨道控制的主要执行系统，推进分系统为卫星提供转移轨道远地点机动、姿态控制、姿态调整、同步定点、位置保持、轨道控制和卫星离轨所需的动力。为了保证能够正常的执行上述任务，保证满足卫星寿命要求，需要精确的了解星上推进剂剩余量，为开展姿态和轨道控制提供依据。
传统的卫星推进剂剩余量测量方法是BK法和PVT方法。BK方法通过累计发动机点火时间来估算推进剂的消耗量，但是BK法计算的整个系统总的消耗量，无法估算单个贮箱内的推进剂消耗量，至关重要的是在落压模式下推力器内推进剂的流量随着贮箱内压力变化而改变，所以测量的精度随着工作时间增加而降低。PVT方法是一种非常好的测量方法，只要测量设备的精度足够好，就可以通过氦气的质量守恒精确计算推进剂的剩余量(不考虑系统泄漏)，但是对于多贮箱并联布局模式而言，在工作过程中无法保证每个贮箱内的氦气质量守恒(增压气体的分配不均匀)，因此无法精确测量单个贮箱内的推进剂消耗量。
发明内容
本发明解决的问题是采用BK法和PVT法获得推进剂余量的精度低的问题。
为解决上述问题，本发明提供一种贮箱推进剂空间分布的预测方法，该方法包括如下步骤：使用前处理软件对具有管理装置的贮箱进行建模而获得贮箱模型，设置该贮箱模型的边界条件和计算初始条件，其中，所述边界条件为固壁边界条件，液体与固壁的接触角是0～10度，微重力条件为10-2～10-4g，微重力的方向沿贮箱的轴向；采用界面追踪数值方法对设置有所述边界条件和计算初始条件的贮箱模型进行求解而获得气液界面；将气液界面与在轨飞行试验获得的试验数据进行比对而修正所述模型直至经过所述模型计算出的气液界面与在轨飞行时间获得试验数据一致。
在一种具体方案中，所述液体与固壁的接触角是10度。
在一种具体方案中，所述微重力条件为10-4g。
在一种具体方案中，所述计算初始条件的推进剂沉底状态。
在一种具体方案中，所述界面跟踪数值方法为VOF方法。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明通过采用前处理软件对具有管理装置的贮箱进行建模而获得贮箱模型，采用界面追踪数值方法对设置有所述边界条件和计算初始条件的贮箱模型进行求解而可以获得精确的气液界面，将气液界面与在轨飞行试验获得的试验数据进行比对而修正所述模型直至经过所述模型计算出的气液界面与在轨飞行时间获得试验数据一致，从而，获得精确的贮箱模型，由此，以该贮箱模型为基础而获得的热响应曲线也精确，所以，通过该热响应曲线推算出的推进剂剩余量也精确。
附图说明
图1是本发明贮箱推进剂空间分布的预测方法的流程图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。
请参阅图1，本发明贮箱推进剂空间分布的预测方法包括如下步骤：
S1、使用前处理软件对具有管理装置的贮箱进行建模而获得贮箱模型，设置该贮箱模型的边界条件和计算初始条件，其中，所述边界条件为固壁边界条件，液体与固壁的接触角是0～10度，微重力条件为10-2～10-4g，微重力的方向沿着贮箱的轴向；在该步骤中，前处理软件可以采用能够精确建模且对建成的贮箱模型进行网格划分的软件。所述计算初始条件为推进剂沉底状态，这样，使得计算方便。当然，计算初值条件也可以是推进剂处于其他状态，但是，在其他状态时，需要转化为沉底状态，在其他状态时，计算复杂。所述液体与固壁的接触角可以是0度、1度、3度、5度、6度、8度、8.5度、9.5度或10度等等，在本实施方式中，接触角是10度，在10度时，贮箱内的推进剂与贮箱壁面的浸润特性很好。所述微重力条件可以是10-2、10-3或10-4g，在本实施方式中，选择10-4g。在液体与固壁的接触角是0～10度和微重力条件为10-2～10-4g以及微重力方向沿贮箱的轴向的情况下，得到的气液界面很精确。将贮箱模型的管路装置的细节部分如筛板和通道等需要精细的网格划分，网格体密度越小，会使得后续计算的精度越高。
S2、采用界面追踪数值方法对设置有所述边界条件和计算初始条件的贮箱模型进行求解而获得气液界面；在该步骤中，界面追踪数值方法采用VOF方法(Volume Of Fraction)。该方法采用步骤S1所述的边界条件和计算初始条件能使得气液界面的计算精度高。
S3、将气液界面与在轨飞行试验获得的试验数据进行比对而修正所述模型直至经过所述模型计算出的气液界面与在轨飞行试验获得试验数据一致。在该步骤中，所述飞行试验获得试验数据可以是主要依靠地面落塔和失重飞机研究微重力条件下的液体运动特性而取得了大量的试验数据或者进行了多次空间微重力液体流动特性和分布的空间搭载试验而获得的试验数据。因为试验数据包括各种情况，所以，在气液界面的结果与试验数据有偏差时，通过该试验数据修正所述模型，这样，得到精确的模型，进而，气液界面的结果也精确。
通过上述方法可以获得精确的贮箱模型，以该贮箱模型为基准制造出贮箱，通过充注排放装置向贮箱内注入推进剂，并通过温度控制装置控制加热位于贮箱内的加热器以及通过测温元件测得贮箱壁面温度，再处理这些数据而获得贮箱的热响应曲线，该热响应曲线是对贮箱壁面施加热流后得到的壁面温度变化曲线。各种推进剂剩余量条件下热响应曲线构成热响应曲线数据库。利用热响应曲线即可推算出贮箱内推进剂的剩余量。
综上所述，本发明通过采用前处理软件对具有管理装置的贮箱进行建模而获得贮箱模型；采用界面追踪数值方法对设置有边界条件和计算初始条件的贮箱模型进行求解而可以获得精确的气液界面；将气液界面与在轨飞行试验获得的试验数据进行比对而修正所述模型直至经过所述模型计算出的气液界面与在轨飞行时间获得试验数据一致，从而，获得精确的贮箱模型，由此，以该贮箱模型为基础而获得的热响应曲线也精确，所以，通过该热响应曲线推算出的推进剂剩余量也精确。
Claims (5)
1.贮箱推进剂空间分布的预测方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
使用前处理软件对具有管理装置的贮箱进行建模而得到贮箱模型，设置该贮箱模型的边界条件和计算初始条件，其中，所述边界条件为固壁边界条件，液体与固壁的接触角是0～10度，微重力条件为10-2～10-4g，微重力的方向沿贮箱的轴向；
采用界面追踪数值方法对设置有所述边界条件和计算初始条件的贮箱模型进行求解而获得气液界面；
将气液界面与在轨飞行试验获得的试验数据进行比对而修正所述模型直至经过所述模型计算出的气液界面与在轨飞行时间获得试验数据一致。
2.如权利要求1所述的贮箱推进剂空间分布的预测方法，其特征在于：所述液体与固壁的接触角是10度。
3.如权利要求1或2所述的贮箱推进剂空间分布的预测方法，其特征在于：所述微重力条件为10-4g。
4.如权利要求1所述的贮箱推进剂空间分布的预测方法，其特征在于：所述计算初始条件为推进剂沉底状态。
5.如权利要求1所述的贮箱推进剂空间分布的预测方法，其特征在于：所述界面跟踪数值方法为VOF方法。
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| CN106528928A (zh) * | 2016-10-01 | 2017-03-22 | 北京宇航系统工程研究所 | 一种波浪分布放射式的贮箱短壳 |
| CN112265658A (zh) * | 2020-10-22 | 2021-01-26 | 北京卫星环境工程研究所 | 航天器在轨燃料储箱泄漏及剩余量检测模拟试验系统 |
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