CN107776916A - 一种基于无气体旁路推进系统的调节平衡排放的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无气体旁路推进系统的调节平衡排放的方法。该方法包括：在卫星变轨结束时刻，对于无气体旁路双组元推进系统中并联设置且内装有同种推进剂的两只贮箱MON‑A和MON‑B，关闭自锁阀LV1、LV2和LV3，打开自锁阀LV4，分别获取所述两只贮箱的贮箱压力、以及剩余推进剂的质量和密度；计算剩余推进剂多的贮箱MON‑B的目标调节压力点；打开MON‑B对应的自锁阀LV3，将贮箱MON‑B增压至目标调节压力点，然后关闭自锁阀LV3；打开自锁阀LV2，利用压力差平衡两贮箱的推进剂。本发明实现了对无气体旁路的双组元推进系统进行并联贮箱平衡排放的调节的目的。
Description
技术领域
本发明涉及航天器双组元推进系统技术，尤其涉及一种基于无气体旁路推进系统的调节平衡排放的方法。
背景技术
卫星双组元推进系统使用MON-1(氧化剂)和MMH(燃烧剂)两种推进剂作为工质，桁架式卫星的双组元推进系统需要至少4只推进剂贮箱，2只贮箱装MON-1，2只贮箱装MMH，这4只贮箱在卫星内对称布局，同种推进剂并联使用，保证推进剂的质心处于卫星的中轴线上。当并联贮箱的平衡排放发生偏差时，贮箱内剩余推进剂的偏差会逐渐增大，影响卫星质心，使得变轨过程中的干扰力矩增大，此时需要通过调节手段将并联贮箱调节平衡。
通常进行并联贮箱平衡排放调节的方法是通过气体旁路对并联贮箱的压力进行分别调整，然后将贮箱的推进剂出口处联通，通过压力将推进剂从剩余量较多的贮箱压送到剩余量较少的贮箱中。上述这种并联贮箱平衡排放调节方法需基于设置有气体旁路的双组元推进系统。然而，设置有气体旁路的双组元推进系统存在系统复杂度高、系统重量大、以及硬件成本高等诸多问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：相比于现有技术，提供了一种基于无气体旁路推进系统的调节平衡排放的方法，实现了对无气体旁路的双组元推进系统进行并联贮箱平衡排放的调节的目的。
本发明的上述目的通过以下技术方案予以实现：
本发明提供了一种基于无气体旁路推进系统的调节平衡排放的方法，包括如下步骤：
步骤一、在卫星变轨结束时刻，对于无气体旁路双组元推进系统中并联设置且内装有同种推进剂的两只贮箱MON-A和MON-B，关闭MON-A的上游气口自锁阀LV1和MON-B的上游气口自锁阀LV3，关闭MON-A的下游气口自锁阀LV2，打开MON-B的下游气口自锁阀LV4；获取所述MON-A的贮箱压力PA，以及所述MON-A中剩余推进剂的质量mA和密度ρ；获取所述MON-B的贮箱压力PB，以及所述MON-B中剩余推进剂的质量mB和密度ρ；
步骤二、利用所述贮箱压力PA、质量mA、贮箱压力PB、质量mB和密度ρ，并根据所述MON-A的贮箱容积VA和所述MON-B的贮箱容积VB，计算所述MON-B的目标调节压力点；
步骤三、打开所述MON-B对应的上游气口自锁阀LV3，以使得气瓶提供的气体充入所述MON-B；当所述MON-B的实时贮箱压力PB′达到所述目标调节压力点时，将所述上游气口自锁阀LV3关闭；
步骤四、打开所述下游气口自锁阀LV2，以使所述MON-A与所述MON-B实现贮箱压力的平衡。
进一步地，利用所述贮箱压力PA、质量mA、贮箱压力PB、质量mB和密度ρ，并根据所述MON-A的贮箱容积VA和所述MON-B的贮箱容积VB，计算所述MON-B的目标调节压力点，包括：
利用所述质量mA和密度ρ，根据贮箱容积VA，计算所述MON-A内的气体体积VgA＝VA-mA/ρ；利用所述质量mB和密度ρ，根据贮箱容积VB，计算所述MON-B内的气体体积VgB＝VB-mB/ρ；
根据所述质量mA、质量mB和密度ρ，计算待调节的推进剂体积dV＝(mB-mA)/2ρ；
根据所述贮箱压力PA、贮箱压力PB、气体体积VgA、气体体积VgB、以及所述待调节的推进剂体积dV，利用目标调节压力点计算公式，计算出所述MON-B的目标调节压力点；所述目标调节压力点计算公式为：
式中，PB *表示MON-B的目标调节压力点，a为修正系数；所述修正系数a用于修正贮箱压力调节过程中的气体非绝热状态影响。
进一步地，所述修正系数a的取值范围为：0<a<20。
进一步地，所述修正系数a的取值为：a＝8.33。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
本发明通过在卫星变轨结束时刻，对于无气体旁路双组元推进系统中并联设置且内装有同种推进剂的两只贮箱，计算剩余推进剂较多的贮箱的目标调节压力点；对剩余推进剂较多的贮箱进行补气，直至其贮箱压力达到目标调节压力点；将所述两只贮箱联通，利用压力差平衡两贮箱的推进剂，直至压力平衡为止，实现了对无气体旁路的双组元推进系统进行并联贮箱平衡排放的调节的目的。
附图说明
图1是本发明实施例中的无气体旁路双组元推进系统的结构图；
图2是本发明实施例中的一种基于无气体旁路推进系统的调节平衡排放的方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1是本发明实施例中的无气体旁路双组元推进系统的结构图，如图1所示，典型的航天器用无气体旁路的并联贮箱结构双组元推进系统基本由气瓶1、压力传感器2、加排阀3、减压器4、单向阀5、自锁阀6、推进剂贮箱7、轨控发动机8和姿控推力器9组成；其中，气瓶1用于存储高压气体(通常是氦气)；推进剂贮箱7用于存储推进剂，推进剂包括氧化剂和燃烧剂两种，图1中，MON表示氧化剂，MMH表示燃烧剂；气瓶1和推进剂贮箱7之间由减压器4和单向阀5连接，并配置必须的压力传感器2、加排阀3和自锁阀6；减压器4用于对气瓶1中的高压气体进行减压并注入推进剂贮箱7，以维持推进剂贮箱7的压力稳定；单向阀5用于防止不同组元的推进剂贮箱7内的推进剂蒸汽反向扩散到减压器下游的交汇点，避免发生爆炸危险；压力传感器2用于测量气瓶1和推进剂贮箱7的压力；加排阀3用于地面操作，给气瓶1和推进剂贮箱7加注或排放推进剂和气体；自锁阀6用于控制气体管道或推进剂管道的通断。
图2是本发明实施例中的一种基于无气体旁路推进系统的调节平衡排放的方法的流程图，该方法基于如图1所示的无气体旁路双组元推进系统，参考图2，本实施例提供的一种基于无气体旁路推进系统的调节平衡排放的方法具体可以包括如下步骤：
步骤一、在卫星变轨结束时刻，对于无气体旁路双组元推进系统中并联设置且内装有同种推进剂的两只贮箱MON-A和MON-B，关闭MON-A的上游气口自锁阀LV1和MON-B的上游气口自锁阀LV3，关闭MON-A的下游气口自锁阀LV2，打开MON-B的下游气口自锁阀LV4；获取所述MON-A的贮箱压力PA，以及所述MON-A中剩余推进剂的质量mA和密度ρ；获取所述MON-B的贮箱压力PB，以及所述MON-B中剩余推进剂的质量mB和密度ρ。
具体的，在卫星变轨结束时刻，对于无气体旁路双组元推进系统中并联设置且内装有同种推进剂的两只贮箱MON-A和MON-B(所述MON-B中剩余推进剂的质量大于所述MON-A中剩余推进剂的质量)，关闭MON-A的上游气口自锁阀LV1和MON-B的上游气口自锁阀LV3，关闭MON-A的下游气口自锁阀LV2，打开MON-B的下游气口自锁阀LV4。
具体的，可根据卫星遥测数据及卫星在轨运行时长，计算出卫星变轨结束时刻对应的推进剂消耗量，从而在推进剂总量的基础上减去消耗量，即可获取MON-A中剩余推进剂的质量mA和MON-B中剩余推进剂的质量mB。另外，对于在卫星变轨结束时刻，所述MON-A或MON-B中剩余推进剂的密度ρ可根据公式(2)：ρ＝x×T+y获得，公式(2)中，T为卫星变轨结束时刻的推进剂温度，可利用安置于推进剂贮箱上的温度传感器进行采集；参数x和y为推进剂厂商提供的基于卫星变轨结束时刻推进剂温度T的推进剂物性参数。而在卫星变轨结束时刻，所述MON-A的贮箱压力PA或所述MON-B的贮箱压力PB可以利用安置于推进剂贮箱上的压力传感器进行采集。在卫星变轨结束时刻，关闭上游气口自锁阀LV1和LV3，关闭下游气口自锁阀LV2，打开下游气口自锁阀LV4的目的在于：阻止发动机关机后气路对贮箱补气至较高的静态压力点。
步骤二、利用所述贮箱压力PA、质量mA、贮箱压力PB、质量mB和密度ρ，并根据所述MON-A的贮箱容积VA和所述MON-B的贮箱容积VB，计算所述MON-B的目标调节压力点。
可选的，利用所述贮箱压力PA、质量mA、贮箱压力PB、质量mB和密度ρ，并根据所述MON-A的贮箱容积VA和所述MON-B的贮箱容积VB，计算所述MON-B的目标调节压力点，包括：
利用所述质量mA和密度ρ，根据贮箱容积VA，计算所述MON-A内的气体体积VgA，所述气体体积VgA＝VA-mA/ρ；利用所述质量mB和密度ρ，根据贮箱容积VB，计算所述MON-B内的气体体积VgB，所述气体体积VgB＝VB-mB/ρ；
根据所述质量mA、质量mB和密度ρ，计算待调节的推进剂体积dV，所述待调节的推进剂体积dV的计算公式为：dV＝(mB-mA)/2ρ；
根据所述贮箱压力PA、贮箱压力PB、气体体积VgA、气体体积VgB、以及所述待调节的推进剂体积dV，利用目标调节压力点计算公式，计算出所述MON-B的目标调节压力点。其中，所述目标调节压力点计算公式为：
公式(1)中，PB *表示MON-B的目标调节压力点，a为修正系数；所述修正系数a用于修正贮箱压力调节过程中的气体非绝热状态影响。所述修正系数a的取值范围为：0<a<20。根据地面试验情况，优选的，所述修正系数a的取值为：a＝8.33。
步骤三、打开所述MON-B对应的上游气口自锁阀LV3，以使得气瓶提供的气体充入所述MON-B；当所述MON-B的实时贮箱压力PB′达到所述目标调节压力点时，将所述上游气口自锁阀LV3关闭。
具体的，本实施例中，打开所述MON-B对应的上游气口自锁阀LV3，以使得气瓶提供的气体充入所述MON-B，从而对MON-B进行增压；当所述MON-B的实时贮箱压力PB′达到所述目标调节压力点PB *时，将所述上游气口自锁阀LV3关闭。
步骤四、打开所述下游气口自锁阀LV2，以使所述MON-A与所述MON-B实现贮箱压力的平衡。
本实施例提供的一种基于无气体旁路推进系统的调节平衡排放的方法，基于系统配置中的减压器和单向阀开关特性，能够实现小范围调节平衡排放，其压力调节范围受到减压器和单向阀输出的静态压力点限制，即MON-A和MON-B的压差无法超过减压器和单向阀输出的静态压力点与动态压力点差值，相应的并联贮箱平衡排放调节幅度也受到限制，但是能够满足通常状态双组元推进系统调节需求，已经在东方红五号卫星平台上进行验证，最大可调节范围为80kg(氧化剂MON)。
本实施例的技术方案通过在卫星变轨结束时刻，对于无气体旁路双组元推进系统中并联设置且内装有同种推进剂的两只贮箱，计算剩余推进剂较多的贮箱的目标调节压力点；对剩余推进剂较多的贮箱进行补气，直至其贮箱压力达到目标调节压力点；将所述两只贮箱联通，利用压力差平衡两贮箱的推进剂，直至压力平衡为止，实现了对无气体旁路的双组元推进系统进行并联贮箱平衡排放的调节的目的。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (4)
1.一种基于无气体旁路推进系统的调节平衡排放的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、在卫星变轨结束时刻，对于无气体旁路双组元推进系统中并联设置且内装有同种推进剂的两只贮箱MON-A和MON-B，关闭MON-A的上游气口自锁阀LV1和MON-B的上游气口自锁阀LV3，关闭MON-A的下游气口自锁阀LV2，打开MON-B的下游气口自锁阀LV4；获取所述MON-A的贮箱压力PA，以及所述MON-A中剩余推进剂的质量mA和密度ρ；获取所述MON-B的贮箱压力PB，以及所述MON-B中剩余推进剂的质量mB和密度ρ；
步骤二、利用所述贮箱压力PA、质量mA、贮箱压力PB、质量mB和密度ρ，并根据所述MON-A的贮箱容积VA和所述MON-B的贮箱容积VB，计算所述MON-B的目标调节压力点；
步骤三、打开所述MON-B对应的上游气口自锁阀LV3，以使得气瓶提供的气体充入所述MON-B；当所述MON-B的实时贮箱压力PB′达到所述目标调节压力点时，将所述上游气口自锁阀LV3关闭；
步骤四、打开所述下游气口自锁阀LV2，以使所述MON-A与所述MON-B实现贮箱压力的平衡。
2.根据权利要求1所述基于无气体旁路推进系统的调节平衡排放的方法，其特征在于，利用所述贮箱压力PA、质量mA、贮箱压力PB、质量mB和密度ρ，并根据所述MON-A的贮箱容积VA和所述MON-B的贮箱容积VB，计算所述MON-B的目标调节压力点，包括：
利用所述质量mA和密度ρ，根据贮箱容积VA，计算所述MON-A内的气体体积VgA＝VA-mA/ρ；利用所述质量mB和密度ρ，根据贮箱容积VB，计算所述MON-B内的气体体积VgB＝VB-mB/ρ；
根据所述质量mA、质量mB和密度ρ，计算待调节的推进剂体积dV＝(mB-mA)/2ρ；
根据所述贮箱压力PA、贮箱压力PB、气体体积VgA、气体体积VgB、以及所述待调节的推进剂体积dV，利用目标调节压力点计算公式，计算出所述MON-B的目标调节压力点；所述目标调节压力点计算公式为：
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式中，PB *表示MON-B的目标调节压力点，a为修正系数；所述修正系数a用于修正贮箱压力调节过程中的气体非绝热状态影响。
3.根据权利要求2所述基于无气体旁路推进系统的调节平衡排放的方法，其特征在于，所述修正系数a的取值范围为：0<a<20。
4.根据权利要求3所述基于无气体旁路推进系统的调节平衡排放的方法，其特征在于，所述修正系数a的取值为：a＝8.33。
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