CN108106680B

CN108106680B - 一种用于确定压气装置的抽气流率的方法

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Publication number: CN108106680B
Application number: CN201711287221.1A
Authority: CN
Inventors: 孙威; 刘蔚娴
Original assignee: Beijing Space Technology Research and Test Center
Current assignee: Beijing Space Technology Research and Test Center
Priority date: 2017-12-07
Filing date: 2017-12-07
Publication date: 2020-02-07
Anticipated expiration: 2037-12-07
Also published as: CN108106680A

Abstract

本发明涉及一种用于确定压气装置的抽气流率的方法，包括：S1.通过压气装置向目标容器抽气，依次采集第1，2，…，x时刻目标容器的状态信息；S2.根据所述状态信息获取所述目标容器中第1，2，…，x时刻的气体质量m，并根据所述气体质量m获取所述压气装置的抽气流率

本发明的方法，可以利用航天器自身携带的温度和压力传感器实现压气装置抽气流率的在轨标定。

Description

一种用于确定压气装置的抽气流率的方法

技术领域

本发明涉及航天器在轨服务技术领域，尤其涉及一种用于确定压气装置的抽气流率的方法。

背景技术

推进剂在轨补加是航天器在轨服务领域的一项先进技术，通过补给飞行器携带推进剂增压气体为目标飞行器进行“太空加油”，可将航天器获得更长的留轨时间，提高使用效益。

压气装置通常是用来进行气体的增压输送，在为航天器进行推进剂在轨补加时，压气装置有两种典型应用如下：一种是建立推进剂贮箱背压环境，主要用于空间站推进剂补给进程，具体应用为从待补加推进剂贮箱抽气来建立低压环境，便于货运飞船利用贮箱件的压力差将所携带的推进剂挤压输送至空间站推进系统；另一种是实现推进系统增压气体的补给，主要用于航天器增压瓶气体的补给过程，具体应用为压气装置从补给航天器气瓶为目标航天器气瓶输送气体，以补充由于系统泄漏或自身放弃等原因造成的气量损失。在上述两种应用中，均会存在控制输送气体量的问题。确定压气装置抽气流率大小和变化规律，是准确预测气体输送过程和控制气体输送量的必要条件，对于航天器飞行控制实施方案的设计有着重要的意义。

地面环境下，对于气体流率的标定通常有直接和间接两种方式，直接方式一般采用流量计进行瞬时流率测量，间接式一般采用累积法计量一段时间内的气体总量后再除以时间。因为压气装置在轨工作环境为微重力环境，与地面重力环境存在较大差别，导致工作性能存在较大的差异。地面上无法对压气装置在轨工作性能进行较为准确的模拟，也就无法准确标定压气装置流率。而地面的流率标定方式如果照搬到太空环境中、集成至在轨服务器上，会面临增加系统复杂程度和重量、降低系统可靠性等问题。单独研制适用于在轨环境的气体流率标定方法的设备，也需要投入人力、物力开展设计验证，从系统设计和经济性角度均会带来不利的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于确定压气装置的抽气流率的方法，利用航天器自身携带的温度和压力传感器实现压气装置抽气流率的在轨标定。

为实现上述发明目的，本发明提供一种用于确定压气装置的抽气流率的方法，包括：

S1.通过压气装置向目标容器抽气，依次采集第1，2，…，x时刻目标容器的状态信息；

S2.根据所述状态信息获取所述目标容器中第1，2，…，x时刻的气体质量m，并根据所述气体质量m获取所述压气装置的抽气流率

根据本发明的一个方面，所述状态信息包括：目标容器的背压值P和壁面的温度值T。

根据本发明的一个方面，通过压气装置向目标容器抽气，采集第1，2，…，x时刻目标容器的状态信息的步骤中，包括：

S11.采集目标容器第1时刻的状态信息；

S12.所述压气装置向所述目标容器抽气，以间隔时间t₁采集目标容器第2,3，…，x-1时刻的状态信息；

S13.抽气完毕，阻断压气装置与目标容器之间的通路，以时间t₂对所述目标容器进行静置处理；

S14.完成对所述目标容器静置处理后，采集所述目标容器第x时刻的状态信息。

根据本发明的一个方面，根据所述状态信息获取所述目标容器中第1，2，…，x时刻的气体质量m，并根据所述气体质量m获取所述压气装置的抽气流率

的步骤中包括：

S21.根据采集的第1，2，…，x时刻所述目标容器的状态信息，生成用于获取第1，2，…，x时刻所述气体质量m的参数信息；

S22.根据所述参数信息、所述目标容器的状态信息以及所述目标容器的气瓶容积V获取第1，2，…，x时刻的所述气体质量m；

S23.根据第1，2，…，x时刻的所述气体质量m和所述间隔时间t₁获取所述抽气流率

根据本发明的一个方面，所述参数信息包括所述目标容器中气体的第1时刻比容值v₁、所述目标容器中气体的第x时刻比容值v_f和抽气过程中的多变指数n。

根据本发明的一个方面，根据采集的第1，2，…，x时刻所述目标容器的状态信息，生成用于获取第1，2，…，x时刻所述气体质量m的参数信息的步骤包括：

根据第1时刻和第x时刻的所述状态信息分别获取第1时刻比容值v₁和第x时刻比容值v_f，第1时刻比容值v₁和第x时刻比容值v_f分别通过以下公式获得：

其中，P为目标容器的背压值；v为目标容器中气体的比容值；T为目标容器的壁面的温度值；R为气体常数；a、b为气体物性常数；

根据第1时刻比容值v₁、第x时刻比容值v_f、第1时刻的所述状态信息和第x时刻的所述状态信息获取多变指数n，所述多变指数n通过以下公式获得：

其中，P₁为目标容器第1时刻背压值；P_x-1为目标容器第x-1时刻背压值。

根据本发明的一个方面，根据所述参数信息、所述目标容器的状态信息以及所述目标容器的气瓶容积V获取第1，2，…，x时刻的所述气体质量m的步骤中包括：

根据目标容器中气体的第1时刻比容值v₁、第1时刻背压值P₁、多变指数n和第2，…，x-1时刻目标容器的背压值P获取所述目标容器中第2，…，x-1时刻比容值v，其中，

根据第1，2，…，x-1时刻的比容值v和所述气瓶容积V，计算第1，2，…，x-1时刻所述目标容器中的气体质量m，其中，m＝V/v。

根据本发明的一个方面，根据第1，2，…，x时刻的所述气体质量m和所述间隔时间t₁获取所述抽气流率的步骤中，包括：

根据第1，2，…，x-1时刻的所述气体质量m和所述间隔时间t₁获取第一关系式，所述第一关系式为：

其中，α_i为多项式系数，t₃为时间；

根据所述第一关系式获取所述抽气流率

和所述间隔时间t₁的第二关系式，所述第二关系式为：

其中，α_i为多项式系数，t₃为时间。

根据本发明的一个方面，还包括：

S3.根据所述抽气流率

以及第1，2，…，x时刻所述目标容器的状态信息生成所述目标容器中气体的背压值P与抽气流率

的第三关系式，第三关系式为：

其中，β_i为多项式系数，P_a为背压。

根据本发明的一个方面，根据所述抽气流率

的第三关系式的步骤中，包括：

基于所述第二关系式获取第1，2，…，x-1时刻的所述抽气流率

的值；

将相同时刻的所述抽气流率

的值与所述状态信息中的背压值P建立对应关系表，并根据所述对应关系表生成所述第三关系式。

根据本发明的方法，可以利用航天器系统自身配置的压力和温度传感器来完成标定，无需增加多余的设备，有效的降低了设计难度。

根据本发明的方法，能够利用航天器系统自带的温度和压力传感器对在轨增压过程中气体总质量随时间变化特征曲线的在轨标定，实现气体流动速率随时间变化特征曲线的在轨标定、对压气装置抽气速率对出口背压变化特征曲线的在轨标定，相对现有技术的在地面进行模拟而言，本发明的标定方法规避了现有技术不能完全模拟航天器所处环境条件导致的抽气流率结果不准确的问题。

根据本发明的方法，相比于采用流量计进行瞬时流率测量或采用累积法计量一段时间内的气体总量后再除以时间的方法而言，本发明的方法可根据需求采集预定时间间隔的每一时刻的相关参数，并以此为基础得到压气装置抽气流率与背压关系等其他关系式，确定压气装置的抽气流率时过程可控性高，结果精度高。

附图说明

图1是示意性表示根据本发明的方法的流程图；

图2是示意性表示根据本发明的方法所用抽气系统组成图；

图3是示意性表示根据本发明的方法的具体流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

如图1所示，根据本发明的用于确定压气装置的抽气流率的方法，包括：

S1.通过压气装置向目标容器抽气，采集第1，2，…，x时刻目标容器的状态信息；

如图2所示，采用本发明的用于确定压气装置的抽气流率的方法之前，需要按照如图2所示构建压气装置抽气系统。如图2所示，在本实施方式中，根据本发明的压气装置抽气系统包括气源气瓶1、第一阀门2、压力调节装置3、压气装置4、第二阀门5、目标容器6、温度传感器7和压力传感器8。其中气源气瓶1用过管路与第一阀门2的入口进行连接，第一阀门2的出口通过管路与压力调节装置4的入口连接，压力调节装置3的出口通过管路与压气装置4的入口连接，压气装置4的出口通过管路与第二阀门5的入口连接，第二阀门5的出口通过管路与目标容器6进行连接。温度传感器7设置在目标容器6的壁面上，用于实时测量目标容器6的壁面温度值T，压力传感器8设置在目标容器6内部，用于实时测量目标容器6内的气体压力。

根据本发明的方法，基于上述系统进行，可以利用航天器系统配置的压力和温度传感器来完成标定，无需增加多余的设备，有效的降低了设计难度。

根据本发明的方法，按照图2所示的系统连接组装完后，按照图1所示流程框图方法进行标定。需要指出的是，本发明的方法主要用于航天器在轨状态下确定压气装置4的抽气流率，因此本发明采用的压气装置抽气系统处于微重力环境等其他条件，根据本发明的方法应满足以下条件：1.目标容器6增压力学过程为多变过程，在任意时刻目标容器6中气体均满足关系式：Pvⁿ＝常数，其中P、v分别代表气体的压力和比容。2.目标容器6中气体状态满足描述实际气体的R-K状态方程。3.目标容器6中气体分布均匀，物性参数一致，即在同一时刻目标容器6中不同位置处的气体的压力值、比容值和温度值是一致的。4.压气装置4抽气流率大小与压气装置4出口的背压值独立相关，且满足多项式关系。压气装置4抽气流率为出口处背压的多项式函数，即压气装置4抽气流率为目标容器中气体压力的多项式函数。

结合图1、图3所示，在满足上述条件的环境中，根据本发明的用于压气装置抽气流率的标定方法包括：S11.以抽气开始前为第1时刻，采集目标容器6第1时刻的状态信息；S12.开始对目标容器6进行抽气，以间隔时间t₁依次采集目标容器6第2,3，…，x-1时刻的状态信息；S13.抽气完毕，阻断压气装置3与目标容器6之间的通路，以时间t₂对目标容器6进行静置处理；S14.完成对目标容器6静置后，采集目标容器6第x时刻的状态信息；S21.根据采集的第1，2，…，x时刻目标容器6的状态信息，生成用于获取第1，2，…，x时刻气体质量m的参数信息；S22.根据参数信息、目标容器的状态信息以及目标容器的气瓶容积V获取第1，2，…，x时刻的气体质量m；S23.根据第1，2，…，x时刻的气体质量m和间隔时间t₁获取抽气流率

具体来说，在抽气开始前，需要采集目标容器6在第1时刻的状态信息，状态信息包括目标容器6中的背压值P和目标容器6的壁面的温度值T。采集完成后，打开第二阀门5，向目标容器6进行抽气，以时间间隔t₁(例如10min)采集目标容器6每个时间间隔t₁后的第2，3，…，x-1时刻的,背压值P和温度值T。抽气完毕后，关闭第二阀门5，阻断压气装置4与目标容器6之间的通路，将目标容器6以时间t₂(例如24h)静置，然后采集目标容器6静置24h的第x时刻的背压值P和壁面温度值T。接着依据采集的目标容器6在第1，2，…，x时刻的状态信息，获取计算背压值P与抽气流率关系式的参数信息。

进一步地，参数信息包括目标容器6中气体的在第1时刻的比容值v₁、目标容器6中气体在第x时刻的比容值v_f、抽气过程中的多变指数n。所以上述步骤S21获取参数信息包括：根据第1时刻目标容器6的状态信息和第x时刻的状态信息分别获取第1时刻比容值v₁和第x时刻比容值v_f；根据第1时刻比容值v₁、第x时刻比容值v_f、第1时刻目标容器6的状态信息和第x时刻的状态信息获取多变指数n。具体地，按照R-K公式计算目标容器6在第1时刻的比容值v₁和第x时刻的比容值v_f，公式如下：

其中，P为目标容器6中的背压值，v为目标容器6中气体的比容值，T为目标容器6的壁面的温度值，R为气体常数，a、b为气体物性常数。在本实施方式中，第一时刻的状态信息包括第一时刻背压值P₁和第一时刻温度值T₁，将上述第一时刻的状态信息代入上述公式中，即可获取第一时刻比容值v₁。第x时刻的比容值v_f的获取方式与上述方式相同，在此不再赘述。

然后可将计算出的目标容器6在第1时刻和第x时刻的比容值v和状态信息代入下列公式计算抽气过程中的多变指数n：

其中，v₁为目标容器6中气体的第1时刻比容值；v_f为目标容器6中气体的第x时刻比容值；P₁为目标容器6第1时刻背压值；P_x-1为目标容器第x-1时刻背压值。

依照上述方法获取到参数状态信息后，进行步骤S22。根据计算出的目标容器6中气体在第1时刻的比容值v₁、多变指数n、第一时刻背压值P₁和第2，…，x-1时刻目标容器6的背压值P分别获取目标容器6中第2，…，x-1时刻的比比容值v，计算公式如下：

例如，将采集的第二时刻背压值P₂代入上述公式中，即可获得第二时刻比容值v₂。其它时刻的比容值v同样以上述方式获得，在此不再赘述。

在本实施方式中，根据获取的第1，2，…，x-1时刻比容值v和目标容器的气瓶容积V，按照公式m＝V/v计算第1，2，…，x-1时刻目标容器中的气体质量m。例如，将获取的第1时刻比容值v₁代入上公式，即可得出第1时刻气体质量m₁；将获取的第2时刻比容值v₂带入上公式，即可得出第2时刻气体质量m₂，依次类推获取不同时刻的气体质量m。然后将每一时刻采集的目标容器6的背压值P、每一时刻的气体质量m填入下表1中。

表1示意性表示目标容器6在每一时刻对应的背压值、比容、气体质量和抽气流率。

时刻	背压值	比容	气体质量	抽气流率
					第1时刻
第2时刻
					第…时刻
第x时刻

表1

依照上述表格中不同时刻对应的不同气体质量m的值，以及很具间隔时间t₁可以进行曲线拟合，获取第一曲线，通过第一曲线即可获得气体质量m与时间的第一关系式。第一关系式为：

其中，α_i为多项式系数，t₃为时间。在本实施方式中，t₃为自变量，通过代入不同的时刻值，即可获取相应时刻的气体质量m的值。

在本实施方式中，然后根据得到的第一关系式，对时间进行求导计算，可以得到抽气流率

和间隔时间t₁相关的第二关系式，第二关系式为：

其中，α_i为多项式系数，t₃为时间。在本实施方式中，t₃为自变量，通过代入不同的时刻值，即可获取相应时刻的抽气流率

的值。

根据本发明的用于确定压气装置的抽气流率的方法，还包括：

S3.根据抽气流率

以及第1，2，…，x时刻目标容器的状态信息生成目标容器6中气体的背压值P与抽气流率

的第三关系式。在本实施方式中，根据第二关系式，通过代入不同的时刻值，即可获取相应时刻的抽气流率

的值。将每一时刻对应的抽气流率值填入表1中，此时，表1中就建立了在每一时刻的背压值P与抽气流率值之间一一对应的对应关系表。在本实施方式中，根据对应关系表生成抽气流率的值与背压值P相对应的第二曲线，根据生成的曲线得出第三关系式，第三关系式如下：

其中，β_i为多项式系数，P_a为背压。在本实施方式中，P_a为上述公式的自变量，将不同时刻的背压值P代入上述公式中，就可相应得出抽气流率

值，从而建立了目标容器6中背压值P与抽气流率

的对应关系。

根据本发明的方法，能够利用航天器系统自带的温度和压力传感器对在轨增压过程中气体总质量随时间变化特征曲线的在轨标定，实现气体流动速率随时间变化特征曲线的在轨标定、对压气装置抽气速率对出口背压变化特征曲线的在轨标定，相对现有技术的在地面进行模拟而言，本发明的标定方法规避了现有技术不能完全模拟航天器所处环境条件导致的标定结果不准确的问题。

根据本发明的方法，相比于采用流量计进行瞬时流率测量或采用累积法计量一端时间内的气体总量后再除以时间的方法而言，本发明的方法可根据需求采集预定时间间隔的每一时刻的相关参数，并依次为基础得到压气装置抽气流率与背压关系等其他关系式，确定压气装置的抽气流率是过程可控性高，结果精度高。

上述内容仅为本发明的具体方案的例举，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。

以上所述仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。