CN109405918A - 一种基于推进剂物性的航天器推进剂剩余量测量方法 - Google Patents

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王申
袁磊
周红玲
黄含冰
路子阳
刘涛
贾柯
陈海辉
张博
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    • G01F22/00—Methods or apparatus for measuring volume of fluids or fluent solid material, not otherwise provided for
    • G01F22/02—Methods or apparatus for measuring volume of fluids or fluent solid material, not otherwise provided for involving measurement of pressure

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Abstract

一种基于推进剂物性的航天器推进剂剩余量测量方法，包括下列步骤：(1)获得推进剂密度、饱和蒸气压等物性随温度的变化；(2)围绕推进剂贮箱配置压力传感器、温度传感器和主动热控措施；(3)调整贮箱主动温控策略，使得贮箱经历存在明显差异的两种温度状态；(4)利用步骤(3)两种状态贮箱压力、温度数据及推进剂物性随温度变化特性，计算推进剂剩余量。本发明实现了低成本航天器推进剂剩余量精确测量，提高了航天器寿命预估精度，可延长航天器服役时间，增加了航天器在轨运行的经济效益。

Description

一种基于推进剂物性的航天器推进剂剩余量测量方法
技术领域
本发明的技术领域属于航天器(如人造卫星、飞船、深空探测器等)推进技术，也可应用于火箭/导弹推进系统，或相关推进系统产品的地面试验中。
背景技术
航天器推进系统的功能是为航天器提供变轨和姿态控制所需的推力。目前，航天器推进系统领域(卫星、飞船，深空探测器等)仍以化学推进为主，航天器通过贮箱携带一种推进剂(单元推进系统)或两种推进剂(双元推进系统)，在贮箱内挤压气体的作用下推进剂进入发动机进行催化分解或燃烧产生推力。贮箱内推进剂剩余量多少是预估航天器在轨寿命的重要依据之一。
目前国内外在轨实际应用的推进剂剩余量测量方法主要有：簿记法(BK)、气体定律法(PVT)和气体注入激励法(PGS)等，这些方法各具特点。BK法的应用需要发动机进行地面热标，获得发动机准确的推进剂消耗特性，通过推进剂的消耗特性和在轨工作时间累计出消耗的推进剂量，进而得到剩余的推进剂量，该方法测量精度为3％～5％,适用于轨控发动机长时间变轨过程中推进剂消耗的估算，对于以脉冲工作为主的姿控任务，BK法精度较差，甚至无法开展。PVT方法基于挤压气体的量守恒原理，根据初始气体的温度、压力和推进剂量，以及末期挤压气体的温度、压力，预估末期推进剂量，该方法测量精度受到温度、压力的测量精度限制(长期在轨情况下传感器的特性衰减无法避免)，测量精度约为10％～15％；PGS方法对贮箱进行气体注入激励，根据激励前后挤压气体的量守恒计算推进剂剩余量，该方法精度为1％～5％，精度较高，但需要配置额外的气源和贮箱补气支路。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的技术解决问题是：无需额外增加硬件的情况下，提供一种基于推进剂物性的航天器推进剂剩余量测量方法，实现推进剂剩余量的在轨测量，为提高推进剂利用率和航天器寿命预估提供依据。
本发明的一种基于推进剂物性的航天器推进剂剩余量测量方法，包括下列步骤：步骤(1)获得推进剂密度、饱和蒸气压的物性随温度的变化；步骤(2)围绕推进剂贮箱配置压力传感器、温度传感器和主动热控措施；步骤(3)调整贮箱主动温控策略，使得贮箱经历存在明显差异的两种温度状态；步骤(4)利用步骤(3)两种状态贮箱压力、温度数据及推进剂物性随温度变化特性，计算推进剂剩余量。
进一步，所述步骤(1)中推进剂密度、饱和蒸气压的物性随温度变化特性应准确，若误差较大则影响推进剂剩余量测量精度，需开展精度的推进剂物性测量。
进一步，所述步骤(3)调整贮箱主动温控策略，使得贮箱经历存在明显差异的两种温度状态，该温度差异通常不小于5℃。
进一步，所述步骤(4)中基于贮箱内挤压气体的量守恒原理和推进剂物性随温度变化特性，计算推进剂剩余量。
本发明立足于贮箱内挤压气体的量守恒和推进剂物性随温度变化特性，实现航天器推进剂剩余量测量，精度约1％～5％。本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)目前绝大部分航天器推进剂贮箱均已配置压力传感器、温度传感器和主动热控措施，所以本发明无需额外增加硬件；
(2)本发明实现的剩余量测量精度取决于压力传感器、温度传感器的分辨率而不是绝对精度，降低了压力传感器、温度传感器的精度需求；
(3)本发明实现的剩余量测量精度约1％～5％，优于PVT法和BK法，与PGS法测量精度相当，但无需额外的气源和贮箱补气支路。
附图说明
图1是本发明的基于推进剂物性的航天器推进剂剩余量测量方法原理图。
具体实施方式
如图1所示，本发明采用的推进剂贮存系统由贮箱1、压力传感器2、温度传感器3、主动热控4组成。
(1)如图1所示构建推进剂贮存系统，其中贮箱1中包含推进剂和挤压气体，压力传感器2可测量贮箱压力，温度传感器3可测量贮箱温度，主动热控4(通常为紧贴贮箱壁面的加热片或加热带)用于加热贮箱并维持贮箱温度。
(2)获得推进剂密度、饱和蒸气压等物性随温度的变化(可查询推进剂标准、推进剂手册或咨询推进剂供应方)；
(3)调整贮箱1主动温控策略，使得贮箱1经历存在明显差异的两种温度状态(本发明新增策略)，一般情况下，贮箱在轨常规储存温度作为一种状态，贮箱1自然降温至明显低于常规储存温度作为另外一种状态(两种状态温度差异不小于5℃，参考值)；
(4)通过压力传感器2、温度传感器3测量两种状态贮箱1温度量、压力量，基于挤压气体的量守恒和推进剂物性随温度变化特性，计算推进剂剩余量(本发明新增)。

Claims (4)

1.一种基于推进剂物性的航天器推进剂剩余量测量方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤(1)获得推进剂密度、饱和蒸气压的物性随温度的变化；
步骤(2)围绕推进剂贮箱配置压力传感器、温度传感器和主动热控措施；
步骤(3)调整贮箱主动温控策略，使得贮箱经历存在明显差异的两种温度状态；
步骤(4)利用步骤(3)两种状态贮箱压力、温度数据及推进剂物性随温度变化特性，计算推进剂剩余量。
2.根据权利要求1所述的基于推进剂物性的航天器推进剂剩余量测量方法，其特征在于：所述步骤(1)中推进剂密度、饱和蒸气压的物性随温度变化特性应准确，若误差较大则影响推进剂剩余量测量精度，需开展精度的推进剂物性测量。
3.根据权利要求1所述的基于推进剂物性的航天器推进剂剩余量测量方法，其特征在于：所述步骤(3)调整贮箱主动温控策略，使得贮箱经历存在明显差异的两种温度状态，该温度差异通常不小于5℃。
4.根据权利要求1所述的基于推进剂物性的航天器推进剂剩余量测量方法，其特征在于：所述步骤(4)中基于贮箱内挤压气体的量守恒原理和推进剂物性随温度变化特性，计算推进剂剩余量。
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