CN111319798A - 一种适用于火星探测中推进系统的自主管理方法 - Google Patents
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Abstract
一种适用于火星探测中推进系统的自主管理方法，将推进系统的故障分为姿控推力器泄漏、轨控管路超压、减压阀静压超压、推进系统欠压、姿控管路超压；其中姿控推力器泄漏的故障处理的优先级最高，其他四种故障处理的优先级相同且按故障发生的时间先后顺序依次进行故障处理；姿控推力器泄漏自主管理方法为：将当前推力器切换为其他推力器；轨控管路超压自主管理方法：对轨控管路上的阀门进行开关动作；减压阀静压超压自主管理方法：通过气路压力平衡降低减压阀静压；推进系统欠压自主管理方法：对贮箱进行增压；姿控管路超压自主管理方法：对姿控管路进行泄压。本发明方法提高了火星探测全过程的推进系统的安全性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于火星探测中推进系统的自主管理方法，具体涉及一种适用于火星探测中推进系统基于压力监控的长期自主管理方法，属于火星探测的推进系统技术领域。
背景技术
我国将于2020年执行首次火星探测任务。火星探测任务中推进系统的可靠运行，是保证探测任务顺利进行的关键。在探测器长期飞行过程中，推进系统存在诸多风险：1.环绕器大推力发动机轨控结束后，大流量自锁阀关闭，使得大流量自锁阀下游至大推力发动机入口成为一段密闭管路。随着发动机关机后的热反侵及飞行过程中太阳朝向的温度变化，会导致密闭管路内推进剂压力上升，超过压力传感器的量程，对推进分系统造成潜在的危险。2.推进系统落压工作期间，高压自锁阀和气路小流量自锁阀为关闭状态，减压阀下游出口压力有超压风险。3.由于飞行过程中姿控推力器工作消耗推进剂，系统压力会逐渐下降，当系统压力下降至欠压状态时，会导致姿控推力器工作性能下降明显。4.环绕器在轨飞行过程中，推进分系统存在关闭姿控管路小流量自锁阀的工况。当姿控路小流量自锁阀关闭后，其下游密闭管路里的推进剂将受环境温度影响而出现热胀冷缩现象，当环境温度升高时，密闭管路内推进剂压力会大幅爬升，从而影响系统可靠性。5.推进分系统在轨落压工作期间，如推力器发生了泄漏故障，需要对姿控推力器进行重组操作。由于火星探测器的星地时延，当推进系统出现以上问题后需要快速决策诊断，无法通过地面操作快速解决。因此需要一种适用于火星探测中推进系统的自主管理方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种适用于火星探测中推进系统的自主管理方法，根据推进系统的压力实时监控值，自主判别推进系统阀门出现的故障类别，自主按照故障处理优先级执行相应的解决方案。避免了由于星地延时，无法及时处理推进系统故障的问题；该方法提高了火星探测推进系统长期安全的可靠性。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种适用于火星探测中推进系统的自主管理方法，采用压力传感器监测环绕器的推进系统，将推进系统的故障分为姿控推力器泄漏、轨控管路超压、减压阀静压超压、推进系统欠压、姿控管路超压；发生上述故障时分别采用姿控推力器泄漏自主管理方法、轨控管路超压自主管理方法、减压阀静压超压自主管理方法、推进系统欠压自主管理方法、姿控管路超压自主管理方法进行故障处理；其中姿控推力器泄漏的故障处理的优先级最高，其他四种故障处理的优先级相同且按故障发生的时间先后顺序依次进行故障处理；
姿控推力器泄漏自主管理方法为：将当前推力器切换为其他推力器；
轨控管路超压自主管理方法：对轨控管路上的阀门进行开关动作；
减压阀静压超压自主管理方法：通过气路压力平衡降低减压阀静压；
推进系统欠压自主管理方法：对贮箱进行增压；
姿控管路超压自主管理方法：对姿控管路进行泄压。
上述适用于火星探测中推进系统的自主管理方法，优选的，姿控推力器泄漏自主管理方法为：将当前推力器对应的液路流量自锁阀关闭，仅采用其他推力器工作。
上述适用于火星探测中推进系统的自主管理方法，优选的，在采用姿控推力器泄漏自主管理方法时，对轨控管路超压、减压阀静压超压、推进系统欠压、姿控管路超压的故障处理均停止，且对轨控管路超压、减压阀静压超压、推进系统欠压、姿控管路超压进行故障处理涉及的阀门均关闭。
上述适用于火星探测中推进系统的自主管理方法，优选的，当同时发生轨控管路超压、减压阀静压超压、推进系统欠压、姿控管路超压中的两种及以上情况时，按轨控管路超压、减压阀静压超压、推进系统欠压、姿控管路超压的顺序依次进行故障处理。
上述适用于火星探测中推进系统的自主管理方法，优选的，采用压力传感器监测环绕器的推进系统，对于轨控管路超压或减压阀静压超压或推进系统欠压或姿控管路超压故障，仅当连续M个采样周期均满足某一故障条件时，判定发生相应故障；M取大于等于3的正整数。
上述适用于火星探测中推进系统的自主管理方法，优选的，采用轨控管路超压自主管理方法或减压阀静压超压自主管理方法或推进系统欠压自主管理方法或姿控管路超压自主管理方法之一处理故障时，该方法涉及的动作连续循环执行N次；N取大于等于3的正整数。
上述适用于火星探测中推进系统的自主管理方法，优选的，采用轨控管路超压自主管理方法或减压阀静压超压自主管理方法或推进系统欠压自主管理方法或姿控管路超压自主管理方法之一处理故障后，如果相应的故障仍存在，判定监测相应故障的压力传感器异常，停止执行相应故障的自主管理方法。
一种适用于火星探测中推进系统的自主管理系统，采用压力传感器监测环绕器的推进系统，包括姿控推力器泄漏自主管理模块、轨控管路超压自主管理模块、减压阀静压超压自主管理模块、推进系统欠压自主管理模块、姿控管路超压自主管理模块；
所述姿控推力器泄漏自主管理模块用于将当前推力器切换为其他推力器；
所述轨控管路超压自主管理模块用于对轨控管路上的阀门进行开关动作；
所述减压阀静压超压自主管理模块用于通过气路压力平衡降低减压阀静压；
所述推进系统欠压自主管理模块用于对贮箱进行增压；
所述姿控管路超压自主管理模块用于对姿控管路进行泄压；
其中所述姿控推力器泄漏自主管理模块的优先级最高，其他四个模块的优先级相同且按故障发生的时间先后顺序依次进行故障处理。
上述适用于火星探测中推进系统的自主管理系统，优选的，所述姿控推力器泄漏自主管理模块用于将当前推力器对应的液路流量自锁阀关闭，仅采用其他推力器工作。
上述适用于火星探测中推进系统的自主管理系统，优选的，当所述姿控推力器泄漏自主管理模块工作时，其他四个模块进行故障处理涉及的阀门均关闭。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明方法避免了由于测控信号延迟，无法及时处理推进系统故障的问题；
(2)本发明方法提高了火星探测全过程的推进系统的安全性和可靠性。
附图说明
图1为一种适用于火星探测器推进系统的自主管理方法的软件实现流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
一种适用于火星探测中推进系统的自主管理方法，采用压力传感器监测环绕器的推进系统，将推进系统的故障分为姿控推力器泄漏、轨控管路超压、减压阀静压超压、推进系统欠压、姿控管路超压；发生上述故障时分别采用姿控推力器泄漏自主管理方法、轨控管路超压自主管理方法、减压阀静压超压自主管理方法、推进系统欠压自主管理方法、姿控管路超压自主管理方法进行故障处理；其中姿控推力器泄漏的故障处理的优先级最高，其他四种故障处理的优先级相同且按故障发生的时间先后顺序依次进行故障处理；即当同时发生轨控管路超压、减压阀静压超压、推进系统欠压、姿控管路超压中的两种及以上情况时，按轨控管路超压、减压阀静压超压、推进系统欠压、姿控管路超压的顺序依次进行故障处理。
姿控推力器泄漏自主管理方法为：将当前推力器对应的液路流量自锁阀关闭，仅采用其他推力器工作。在采用姿控推力器泄漏自主管理方法时，对轨控管路超压、减压阀静压超压、推进系统欠压、姿控管路超压的故障处理均停止，且对轨控管路超压、减压阀静压超压、推进系统欠压、姿控管路超压进行故障处理涉及的阀门均关闭。
轨控管路超压自主管理方法：对轨控管路上的阀门进行开关动作；
减压阀静压超压自主管理方法：通过气路压力平衡降低减压阀静压；
推进系统欠压自主管理方法：对贮箱进行增压；
姿控管路超压自主管理方法：对姿控管路进行泄压。
采用压力传感器监测环绕器的推进系统，对于轨控管路超压或减压阀静压超压或推进系统欠压或姿控管路超压故障，仅当连续M个采样周期均满足某一故障条件时，判定发生相应故障；M取大于等于3的正整数。
采用轨控管路超压自主管理方法或减压阀静压超压自主管理方法或推进系统欠压自主管理方法或姿控管路超压自主管理方法之一处理故障时，该方法涉及的动作连续循环执行N次；N取大于等于3的正整数。
采用轨控管路超压自主管理方法或减压阀静压超压自主管理方法或推进系统欠压自主管理方法或姿控管路超压自主管理方法之一处理故障后，如果相应的故障仍存在，判定监测相应故障的压力传感器异常，停止执行相应故障的自主管理方法。
一种适用于火星探测中推进系统的自主管理系统，采用压力传感器监测环绕器的推进系统，包括姿控推力器泄漏自主管理模块、轨控管路超压自主管理模块、减压阀静压超压自主管理模块、推进系统欠压自主管理模块、姿控管路超压自主管理模块；
所述姿控推力器泄漏自主管理模块用于将当前推力器切换为其他推力器；
所述轨控管路超压自主管理模块用于对轨控管路上的阀门进行开关动作；
所述减压阀静压超压自主管理模块用于通过气路压力平衡降低减压阀静压；
所述推进系统欠压自主管理模块用于对贮箱进行增压；
所述姿控管路超压自主管理模块用于对姿控管路进行泄压；
其中所述姿控推力器泄漏自主管理模块的优先级最高，其他四个模块的优先级相同且按故障发生的时间先后顺序依次进行故障处理。
实施例：
一种适用于火星探测中推进系统基于压力监控的长期自主管理方法，如图1所示，根据推进系统的压力实时监控值，自主判别推进系统阀门出现的故障类别，自主按照故障处理优先级执行相应的解决方案。具体如下：
S1、推进自主管理包括A轨控管路自主泄压策略(即轨控管路超压自主管理方法)、B减压阀静压爬升处置(即减压阀静压超压自主管理方法)、C推进分系统欠压处置(即推进系统欠压自主管理方法)、D姿控管路自主泄压策略(即姿控管路超压自主管理方法)及E姿控推力器泄漏故障自主管理(即姿控推力器泄漏自主管理方法)。所有自主管理功能须在满足特定推进系统的工作模式下，由地面注数开启。
S2、首先执行E姿控推力器泄漏故障自主管理的使能条件判断，优先处理。再按照时间先后顺序依次执行A轨控管路自主泄压策略、B减压阀静压爬升处置、C推进分系统欠压处置、D姿控管路自主泄压策略的使能条件判断。若A\B\C\D其中一种自主管理满足使能条件，触发该自主管理功能，则停止A\B\C\D中其他模式的使能条件判断。即这四种自主管理互斥。若在某个控制周期内触发了E姿控推力器泄漏故障自主管理，则中断A\B\C\D自主管理项目。优先执行E姿控推力器泄漏故障自主管理。然后发送之前中断的A\B\C\D推进自主管理操作的关阀门指令，禁止A\B\C\D推进自主管理功能。
S3、E姿控推力器泄漏故障自主管理：若主份推力器中一台或多台出现故障，则自主关闭主份推力器对应的液路小流量自锁阀LV11和LV12，仅采用备份推力器工作。若备份推力器中一台或多台出现故障，则自主关闭备份推力器对应的液路小流量自锁阀LV13和LV14，仅采用主份推力器工作。如主备份推力器中均有推力器出现故障，则自主打开备份推力器对应的小流量自锁阀LV13和LV14，默认采用备份推力器工作。最后若执行姿控推力器泄漏故障自主管理前，正在执行S4～S7中某一种自主管理策略，则将该策略涉及的阀门关闭。禁止推进自主管理功能。
S4、A轨控管路自主泄压策略：地面允许轨控管路自主泄压，软件自主对轨控密闭管路氧路和燃路压力传感器P7和P8采集值进行超压判断。连续三个取样周期均超过设定的阈值，则将触发轨控管路自主泄压策略，对轨控管路上的阀门LV7～LV10进行开关动作，其中LV7和LV9为轨控氧路管路阀门，LV8和LV10为轨控燃路阀门。所有阀门的开关动作都是连续执行3次，同类型阀门按序号顺序发三次。若执行三次泄压策略后，该压力传感器仍连续三个取样周期均超过设定的阈值，则判定该压力传感器故障，禁止轨控管路自主泄压功能。
S5、B减压阀静压爬升处置策略：地面允许减压阀静压爬升处置，软件自主对减压阀下游出口压力传感器P2进行超压判断。连续三个取样周期均超过设定的阈值，则将触发减压阀静压爬升处置。关闭高压自锁阀LV1、LV2，打开气路小流量自锁阀LV3～LV6进行低压气路压力平衡，200s后再关闭气路小流量自锁阀LV3～LV6。所有自锁阀的开关动作都是连续执行3次，同类型阀门按序号顺序发三次。若执行三次减压阀静压爬升处置后，该压力传感器仍连续三个取样周期均超过设定的阈值，则判定该压力传感器故障，禁止减压阀静压爬升处置。
S6、C推进系统欠压处置策略：地面允许欠压处置，软件自主对推进分系统贮箱下游的四个压力传感器P3～P6进行四取三取样处理，若压力传感器四取三取样值连续三个取样周期取样结果均小于目标判据，则触发欠压处置。打开高压自锁阀LV1、LV2和气路小流量自锁阀LV3～LV6进行贮箱增压，200s后再关闭高压自锁阀LV1、LV2和气路小流量自锁阀LV3～LV6。若欠压处置方案触发三次后，续三个取样周期四个压力传感器四取三取样值仍小于目标判据，则认为压力传感器故障，禁止推进分系统欠压处置功能。
S7、D姿控管路自主泄压策略：地面允许姿控管路自主泄压，软件自主对姿控管路的四个压力传感器P9～P12进行采集值进行超压判断。连续三个取样周期某一个压力传感器的采集值均超过设定的阈值，则将触发姿控管路自主泄压策略。打开该压力传感器对应姿控管路小流量自锁阀LV11～LV14(依次对应姿控管路的四个压力传感器P9～P12)进行泄压操作，10s后再关闭小流量自锁阀LV11～LV14，进入下一个判断周期。若泄压操作触发三次后该压力传感器采集值仍然超压，则认为该压力传感器故障，禁止姿控管路自主泄压功能。
推进自主管理方法，包括5个策略。推进系统大推力发动机轨控结束后，允许执行轨控管路自主泄压策略。推进分系统落压工作期间，允许执行减压阀静压爬升处置和推进分系统欠压处置。在长期飞行过程中，当推进分系统关闭姿控管路小流量自锁阀期间，允许执行姿控管路自主泄压策略。推进分系统落压工作期间，须进行姿控推力器泄露故障自主管理。
所述的步骤S2中，每个控制周期内，E姿控推力器泄漏故障自主管理优先级最高，优先判断，一旦触发，则中断之前已触发的A\B\C\D自主管理项目，关闭A\B\C\D推进自主管理的地面启动开关。等待地面确认已排除姿控推力器泄漏故障后再开启A\B\C\D的使能判断。
所述的步骤S2中，触发E姿控推力器泄漏故障自主管理后，可能会打断之前正在执行的A\B\C\D推进自主管理。根据推进自主管理的模式标志判别被打断自主管理项目为A\B\C\D中哪一项，补发该项目涉及的阀门关闭操作，确保推进系统的安全。
所述的步骤S2中，判断E的使能条件后，若未触发E，则依次判断A轨控管路自主泄压策略、B减压阀静压爬升处置、C推进分系统欠压处置、D姿控管路自主泄压策略的使能条件。一旦其中一项满足使能条件触发了该自主管理策略，则对推进自主管理的模式标志进行赋值。若推进自主管理的模式标志非零，即表示正在执行某一项阀门处理，停止继续判断其他项目。即这四项自主管理方法互斥。哪一项优先触发则优先执行，执行完所有的阀门操作后，将推进自主管理的模式标志清零后，继续判断其他的推进自主管理项目。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种适用于火星探测中推进系统的自主管理方法，采用压力传感器监测环绕器的推进系统，其特征在于，将推进系统的故障分为姿控推力器泄漏、轨控管路超压、减压阀静压超压、推进系统欠压、姿控管路超压；发生上述故障时分别采用姿控推力器泄漏自主管理方法、轨控管路超压自主管理方法、减压阀静压超压自主管理方法、推进系统欠压自主管理方法、姿控管路超压自主管理方法进行故障处理；其中姿控推力器泄漏的故障处理的优先级最高，其他四种故障处理的优先级相同且按故障发生的时间先后顺序依次进行故障处理；
姿控推力器泄漏自主管理方法为：将当前推力器切换为其他推力器；
轨控管路超压自主管理方法：对轨控管路上的阀门进行开关动作；
减压阀静压超压自主管理方法：通过气路压力平衡降低减压阀静压；
推进系统欠压自主管理方法：对贮箱进行增压；
姿控管路超压自主管理方法：对姿控管路进行泄压。
2.根据权利要求1所述的一种适用于火星探测中推进系统的自主管理方法，其特征在于，姿控推力器泄漏自主管理方法为：将当前推力器对应的液路流量自锁阀关闭，仅采用其他推力器工作。
3.根据权利要求2所述的一种适用于火星探测中推进系统的自主管理方法，其特征在于，在采用姿控推力器泄漏自主管理方法时，对轨控管路超压、减压阀静压超压、推进系统欠压、姿控管路超压的故障处理均停止，且对轨控管路超压、减压阀静压超压、推进系统欠压、姿控管路超压进行故障处理涉及的阀门均关闭。
4.根据权利要求1所述的一种适用于火星探测中推进系统的自主管理方法，其特征在于，当同时发生轨控管路超压、减压阀静压超压、推进系统欠压、姿控管路超压中的两种及以上情况时，按轨控管路超压、减压阀静压超压、推进系统欠压、姿控管路超压的顺序依次进行故障处理。
5.根据权利要求1～4之一所述的一种适用于火星探测中推进系统的自主管理方法，其特征在于，采用压力传感器监测环绕器的推进系统，对于轨控管路超压或减压阀静压超压或推进系统欠压或姿控管路超压故障，仅当连续M个采样周期均满足某一故障条件时，判定发生相应故障；M取大于等于3的正整数。
6.根据权利要求1～4之一所述的一种适用于火星探测中推进系统的自主管理方法，其特征在于，采用轨控管路超压自主管理方法或减压阀静压超压自主管理方法或推进系统欠压自主管理方法或姿控管路超压自主管理方法之一处理故障时，该方法涉及的动作连续循环执行N次；N取大于等于3的正整数。
7.根据权利要求1～4之一所述的一种适用于火星探测中推进系统的自主管理方法，其特征在于，采用轨控管路超压自主管理方法或减压阀静压超压自主管理方法或推进系统欠压自主管理方法或姿控管路超压自主管理方法之一处理故障后，如果相应的故障仍存在，判定监测相应故障的压力传感器异常，停止执行相应故障的自主管理方法。
8.一种适用于火星探测中推进系统的自主管理系统，采用压力传感器监测环绕器的推进系统，其特征在于，包括姿控推力器泄漏自主管理模块、轨控管路超压自主管理模块、减压阀静压超压自主管理模块、推进系统欠压自主管理模块、姿控管路超压自主管理模块；
所述姿控推力器泄漏自主管理模块用于将当前推力器切换为其他推力器；
所述轨控管路超压自主管理模块用于对轨控管路上的阀门进行开关动作；
所述减压阀静压超压自主管理模块用于通过气路压力平衡降低减压阀静压；
所述推进系统欠压自主管理模块用于对贮箱进行增压；
所述姿控管路超压自主管理模块用于对姿控管路进行泄压；
其中所述姿控推力器泄漏自主管理模块的优先级最高，其他四个模块的优先级相同且按故障发生的时间先后顺序依次进行故障处理。
9.根据权利要求8所述的一种适用于火星探测中推进系统的自主管理系统，其特征在于，所述姿控推力器泄漏自主管理模块用于将当前推力器对应的液路流量自锁阀关闭，仅采用其他推力器工作。
10.根据权利要求8所述的一种适用于火星探测中推进系统的自主管理系统，其特征在于，当所述姿控推力器泄漏自主管理模块工作时，其他四个模块进行故障处理涉及的阀门均关闭。
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| CN202010128944.2A Active CN111319798B (zh) | 2020-02-28 | 2020-02-28 | 一种适用于火星探测中推进系统的自主管理方法 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112083645A (zh) * | 2020-07-30 | 2020-12-15 | 上海航天控制技术研究所 | 一种推力器冗余模式管理及故障屏蔽与自主恢复方法 |
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2020
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Patent Citations (6)
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| CN114455102A (zh) * | 2022-01-25 | 2022-05-10 | 上海卫星工程研究所 | 深空探测器双组元推力器在轨泄漏自主处理方法及系统 |
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