CN113148235B - 一种并联布置贮箱卫星横向质心调整方法 - Google Patents
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Abstract
一种并联布置贮箱卫星横向质心调整方法，通过设计并联贮箱卫星不同贮箱内推进剂的加注重量，在完成航天器推进剂加注的同时，无需额外增加配重块，实现航天器发射状态整星横向质心的调整，利用同种推进剂贮箱加注重量差，实现整星零配重横向质心调整策略，能够有效提高航天器的载荷承载能力，具有较强的工程应用价值和前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种并联布置贮箱卫星横向质心调整方法，属于航天器质心调整领域。
背景技术
质心是航天器重要的质量特性，将直接影响航天器的发射以及在轨性能，甚至整个任务的成败。一方面，为了减小火箭发射段干扰力矩，确保发射成功，在设计阶段，运载火箭会对航天器横向质心提出明确的要求；另一方面，对于需要在轨变轨和位置保持的航天器，横向质心直接影响轨道控制时引入的姿态干扰力矩，进而影响航天器的控制性能和推进剂消耗量。
运载火箭对航天器质心约束主要考虑减小火箭发射段的干扰力矩，要求卫星横向质心相对原点偏差小于一定范围，同时考虑减小卫星在变轨段轨控发动机点火引入的姿态干扰力矩，通常采取以下措施使得卫星初始质心尽量在原点附近：在设计阶段，通过航天器构型和仪器设备布局优化设计，使航天器质心尽量满足要求；在推进剂加注前，对航天器进行质测，根据测量结果采用增加配重块的策略，对航天器横向质心进行最终调整。
采用在航天器适当位置配置配重块的质心调整方法简单有效，但是会额外增加航天器的呆重，从而降低了航天器的承载效率。以高轨大型通信卫星为例，为将整星质心调整至理想位置，需要额外增加数千克至数十千克的配重重量。若实现零配重质心调整，将上述重量转化为有效载荷重量，将直接带来非常可观的经济效益。
随着高轨卫星大型化、分舱模块化以及多载荷适应化发展，包括美国波音公司的BSS-702平台在内的多种高轨卫星平台都采用了4个并联布置推进剂贮箱的布局方案。为了满足整星质心的设计要求，一般同种推进剂的2个贮箱相对整星纵轴对称安装。此时，同种推进剂贮箱内的推进剂加注量差将直接影响卫星横向质心位置。并联布置贮箱卫星质心控制较之采用串联贮箱的卫星更为复杂。
文献[1]“陈晓杰.并联平铺贮箱卫星在AIT阶段的横向质心高精度保证方法.CN201610957694.7”与文献[2]“陈晓杰,董瑶海,陆国平,等.高轨并联平铺贮箱卫星的高精度推进剂加注方法.CN201610957716.X”从提高卫星质心确定精度的角度，针对高轨并联贮箱卫星，分别提出了一种高精度质心确定方案和一种推进剂加注的具体方法。但均未利用并联贮箱推进剂加注量对整星横向质心的调整能力，设计整星质心调整策略。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，现有质心确定方法通过配重块进行调整容易出现的承载效率低、利用高精度控制卫星质心的方法均未利用并联贮箱推进剂加注量对整星横向质心的调整能力的问题，提出了一种并联布置贮箱卫星横向质心调整方法。
本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
一种并联布置贮箱卫星横向质心调整方法，具体步骤如下：
(1)获取各推进剂贮箱安装位置坐标，所述推进剂贮箱包括第一氧箱、第二氧箱、第一燃箱、第二燃箱，各推进剂贮箱安装位置坐标即各推进剂贮箱质心位置坐标；
(2)对加注推进剂前整星进行质量特性测试，获取加注推进剂前整星初始质量，并获取整星横向初始质心位置坐标；
(3)对加注推进剂后整星质量进行确定，同时卫星发射前确定推进剂加注总量；
(4)确定推进剂贮箱的推进剂最大填充比，同时计算当卫星进入轨道转移段并消耗部分推进剂后，推进剂贮箱的推进剂最小填充比及变轨过程中消耗的推进剂于贮箱内占比；
(5)根据步骤(4)所得数据计算第一氧箱、第二氧箱总质心位置的调整距离，同时计算第一燃箱、第二燃箱总质心位置的调整距离；
(6)根据步骤(2)所得整星横向初始质心位置坐标、步骤(5)所得氧箱总质心调整距离、燃箱总质心调整距离获取整星质心调整范围，判断发射状态下整星横向质心位置坐标是否在整星质心调整范围内，若在调整范围内，则根据步骤(3)确定的推进剂加注总量确定各贮箱推进剂加注量；若不在调整范围内，则额外增加配重块进行质心调整。
所述步骤(4)中，当卫星进入轨道转移段并消耗部分推进剂后，推进剂贮箱的推进剂最小填充比的计算方法如下：
式中，λmin变轨段贮箱推进剂最小填充比，mmin为变轨段单个燃箱允许的最小推进剂量，ρf为燃烧剂的密度，Vt为单个贮箱的标称容积；
所述步骤(4)中，变轨过程中消耗的推进剂于贮箱内占比的计算方法为：
式中，ms为卫星变轨过程中消耗的总推进剂重量，η为化学推进系统混合比。
所述步骤(5)中，第一氧箱、第二氧箱总质心位置的调整距离的计算方法为：
式中，ΔRo为第一氧箱、第二氧箱总质心位置的最大调整距离，Mt为卫星发射重量，mt为推进剂总加注质量，ρo为氧化剂密度，r为贮箱安装位置到坐标原点的距离，λmax为贮箱最大填充比。
所述步骤(5)中，第一燃箱、第二燃箱总质心位置的调整距离的计算方法为：
式中，ΔRf为第一燃箱、第二燃箱总质心位置的调整距离，ρf为氧化剂密度。
所述步骤(6)中，所述整星质心调整范围的确定方法具体为：
以步骤(5)所得氧箱质心调整距离、燃箱质心调整距离作为二分之一长边及二分之一宽边，以步骤(2)所得整星横向初始质心位置坐标(x0，y0)作为中心，获取形状为平行四边形的卫星质心调整范围。
所述各贮箱推进剂加注量的计算方法为：
式中，mo1为第一氧箱加注氧化剂重量，mo2为第二氧箱加注氧化剂重量，mf1为第一燃箱加注燃烧剂重量，mf2为第二燃箱加注燃烧剂重量，M0为卫星加注前重量，(xd，yd)为加注后卫星发射横向质心，(xo1，yo1)为第一氧箱的横向坐标，(xo2，yo2)为第二氧箱的横向坐标，(xf1，yf1)为第一燃箱的横向坐标，(xf2，yf2)为第二燃箱的横向坐标。
所述步骤(6)中，若发射状态下整星横向质心位置坐标不在整星质心调整范围内，可通过额外增加配重块实现质心调整，将加注后卫星发射横向质心调整至卫星质心调整范围内。
额外增加配重块实现质心调整的具体方法为：
先通过推进剂加注调整加注后质心位置到距离加注后卫星发射横向质心直线距离最近处，该处坐标位置为(xd1，yd1)，在通过配置配重块将质心最终调整到(xd，yd)。
所述推进剂总加注质量不可改变。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明提供的一种并联布置贮箱卫星横向质心调整方法，通过并联布置推进剂贮箱内推进剂加注量来调整整星加注后的横向质心位置，实现整星零配重，有效提高卫星的承载能力，能够通过并联贮箱推进剂加注量的设计，实现了整星零配重横向质心配置，为整星节省配重重量，有效提高有效载荷承载效率，整星载干比相比现有技术有所提高。
附图说明
图1为发明提供的并联贮箱布局示意图；
图2为发明提供的横向质心调整范围示意图；
具体实施方式
一种并联布置贮箱卫星横向质心调整方法，通过设计并联贮箱卫星不同贮箱内推进剂的加注重量，在完成航天器推进剂加注的同时，无需额外增加配重块，实现航天器发射状态整星横向质心的调整，具体步骤如下：
(1)获取各推进剂贮箱安装位置坐标，所述推进剂贮箱包括第一氧箱、第二氧箱、第一燃箱、第二燃箱，各推进剂贮箱安装位置坐标即各推进剂贮箱质心位置坐标；
其中，根据卫星构型布局设计，获取4个推进剂贮箱中心点的横向坐标。其中第一氧箱的横向坐标为(xo1，yo1)，第二氧箱的横向坐标为(xo2，yo2)，第一燃箱的横向坐标为(xf1，yf1)，第二燃箱的横向坐标为(xf2，yf2)。即xo1，xo2，xf1，xf2可以描述各贮箱内已加注推进剂在X向的质心坐标，yo1，yo2，yf1，yf2可以描述各贮箱内已加注推进剂在Y向的质心坐标。
(2)对加注推进剂前整星进行质量特性测试，获取加注推进剂前整星初始质量，并获取整星横向初始质心位置坐标；
其中，加注推进剂前整星初始质量为M0，整星横向初始质心位置坐标为(x0，y0)；
(3)根据卫星加注前质量特性测试结果，确定卫星发射重量与推进剂加注总量；
其中，卫星发射重量为Mt，推进剂总加注质量为mt；
(4)确定推进剂贮箱的推进剂最大填充比，同时计算当卫星进入轨道转移段并消耗部分推进剂后，推进剂贮箱的推进剂最小填充比及变轨过程中消耗的推进剂于贮箱内占比；
其中，当卫星进入轨道转移段并消耗部分推进剂后，推进剂贮箱的推进剂最小填充比的计算方法如下：
式中，λmin变轨段贮箱推进剂最小填充比，mmin为变轨段单个燃箱允许的最小推进剂量，ρf为燃烧剂的密度，Vt为单个贮箱的标称容积；
而在变轨过程中消耗的推进剂于贮箱内占比的计算方法为：
式中，λs为卫星变轨过程中消耗的推进剂对于贮箱的占比，ms为卫星变轨过程中消耗的推进剂总重量，η为化学推进系统混合比，标称状态下取为1.65；
(5)根据步骤(4)所得数据计算第一氧箱、第二氧箱总质心位置的最大调整距离，同时计算第一燃箱、第二燃箱总质心位置的最大调整距离；
其中，第一氧箱、第二氧箱总质心位置的调整距离的计算方法为：
式中，ΔRo为第一氧箱、第二氧箱总质心位置的最大调整距离，ρo为氧化剂密度，r为贮箱安装位置到整星机械坐标系Z轴的距离；
第一燃箱、第二燃箱总质心位置的最大调整距离的计算方法为：
式中，ΔRf为第一燃箱、第二燃箱总质心位置的最大调整距离；
(6)根据步骤(2)所得整星横向初始质心位置坐标、步骤(5)所得氧箱总质心调整距离、燃箱总质心调整距离获取整星质心调整范围，判断发射状态下整星横向质心位置坐标是否在整星质心调整范围内，若在调整范围内，则进入步骤(7)根据步骤(3)所得推进剂加注总量确定各贮箱推进剂加注量；若不在调整范围内，则不能直接应用该方法，需要增加部分配重块，额外增加配重块进行质心调整；
其中，推进剂总加注质量不可改变，整星加注后发射状态期望横向质心位置为(xd，yd)，满足运载火箭对卫星横向质心的偏差要求
其中R为运载的约束。通常情况下，步骤(5)所得的质心调整范围与运载约束形成的以原点为圆心的圆有交集，亦即能确保存在(xd，yd)在质心调整范围内。对于某些特殊情况，如推进剂加注量接近贮箱最大填充比时，会出现整星横向质心位置(xd，yd)不在质心调整范围内，此时无法实现零配重质心调整，但是仍然可以通过先通过推进剂加注调整加注后质心位置到(xd1，yd1)，再通过配置配重块将质心最终调整到(xd，yd)。其中，(xd1，yd1)为质心调整范围离(xd，yd)直线最近的点，通过上述操作，仍然可以最大限度减少配重块质量；
(7)计算卫星发射前，各贮箱推进剂加注量；
各贮箱推进剂加注量的计算方法为：
式中，mo1为第一氧箱加注氧化剂重量，mo2为第二氧箱加注氧化剂重量，mf1为第一燃箱加注燃烧剂重量，mf2为第二燃箱加注燃烧剂重量。
下面结合具体实施例进行进一步说明：
以配置4个大型推进剂贮箱的卫星为实施例，具体步骤如下：
(1)获取推进剂贮箱安装位置，如图1所示，4个贮箱安装在直径为2000mm的对接环上，4个并联贮箱安装坐标分别为：第一氧箱(-600mm,800mm)；第二氧箱(600mm，-800mm)；第一燃箱(600mm,800mm)；第二燃箱(-600mm，-800mm)。
(2)获取卫星加注前的质量特性。在化学推进剂加注前，经过质测卫星质量M0为4015kg，初始质心(x0，y0)为(-4.87mm，-20mm)。
(3)确定卫星发射重量与推进剂总加注量。根据整星重量预算卫星总重Mt为7600kg，推进剂总加注量mt为3575kg。
(4)单个贮箱最大容积为900L，推进剂贮箱最大填充比为95％，单个贮箱推进剂贮箱内变轨后最少含1.5％的推进剂，亦即变轨后推进剂贮箱的最小填充比为1.5％，卫星变轨消耗推进剂总量为3100kg。
氧化剂的密度为1.452g/cm2，燃烧剂密度为0.8768g/cm2。经计算加注时，卫星变轨过程中消耗的推进剂对于贮箱的占比λs为74.12％。
进而计算得到质心调整距离ΔRo为32.74mm，ΔRf为19.78mm。
(5)如图2所示，根据质心调整距离ΔRo、ΔRf确定调整范围，同时确定发射状态整星横向质心是否在调整范围内。运载火箭对卫星横向质心要求为(△X2+△Y2)1/2≤10mm，综合考虑运载火箭对卫星质心约束以及变轨发动机干扰力矩等影响，期望通过质心配平后的质心横向位置(xd，yd)为(-2mm，-3mm),通过计算加注后的质心卫星在质心调整范围内，可以通过另配重横向质心调整方法对质心进行调整。
(6)确定各贮箱加注量。四个推进剂贮箱的推进剂加注量mo1＝1129.1kg,mo2＝1096.8kg,mf1＝694.31kg,mf2＝654.75kg。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
Claims (1)
1.一种并联布置贮箱卫星横向质心调整方法，其特征在于：
(1)获取各推进剂贮箱安装位置坐标，所述推进剂贮箱包括第一氧箱、第二氧箱、第一燃箱、第二燃箱，各推进剂贮箱安装位置坐标即各推进剂贮箱质心位置坐标；
(2)对加注推进剂前整星进行质量特性测试，获取加注推进剂前整星初始质量，并获取整星横向初始质心位置坐标；
(3)对加注推进剂后整星质量进行确定，同时卫星发射前确定推进剂加注总量；
(4)确定推进剂贮箱的推进剂最大填充比，同时计算当卫星进入轨道转移段并消耗部分推进剂后，推进剂贮箱的推进剂最小填充比及变轨过程中消耗的推进剂于贮箱内占比；
(5)根据步骤(4)所得数据计算第一氧箱、第二氧箱总质心位置的调整距离，同时计算第一燃箱、第二燃箱总质心位置的调整距离；
(6)根据步骤(2)所得整星横向初始质心位置坐标、步骤(5)所得氧箱总质心调整距离、燃箱总质心调整距离获取整星质心调整范围，判断发射状态下整星横向质心位置坐标是否在整星质心调整范围内，若在调整范围内，则根据步骤(3)确定的推进剂加注总量确定各贮箱推进剂加注量；若不在调整范围内，则额外增加配重块进行质心调整；
所述步骤(4)中，当卫星进入轨道转移段并消耗部分推进剂后，推进剂贮箱的推进剂最小填充比的计算方法如下：
式中，λmin变轨段贮箱推进剂最小填充比，mmin为变轨段单个燃箱允许的最小推进剂量，ρf为氧化剂的密度，Vt为单个贮箱的标称容积；
所述步骤(4)中，变轨过程中消耗的推进剂于贮箱内占比的计算方法为：
式中，ms为卫星变轨过程中消耗的总推进剂重量，η为化学推进系统混合比；
所述步骤(5)中，第一氧箱、第二氧箱总质心位置的调整距离的计算方法为：
式中，ΔRo为第一氧箱、第二氧箱总质心位置的最大调整距离，Mt为卫星发射重量，mt为推进剂总加注质量，ρo为氧化剂密度，r为贮箱安装位置到坐标原点的距离，λmax为贮箱最大填充比；
所述步骤(5)中，第一燃箱、第二燃箱总质心位置的调整距离的计算方法为：
式中，ΔRf为第一燃箱、第二燃箱总质心位置的调整距离，ρf为燃烧剂密度；
所述步骤(6)中，所述整星质心调整范围的确定方法具体为：
以步骤(5)所得氧箱质心调整距离、燃箱质心调整距离作为二分之一长边及二分之一宽边，以步骤(2)所得整星横向初始质心位置坐标(x0，y0)作为中心，获取形状为平行四边形的卫星质心调整范围；
所述各贮箱推进剂加注量的计算方法为：
式中，mo1为第一氧箱加注氧化剂重量，mo2为第二氧箱加注氧化剂重量，mf1为第一燃箱加注燃烧剂重量，mf2为第二燃箱加注燃烧剂重量，M0为卫星加注前重量，(xd，yd)为加注后卫星发射横向质心，(xo1，yo1)为第一氧箱的横向坐标，(xo2，yo2)为第二氧箱的横向坐标，(xf1，yf1)为第一燃箱的横向坐标，(xf2，yf2)为第二燃箱的横向坐标；
所述步骤(6)中，若发射状态下整星横向质心位置坐标不在整星质心调整范围内，可通过额外增加配重块实现质心调整，将加注后卫星发射横向质心调整至卫星质心调整范围内；
额外增加配重块实现质心调整的具体方法为：
先通过推进剂加注调整加注后质心位置到距离加注后卫星发射横向质心直线距离最近处，该处坐标位置为(xd1，yd1)，在通过配置配重块将质心最终调整到(xd，yd)；
所述推进剂总加注质量不可改变。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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