JPH03239923A - 燃料測定方法およびシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、航行体推進システムにに関するものであり
、特に宇宙空間航行体中に残っている燃料の量を測定す
る方法およびシステムに関するものである。

この発明はここでは特定の応用に対する実施例を参照に
して記載されているが、それに限定されるものではない
ことを理解すべきである。この明細書の説明により当業
者にはこの発明の技術的範囲にある多くの付加的な適用
、変形、および実施聾様を認識できるであろう。

［従来の技術］ 宇宙空間航行体中に残っている燃料の量は使命を遂行す
る寿命、すなわちその宇宙空間航行体が宇宙空間中で所
望のステーション、位置、および、または方向を維持す
ることのできる時間を決定する重要なファクターである
。したがって使命を遂行する全寿命にわたって１つの軌
道宇宙空間航行体中に残っている燃料の量を正確に測定
することは置換計画のために重要なことである。

通常の人工衛星では燃料容器の出口方向に燃料に圧力を
与えるガス加圧体がしばしば使用されているので、従来
の燃料測定技術のあるものではガス加圧体と共同する圧
力の変化を測定するセンサが使用されている。この様な
間接測定技術は簡単な計算により残留燃料の量を与える
。

［発明の解決すべき課題］ 残念ながら大型のシステムでは加圧体の圧力の変化は使
命の全寿命にわたって充分に正確な測定を行うには小さ
過ぎる。さらに使命の寿命の終り近くでは容器の容積が
実質上加圧体で満たされるとき差の圧力変化は小さく検
出が困難である。したかって、これらのシステムは測定
の正確度が最も重要である使命の終り付近で最も正確度
か低くなる傾向がある。したがって通常の間接燃料測定
技術の性能は現在は満足すべきものとはほど遠いもので
ある。

多数の直接燃料測定技術が知られているが、これらの技
術もまた一般的には満４足すべきものではないことが認
められている。直接燃料測定技術には音響的、光学的、
機械的技術、および放射線技術によるものが含まれてい
る。音響的技術では音響処理が行うために音響発生器が
燃料タンクを貫通している。音響システムは高価になる
傾向かあり、この方法の主要な欠点は音響装置を溶接ま
たは機械的にタンクに取付けるためタンクの一体性が損
なわれることである。

燃料タンクの不所望な貫通は光学的および機械的技術に
おいても一般に必要である。さらに機械的技術（例えば
フロートを使用するシステム）は発射の際の振動の影響
を受ける傾向かある。したかって較正が問題であり、フ
ロートはしばしば使用される円錐球状タンク中では一般
に扱いにくいものである。

放射線技術は安全性および処理の問題かあり、そのため
通常の技術と比較して一般的に好ましくないものである
。

それ故、使命の終り付近で正確度の高い信頼性のある廉
価な人工衛星燃料測定技術が必要とされている。

［５局解決のための手段］ この目的は、この発明の測定技術によって達成される。

この発明の測定方法は、ａ）タンク中に既知の量の熱エ
ネルギを結合し、ｂ）この既知の量の熱エネルギ入力に
応答するタンク中の液体の温度の時間的変化率ｄＴ／ｄ
ｔを測定し、Ｃ）液体の測定された温度の時間的変化率
の関数として液体の質量ｍを計算することを特徴とする
。この発明の方法の特定の実施態様においては、タンク
の質量を補償する過程を含んでいる。

特定の実施態様においては、この発明の装置はタンク中
に既知の量の熱エネルギを結合するために選択的に付勢
可能な電気加熱素子と、この既知の量の熱エネルギに応
答する液体の温度の時間的変化率ｄＴ／ｄｔを測定する
センサと、液体の測定された温度の時間的変化率の関数
としてタンク中の液体の質量ｍを計算するためのプロセ
ッサとを具備している。この発明は、タンク中の液体の
質量ｍを計算するために既知の量の熱エネルギに応答す
る液体の温度の時間的変化率を表す信号を送信するもの
である。

添付図面を参照にして以下この発明の′実施例を詳細に
説明する。

［実施例］ 人工衛星に搭載されている残留燃料を正確に決定するこ
とは軌道の寿命を予測するために必要である。従来の加
圧体ガス（Ｎ　２またはＨｅ）の圧力の測定は十分に正
確であった。しかしながら大型の人工衛星、例えば軌道
の近地点増加および円形化のための液体推進を使用する
人工衛星によれば、人工衛星の寿命にわたる圧力の変化
は残留燃料の測定を行うためのガス圧力または差圧力測
定に使用するには十分に大きいものではない。この発明
の改良された液体測定技術は実質上この問題を解決する
ものである。この発明の技術は、ａ）タンク中に既知の
量の熱エネルギを結合し、ｂ）この既知の量の熱エネル
ギ入力に応答するタンク中の液体の温度の時間的変化率
ｄＴ／ｄｔを測定し、Ｃ）液体の測定された温度の時間
的変化率の関数として液体の質量ｍを計算することによ
ってタンクまたは容器中に残っている燃料その他の液体
の量を決定するものである。

第１図はこの発明の１実施例のシステムを示す。

この発明の液体測定システム１ｏは通常の円錐球状燃料
タンク１２と共に示されている。燃料タンク１２の室１
３内に液体燃料または酸化剤１４およびガス加圧体１６
がある。液体はタンクと熱接触している。

ガス加圧体１６は出口１７の方向に液体燃料１４を押し
出すように作用する。燃料タンク１２は典型的には金属
、例えばチタニウム合金で作られている。

この発明の液体測定システム１０は既知の大きさまたは
定格のタンク上に加熱素子１８を備えている。

加熱素子１８は温度の時間的変化率を正確に決定し、そ
れにより液体質量の正確な測定を行うために２〜３時間
内に２〜５°Ｆの温度変化を与えるような大きさでなけ
ればならない。低電力の加熱素子、例えば０．５乃至２
．０ワット程度の加熱素子で十分である。

またタンク１２にはセンサまたは熱電対２０が取付けら
れている。加熱素子１８は液体１４と熱接触するように
タンク１２上に配置されなければならない。

使命の過程中に燃料レベルが変化するので、複数の加熱
素子がタンク上に配置されて、そのような熱接触を与え
るように選択的に付勢されることもできる。

センサ２０はこの技術でよく知られている白金抵抗変換
器またはそれと匹敵するセンサでよい。加熱素子１８お
よびセンサ２０の両者はタンク１２に接着され最新型の
人工衛星の燃料タンクで普通に使用されているような任
意の熱ブランケット２２内のタンク１２と熱接触状態で
配置されなければならない。

複数の加熱素子は質量の不平衡を避けるために複数のタ
ンクが使用されるときには使用されなければならない。

その場合には付加的な加熱素子が測定の予備として使用
されてもよい。いずれにせよタンクと熱接触状態にある
とき１個の加熱素子だけが既知の熱エネルギの入力量に
対して設けられて使用されなければならない。

加熱素子１８は電源２４（典型的には衛星のバスに設け
られる）によって選択的に給電され、コンピュータ、マ
イクロプロセッサ、または制御装置３０の制御下に付勢
されるスイッチ２６を介して給電される。コンピュータ
３０はこの技術でよく知られているように衛星上に配置
されてもまたは遠隔の位置に配置されてもいずれでもよ
い。加熱素子１８がオンに切替えられた後、温度がセン
サ２０からコンピュータ３０によって読取られる。もし
もコンピュータ３０が第１図に示すように衛星上に配置
されているならば、温度読取り値または計算された液体
質量は適当な地上局その他の制御端末装置へ衛星遠隔通
信信号の一部として送信される。

加熱素子１８は液体１４に既知の熱入力を与えるために
コンピュータ３０によって選択的に付勢される。

時間に対する液体１４の温度変化率ｄＴ／ｄｔ、液体１
４の比熱Ｃ７タンクの比熱Ｃｔを知ることによって、液
体１４の質量ｍｆは以下のように計算される。まず加熱
素子の電力Ｑは次の式で与えられる。

Ｑ　−１４，３３Ｐ　。

−（ｍ、Ｃｔ　＋ｍ、Ｃｔ）（ｄＴ／ｄｔ）−（１）こ
こで、 Ｐ、−加熱素子の加熱電力（ワット） １４．３３−ワットから毎分グラムカロリーへの変換係
数（ｇ−ｃａｔ／分） ｍ、−液体の質Ｎ（グラム） ｍｔ＝燃料タンクの質量 ｍ、に関して式（１）を変形すると、 ｍｌ　Ｃｔ　−１４，３３Ｐｈ　　（ｄＴ／ｄｔ）　−
ｍ、　　Ｃｍ　ｔ　＝　ｉ７ｃ　Ｉ　［＋４．３３Ｐ　
ｈ（ｄＴ／ｄｔ）−ｍ　１Ｃｔ］ｍ　　、　＝　　１４
．３３　　Ｐ　　ｈ　　／　　Ｃｒ　　（ｄＴ／ｄｔ）
コｍ＋　Ｃｔ　／　Ｃｔ　　　　　　　”’（２）例え
ばＰ、−５ｗの場合、 Ｃ、−０，７５ｇ−ｃａｔ／　ｇ　’　ＣｄＴ／ｄｔ−
６０分／’　　Ｃ ｍ、−５ポンド−２２６８ｇ Ｃ、＝　０．１２６　　ｇ　−ｃａｌ／　ｇ　’　　Ｃ
とすると、液体質量ｍ、は５３５１ｇまたは１１．８ポ
ンドであることが認められる。その代りにもしもｄＴ／
ｄｔが６００分／’　Ｃに等しく、その他のパラメータ
か変化しないならば、液体質量ｍｌは５６９３９　ｇま
たは１２５．５ポンドと計算される。

加熱素子の加熱電力はｄＴ／ｄｔのより実際的な値を得
るために最後の例に対して増加されることができる。燃
料タンク上の多層の熱ブランケットの使用のために放射
損失は小さいことに留意すべきである。また放射損失は
アルコール等の既知の中性燃料を使用する衛星熱・真空
試験中に較正されることかできる。

動作において制御信号は衛星上のコンピュータ３０また
は遠隔局のいずれかから送られ、加熱素子１８に電力を
供給するためにスイッチ２６を付勢し、それによってタ
ンク１２に既知の量の熱エネルギ加える。タンクの温度
はセンサ２０によって測定され、上記の式（２）にした
かって質Ｅｋｍを計算するためにコンピュータ３０に入
力される。

第２図は熱エネルキの印加に応した液体温度の典型的な
時間応答特性を示している。曲線のスロープの線形部分
はｄＴ／ｄｔを表すことに留意されたい。実際のシステ
ムでは第３図に示されるようにそれぞれ異なった質量ｍ
　（Ｍ＋　、　Ｍ２　、　Ｍ３　）に対応する曲線群か
ある。第４図は電力定格Ｑによって示されるように加熱
素子１８の大きさの関数としてシステム１０の感度の変
化を示す。システムの設計において、加熱素子は温度の
時間的変化率を正確に決定して、正確な質量測定を行う
ために上記のように２〜３時間内に液体の温度に２〜５
°Ｆの温度変化を与えるように選択されなければならな
い。第５図は温度の時間的変化率ｄＴ／ｄｔの逆数と質
量ｍとの関係を示す。

以上、この発明は特定の応用のための特定の実施例を膠
照に説明したが、当業者はこの発明の技術的範囲内の付
加的な変形、応用、および実施態様を認工するであろう
。例えばこの発明は人工衛星システムに限定されるもの
ではない。またこの発明は測定される液体に既知の量の
熱エネルギを供給するための特定の技術に限定されるも
のでもない。さらにこの発明は液体の温度の変化率の関
数として質量を計算するために示された技術に限定され
るものでもない。この発明は液体による使用に限定され
ない。この発明は空になり、内部熱伝導性を何する他の
物質に使用されることができる。最後にこの発明は命令
および計算のソースおよび位置に関して限定されない。

それらの変形、応用、および実施態様は全て特許請求の
範囲に記載されたこの発明の技術的範囲に含まれるべき
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の１実施例のブロック図である。 第２図は熱エネルギの供給に応した液体の温度の時間応
答特性を示す。 第３図は液体の種々の量に対応する１群の温度時間応答
特性を示す。 第４図は使用される加熱素子の大きさの関数として二の
発明の液体測定システムの感度変化特性を示す。 第５図はこの発明の原理の基礎となる液体の温度の時間
的変化率の逆数と液体の質ｊ１ｍとの関係を示す。 １２・・・燃料タンク、１４・・・液体、１６・・・ガ
ス加圧体、１８・・・加熱素子、２０・・・センサ、２
４・・・電源、３０・・・コンピュータ。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）タンク中の液体の量を測定する方法において、 タンク中に既知の量の熱エネルギを結合し、この既知の
   量の熱エネルギに応答する前記液体の温度の時間的変化
   率ｄＴ／ｄｔを測定し、前記液体の測定された温度の時
   間的変化率の関数として前記タンク中の液体の質量ｍを
   計算することを特徴とするタンク中の液体の量を測定す
   る方法。
2. （２）前記タンク中に既知の量の熱エネルギを結合する
   過程は、前記液体と熱接触する電気加熱素子を選択的に
   付勢する過程を含んでいる特許請求の範囲第１項記載の
   方法。
3. （３）前記タンク中の液体の質量を計算する過程は、前
   記液体の質量ｍを確認するために前記液体の比熱Ｃ＿ｆ
   と前記液体の測定された温度の時間的変化率ｄＴ／ｄｔ
   の積によって前記電気加熱素子に供給された電力Ｐ＿ｈ
   を割算する過程を含んでいる特許請求の範囲第２項記載
   の方法。
4. （４）前記タンク中の液体の質量を計算する過程は、前
   記液体の比熱Ｃ＿ｆと前記液体の測定された温度の時間
   的変化率ｄＴ／ｄｔの積によって前記電気加熱素子に供
   給された電力Ｐ＿ｈを割算した商からタンクの比熱Ｃ＿
   ｔと液体の比熱Ｃ＿ｆとの比とタンクの質量ｍ＿ｔとの
   積を減算する過程を含んでいる特許請求の範囲第２項記
   載の方法。
5. （５）タンク中に既知の量の熱エネルギを結合する第１
   の手段と、 この既知の量の熱エネルギに応答する前記液体の温度の
   時間的変化率ｄＴ／ｄｔを測定する手段と、 前記液体の測定された温度の時間的変化率の関数として
   前記タンク中の液体の質量ｍを計算する手段とを具備し
   ていることを特徴とするタンク中の液体の量を測定する
   液体測定システム。
6. （６）前記液体中の熱エネルギを検知するセンサ手段を
   具備している特許請求の範囲第５項記載のシステム。
7. （７）前記タンク中に既知の量の熱エネルギを結合する
   第１の手段は電気加熱素子を具備している特許請求の範
   囲第６項記載のシステム。
8. （８）前記タンク中に既知の量の熱エネルギを結合する
   第１の手段は電源と電気加熱素子との間に接続されたス
   イッチを具備している特許請求の範囲第７項記載のシス
   テム。
9. （９）前記タンク中に既知の量の熱エネルギを結合する
   第１の手段は前記スイッチを選択的に付勢するためのコ
   ンピュータ手段を具備している特許請求の範囲第８項記
   載のシステム。
10. （１０）タンク中に既知の量の熱エネルギを結合する第
    １の手段と、 この既知の量の熱エネルギに応答する前記液体の温度の
    時間的変化率ｄＴ／ｄｔを測定し、それに応じた信号を
    出力する手段と、 前記液体の測定された温度の時間的変化率の関数として
    前記タンク中の液体の質量ｍを計算するために前記信号
    を送信する手段とを具備していることを特徴とするタン
    ク中の液体の量を測定する液体測定システム。