在轨加注用超声波流量计的设计与试验

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1、2Ⅲ年8月中国空间科学技术77篁!塑：篁!!里曼!!量望塞!皇量垒!望!!呈垒!!!竺!里皇!竺!兰在轨加注用超声波流量计的设计与试验于洋12丁风妹2北京航空航天大学机器人研究所，北京i0019I)宗光华1(2北京控制工程研究所．北京100190>摘要针对航天嚣在轨加注对推进荆流量的精确测量要求，研制了在轨加注用超声波流量计。在对传播时问法研究妁基础上，提出流量计管路布局的设计要求，采用计算流体动力学(CornputationalFluidDynamics，CFD)的方法模拟4种不同管路布局(直角型、45。锐角型、直线型和圆弧型)对流体速度分布的影响，

2、对比得到了优化的管路布局。信号处理电路使用斩波稳定比较器，通过阚值比较法，保证了传播时间的测量精度。流量计经标定后，在量程(0～150g／s)范围内可迭到0．1％的测量精度。为了验证在轨加注过程中流量计的作用，在地面环境下进行了在轨加注地面模拟试验，试验表明超声波流量计在推进荆在轨加注中使用是可行的和必要的。关键词超声波流量计流量测量在轨加注推进系统航天器DO[．10．3780／j．issn1000758X201204．0111引言通过推进剂的在轨加注可以延长航天器的在轨时间，进而提高其机动能力和执行任务的灵活性”“。俄罗斯、美国等航天大国从20世纪7

3、0年代开始在轨加注技术的研究+2u世纪80年代开始在航天器上进行在轨加注试验”⋯。我国的在轨加注研究开展较晚，尚处于起步阶段，从2007年开始在轨加注方面的研究，开展了推进剂在轨加注的数值模拟和地面试验等相关研究1。⋯。推进剂在轨加注系统由加注贮箱，被加注贮箱，加注管路和控制阀门等组件构成。其中加注管路中最重要的组成部分是超声波流量计(UltrasonicFlowMeter，UFM)，它实时显示加注管路中的推进剂流量信息，对计算加注贮箱和被加注贮箱的推进剂总量和监测在轨加注过程起着至关重要的作用。静止轨道卫星(GEO)和低轨道卫星(LEO)在寿命即将结

4、束时，需要离开原来的运行轨道，这就对推进剂剩余量测量的准确性和可靠性提出了更高的要求。准确的寿命预测可以使卫星的更新换代更加经济有效，并且能够减少航天器的发射数量，提高经济效益。荷兰Brad{ordEngineeringBV公司为欧洲航天局研制的超声波流量计，其在LAE点火阶段(80～150g／s)的地面精度高达全量程的0．05％．已完成欧洲大型卫星平台AlphaBus的资格检查测试口]。目前国内外对于微重力条件下的推进剂剩余量测量多采用簿记法(BookKeeping)和理想状态方程浩(PVT)，这两种方法的测量误差均大于2％，长寿命航天器使用这两种方

5、法得出的飞行寿命不确定性非常大，不能满足航天器寿命精确预测的要求。因此，研制适合中国航天器使用的高精度超声波流量计是十分必要的。此外，超声波流量计还可用于监视推进剂贮箱的液位，控制双组元推进系统的推进剂混合比例，以及检测推进剂传输管路中的气泡情况。收稿日期201】1】15。收修改稿13期：20120ZD9Z§生垦至回登堂堇查!!!!至!旦本文针对在轨加注对超声渡流量计的要求，研制了在轨加注用超声渡流量计的原理样机．样机采用钛合金材料制造，使用高精度信号处理电路。满足航天器推进剂流量测量的地面试验要求。2超声波流量计2．1原理超声波流量计的原理是超声波在

6、流体中传播时，其传播速度会受流体流速影响而变化，冈此可以通过测量穿过流体的超声波信号来计算流体的流速，以图1所示的超声波流量计为例，换能器A和换能器B分别安装在管路的两侧，且从一侧换能器发射出的超声波经过楔块和管路传播后恰好进入另侧换能器，管路中流体的流动方向为从左至右。由于流体的流动，超声波顺流传播时间自总是小于逆流时间￡。，他们的时同差和流体的流速“成比铡关系，如式(1)所示罔L超声溲流量计原理Fig·1Princlpleofuhraso．nic{lowmctotC2·(￡。一td)L·(￡。td)“2—面忑虿一2—2cus0．—t．．ta式中C为

7、超声波在水中的声速；L为超声渡在流体中的传播距离(图中d点和e点间的直线距离)；0为传播路径(图中虚线d—e)与管路的央角。式(1)是传播时间法的计算公式，可以看出，流体的线速度只和超声波在流体中的传播距离L，传播路径与管路的夹角口，以及超声波的传播时间有关．而与介质无关。正冈为传播时间法的介质无关性，超声波流量计可以使用水等流体进行标定，而在更换推进剂测量流速时保证同样的精度。通常推进尉的流量计许量的是质量流量Q一^·P—A(2)式中P为推进剂的密度；A为管路内部的横截面积；k为速度修正系数，应根据流量计管路内流速分布情况计算。理想湍流流动状态下，速

8、度修正系数公式为”3^一订F瓦1而瓦(Re≤iXl。5)^一——————==兰=====(Re