卫星贮箱故障时液体燃料运动特性仿真分析

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1、第20卷第l期航天器工程V01．20No．12011年1月SPA【：ECRAFTEN(；INEERING95卫星贮箱故障时液体燃料运动特性仿真分析黄华幽产专(中国空间技术研究院，北京100094)摘要不少在轨卫星都使用半管理液体燃料贮箱，贮箱内的液体收集器上安装有表面筛网，可阻止贮箱内气体在发动机工作时通过收集器进入到液体燃料管路中。文章假设卫星液体燃料贮箱的底部收集器出现故障，无法阻止气体进入发动机管路。为确保卫星正常在轨运行，利用计算流体动力学数值仿真方法，对液体燃料贮箱在卫星姿态控制发动机工作时的运动规律进行了仿

2、真和分析，可为卫星在发生预想故障后对姿态控制发动机工作模式的选择提供参考。关键词卫星贮箱；液体燃料；重定位；故障分析；计算流体动力学中图分类号：V423文献标志码：A文章编号：1673—8748(2011)01—0095—06SimulationandAnalysisofMotionCharacteristicsofLiquidPropellantinFaultedSatelliteTankHUANGHuaQUGuangJi(ChinaAcademyofSpaceTechnology，Beijing100094，Chi

3、na)Abstract：Mostsatellitepropulsionsubsystemsemploypropellantmanagementdevice(PMD)inonboardoxidizerandfueltanksforgas—freeliquidpropellantdeliveryduringallmissionphases．AkindPMDconsistsofpipesanddrainwindows，andthedrainwindowsarecoveredwithperfora—tedsheet，which

4、canprovidecapillarystrengthandthuspreventgasfromenteringthepipesandtheengine．Thefailureoftheperforatedsheetofonedrainwindowonthebottomofthefueltankisenvisioned．Inordertoavoidthegasenteringtheengineandinducingaccidents，themotionrulesofliquidpropellantinfueltankar

5、esimulatedandanalyzedbyusingthecomputationalfluiddynamicsmethods．Theresultsareusefulforestablishingnewattitudecontrolstrategyofthesatelliteunderenvisionedfailure．Keywords：satellitetank；liquidpropellantlreorientation；faultanalysis；computationalfluiddy—namics1引言卫星

6、在空间轨道运行期问，贮箱内液体燃料处于微宦力状态．液体主要受表面张力作用，其运动特性与常规重力条件下完全小同。为保证卫星上的发动机正常工作，国内外的相关专家多年来一直致力于液体燃料在轨臀理技术的研究工作【1．3】。通过在贮箱内安装液体管殚装胃，利用表面张力的作用来控制液体燃料在妒：箱内部的运动和定位，可为发动机的正常Y．ff提供单相液体燃料。推进系统的稳定运行是卫星在轨正常工作的基收稿日期：2010—07—20：修回日期：2010-10—28基金项目：中固空间技术研究院(通信卫星事业部)自主研发基金项目作者简介：黄华(

7、1979一)，男．博士，工程师．主要从事航天嚣动力学和卫星总体设计工作。96航天器工程本保证条件，若由于贮箱内液体管理装置失效，气体进入到卫星的发动机，会导致发动机推力下降，影响卫星在轨姿态控制和位置保持，并最终影响卫星的在轨运行寿命，甚至可能直接导致卫星发生无法挽回的故障。本文根据我国在轨运行的卫星液体燃料贮箱内液体管理装置的结构特点，对其可能出现的故障模式进行了分析，在假设液体管理装置出现故障的前提下，利用计算流体动力学数值仿真技术，仿真分析了卫星在姿态控制发动机工作时贮箱内液体燃料的运动特性，以及发动机关机后液体

8、燃料的重定位过程，根据数值仿真结果，提出了出现上述故障后姿态控制发动机工作时应采取的策略。2故障模式分析我国目前在轨运行的卫星很多采用半管理液体燃料贮箱，如图1所示，中间隔板将储箱分成上下两部分，同时将两部分的液体燃料隔离开。卫星在变轨阶段使用贮箱上部的液体燃料，在轨运行期间利用贮箱下部的液体燃料，来完成位置保持和姿态控制。卫星在