测量液体推进剂剩余量的体积激励法

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1、78中国空间科学技术2012年6月篁!!皇呈!!!呈量!!量!!星垒!!皇垒!!!!!望呈!竺竖兰篁!塑测量液体推进剂剩余量的体积激励法傅娟陈小前黄奕勇(国防科学技术大学．长沙410073)摘要首先给出了以贮箱内气体为对象的一般热力学测量控制方程，完成气体及液体体积的计算；以贮箱系统为研究对象，建立了系统处于等温、绝热及非等温条件下的热力学模型。考虑了气体与液体、贮箱壁的传热传质等因素，得出了比较理想的测量模型。其次，对影响测量的系统误差进行了分析，建立了各种影响因素的误差模型，并提出了相应的修正措施

2、。然后，给出了在现有技术水平下测量的最大误差，结果表明测量误差在贮箱总体积的1％以内。最后，对激励频率、体积改变量大小及测量设备等相关应用技术问题进行了分析讨论与合理设计。体积激励法是一种可满足测量精度和耗能要求的良好方法。关键词体积激励法液体推进荆剽余量剐量热力学模型测量误差激励频率航天器DOI：i0．3780／j．issn．1000—758X．2012．03．0121引言推进系统贮箱穴推进栽的剩余量信息为预估航天器轨道机动能力提供参考，是进行姿轨控的重要依据，对确定航天器在轨寿命、正确合理地决策后

3、继航天器发射窗口、减少替代航天器与原航天器在轨的重叠度、提高经济效益是非常重要的。液体推进剂量的精确检测技术还是在轨加注检测技术[13的重要内容，其检测结果能够决定加注系统需要补给的推进剂量，针对未来“多对多”场景的在轨加注任务，推进剂量的精确检测结果可以作为在轨加注路径优化的输入量，为优化在轨加注路径提供可靠的参考，对于未来的在轨加注操作具有重要意义。目前对液体推进剂剩余量测量的研究目的主要是实现高精度测量，从而提高预估航天器轨道寿命及其轨道机动能力的精度，并能够适用于推进剂系统正常及发生泄漏等各种

4、复杂工况。同时，测量装置系统不能过多增加航天器整体质量和体积，经过文献[2—3]综合比较，认为体积激励法是一种测量精度高、通用性强、重复性好的测量方法。2体积激励法原理及热力学模型体积激励法测量原理川可以用如图1所示的系统说明，由体积激励装置对贮箱系统进行一定体积的改变，由于液体的不可压缩性，该体积改变量完全由气体承载，从而引起气体压力变化，用压力传感器测量出初始静压值及压力改变值。设气体为理想气体，则基本控制方程为忙V：一，zP等⋯国家自然科学基金(50975280)．新世纪优秀人才计划(NCET-

5、08—0149)资助项目收稿日期；201卜09一09。收修改稿日期；201I-II一252012年6月中国空间科学技术79式中y-、y。分别为液体推进剂体积和贮箱总体积；挖为气体过程指数；P为贮箱内静压；△V为施加的体积激励幅值；△P为体积改变引起的压力变化幅值。体积激励装置图1体积激励法测量原理Fig．1Schematicofcompressionmassgaugingconcept假设贮箱系统具有良好的密封性，对于贮箱系统而言，满足能量守恒方程式为睁61Q一△U+P△V(2)式中△【，一m。c。5

6、T。+m川cTlf—ml㈣T1．+m。f“。f—mg．“目，下标t、1、g分别表示贮箱壁、液体推进剂、气体；下标i、f表示贮箱系统受激励前、后状态；m、c、T、AT、M分别为质量、比热容、温度、激励前后温度改变、质量热力学能。激励过程的质量守恒方程为m“+mgi=mlf+m一(3)下面分别讨论并建立各种热力学模型，讨论中假定激励前贮箱系统处于热力学平衡状态。(1)等温模型体积激励过程中贮箱系统与外界环境及时换热，使得贮箱系统温度与激励前一致，忽略液体推进剂饱和蒸汽压随气垫压力变化【7J，从而有条件ml

7、f=m”Tj．一Tjf(j—t、l、g)(4)把对应的理想气体方程优一PV／(RT)(式中R为气体常数)代入公式(3)中，并应用以上条件，忽略微小量APAV，得到等温模型下的测量控制方程：Vl叫。一P矧(5)(2)绝热模型如果体积激励过程很快，系统不仅与环境绝热，而且仅有气体的体积压力温度改变，气体不与贮箱壁、液体推进剂进行热交换，此时满足的条件有Q一0，A丁，=0(j—t，1)，mIf=mh(6)代人式(2)，有m目Ugi—mgf“gf—PAV(7)再应用热力学公式，最后可以得到绝热模型测量控制方程

8、为VI=Vt—yP㈦(8)式中y为气体绝热系数。(3)非等温模型如果系统受激励过程中与外界环境的换热不能及时补偿系统的温度变化，且存在换热效应，则贮箱内气体与液体之间也有换热效应产生，这时由公式(3)可得mgf—mgi—mI．一mg(9)右边项是推进剂相变引起的液体推进剂质量变化，可以用贮箱内推进剂蒸气的质量变化代替，鲤主垦窒囹型堂垫查!!!!堡』旦从而变为md—m日=m。f—m。(10)式中下标s表示推进剂蒸气。应用理想气体状态方程，得到非等温模型下气