载人飞船推进剂剩余量在轨直接测量技术.pdf

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1、第２０卷第４期载人航天Ｖｏｌ．２０Ｎｏ．４２０１４年７月ＭａｎｎｅｄＳｐａｃｅｆｌｉｇｈｔＪｕｌ．２０１４载人飞船推进剂剩余量在轨直接测量技术刘建盈，宣晓萍，汤建华（上海空间推进研究所，上海２０１１０８）摘要：在载人航天工程交会对接任务中，基于对载人飞船推进剂剩余量在轨实时高精度测量需求的背景，采用理论分析和试验验证相结合的方法，研究了剩余量直接在轨测量技术原理、影响测量精度的因素及解决措施等问题。研究表明，在轨推进剂剩余量直接测量系统方案具有易于实现，测量精度高，同时能够实时、直观反映系统中各贮箱推进剂消耗情况等特点。关键词：载人飞船；推进剂剩

2、余量；在轨直接测量中图分类号：Ｖ４３４＋．２３文献标识码：Ａ文章编号：１６７４-５８２５（２０１４）０３-０３３１-０３DirectOn-orbitGaugingMethodofResidualPropellantinMannedSpacecraftＬＩＵＪｉａｎｙｉｎｇ，ＸＵＡＮＸｉａｏｐｉｎｇ，ＴＡＮＧＪｉａｎｈｕａ（ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｐａｃｅＰｒｏｐｕｌｓｉｏｎ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１１０８，Ｃｈｉｎａ）Abstract：Ｉｎｔｈｅｒｅｎｄｅｚｖｏｕｓａｎｄｄｏｃｋｉｎｇｍｉｓｓｉｏｎｏｆｔｈｅｍａｎｎｅｄｓｐａｃｅｆ

3、ｌｉｇｈｔｐｒｏｇｒａｍ，ｔｈｅｒｅｉｓａｎｅｅｄｆｏｒａｈｉｇｈ-ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｎ-ｏｒｂｉｔｇａｕｇｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｎｔｈｅｒｅｓｉｄｕａｌｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｉｎｔｈｅｍａｎｎｅｄｓｐａｃｅ-ｃｒａｆｔ．Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｗｅｒｅｃｏｍｂｉｎｅｄｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｆａｃｔｏｒｏｆａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｄｉｒｅｃｔｏｎ-ｏｒｂｉｔｇａｕｇｉｎｇｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｍｅａｓｕｒｅｓ．

4、Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｉｓｄｉｒｅｃｔｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｉｓｅａｓｙｔｏｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｎｄｗｉｔｈｈｉｇｈｐｒｅｃｉ-ｓｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｃａｎｄｉｒｅｃｔｌｙｒｅｆｌｅｃｔｔｈｅｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｉｎｒｅａｌｔｉｍｅ．Keywords：ｍａｎｎｅｄｓｐａｃｅｃｒａｆｔ；ｒｅｓｉｄｕａｌｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ；ｄｉｒｅｃｔｏｎ-ｏｒｂｉｔｇａｕｇｉｎｇｍｅｔｈｏｄ推进剂组元之间的不平衡消耗情况。针对上述特１引言点和要求，本文通过边界元仿真分析技术研究了载人飞船推进系统推进

5、剂剩余量在轨准确测膜片变形的规律及其与剩余量的关系，采用测量量对于交会对接任务的完成和航天员的安全返回膜片顶点位移并转换成剩余量的测量方法实现了具有重要意义，是推进系统在轨维护和载人飞船推进剂剩余量在轨高精度直接测量。飞控决策的重要依据。２测量系统方案设计载人飞船使用球形金属膜片贮箱贮存和供应推进剂。贮箱增压后金属膜片与推进剂液面完全目前常用的剩余量测量方法包括记账簿法、［２］贴合，其变形过程连续、型面相对稳定，膜片位置ＰＶＴ法、传感器直接测量法等。能够满足本项可测量，但工作过程球形贮箱液腔容积呈非线性目需求的为直接测量法，项目组首先研究了该方［

6、１］变化，实现剩余量精确测量难度大。根据交会法的测量原理，为测量系统设计奠定理论基础。［３］对接任务对推进剂在轨准确评估的要求，剩余量２畅１测量系统原理测量即要实时、直观、准确反映推进剂消耗总量，根据金属膜片贮箱工作特性，采用测量膜片又要同时反映单个贮箱消耗情况，获得各贮箱、各顶点位移并转换成剩余量的测量方法其原理为：收稿日期：２０１３-０７-０１；修回日期：２０１４-０４-２２作者简介：刘建盈（１９８０-），男，学士，高级工程师，研究方向为神舟飞船推进分系统设计。Ｅ-ｍａｉｌ：ｌｈ３３４４１６８＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍ３３２载人航天第２０卷１）

7、利用位移传感器测量金属膜片位移量；２）通过膜片位移与液腔容积关系式计算出剩余量。根据理论模型得到的推进剂剩余量计算公［４］式如式（１）（２）所示。L＝L（R）（１）H＝H（L）（２）其中L—位移传感器拉线长度，ｍｍ；图1金属膜片贮箱膜片变形过程示意图R－位移传感器输出电阻，Ω；Fig畅1ThemetaldiaphragmreversingprocessH－推进剂剩余量，Ｌ。ofthemetaldiaphragm２畅２影响测量精度的因素本测量方法的确立涉及的环节包括数学模型的建立，测量系统设计，在轨遥测采集分析等环节，测量精度受以下因素影响：１）计

8、算公式的影响。金属膜片贮箱内金属膜片理论上沿膜片根部逐渐往下变形，液腔容积的变化为非线性、无特定规律的。由于同一圆周图2金属膜片贮箱理论