变轨条件下卫星贮箱内液体推进剂晃动特性三维数值模拟.pdf

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1、12上海AEROSPACE航天SHANGHAI第31卷2014年第5期文章编号：1006—1630(2014)05—0012一05变轨条件下卫星贮箱内液体推进剂晃动特性三维数值模拟张博襞，李国岫，虞育松(北京交通大学机电学院，北京100044)摘要：以某卫星液体推进剂贮箱为研究对象，用Fluent三维数值模拟软件，对在零重力环境变轨过程中贮箱内液体推进荆的晃动特性进行数值模拟。分析了晃动过程中液体推进剂的质心变化和液体推进剂对贮箱的作用力。数值模拟获得了液体推进剂在变轨过程中晃动的频率和阻尼比。与ABRAMSON等根据实验结果拟合

2、得出的阻尼比经验公式计算结果和文献中对阻尼比的简化计算结果相比，模拟结果接近经验公式，同时能反映阻尼比随液深的变化，计算结果具有可信度。关键词：变轨过程；液体燃料晃动；阻尼比；数值模拟中图分类号：V411．8文献标志码：ANumericaISinlulationofCharacteristicsonLiquidSloshinginTankofSpacecraftDuringOrbitalTra玎sferZHANGBo—xuan，LIGuo—xiu，YUYu—song(SchoolofMechanicalandElectronicC

3、ontrolEngineering，Be巧ingJiaotongUniversity，Be巧ing100044，China)Abstract：Theliquidpropellantofsomesatellitewasservedastheobjectinthispaper．ThecharacteristicsofliquidsloshingintankduringtheorbitaltransferinthezerogravityenvironmentwassimulatedbyFluent3Dnumericalsoftware．

4、Thecentroidchangeofthepropellantandforceoftheliquidpropellantonthetankduringthesloshingwereanalzed．Thesloshingfrequencyanddampingratioofliquidpropellantduringthetransferwasgainedbysimulation．Thesimulationresultswasapproachingwiththeresultcalculatedbyexpe“enceformulain

5、valuewhenitcomparedtheresultscalculatethroughtheexperiencefittingformuladerivedbyAbramsonandthedampingratioofthesimplifiedcalculationinthereference，anditcouldreflectthedampingratiochangeswiththefluiddepth．Theresultfromsimulationwascredibility．Keywords：0rbitaltransfer；

6、Liquidpropellantsloshing；Dampingratio；Numericalsimulation0、引言在微重力或零重力环境中，充液航天器内液体晃动及其对控制系统的影响是当前国内外航天技术研究的重要课题。微重力条件下的液体流动行为研究始于20世纪60年代，研究对象是火箭推进剂罐内的液体晃动动力学特性。随后，低重力条件下的收稿日期：2012—1z一14；修回日期：2013一02—14基金项目：国家自然科学基金资助项目(51076008)；中央高校基本科研业务费专项资金资助作者简介：张博最(1987一)，男，硕士生，

7、主要研究方向为流体数值模拟计算。在轨空间飞行器燃料贮箱内的液体晃动特性被重点研究。随着航天事业的发展，推进剂占火箭、卫星等航天器总质量的比重不断加大，推进剂晃动与箭体姿态运动通过惯性力的相互作用力而直接耦合。晃动不稳定，晃动幅值不断增大，火箭姿态角就会因晃动不断加大，从而导致箭体姿态运动发散[1]。充液航天器总体设计中必须考虑液体晃动，推进剂的运动对在轨航天器的稳定、定位、对接的影响相当关键口]。在星体充液量不断增大和控制飞行器姿态的指向精度条件下，并考虑零重力或微重力环境，充液体晃动动力学的研究显得更重要和复杂[3]。第31卷2

8、014年第5期张博颟，等：变轨条件下卫星贮箱内液体推进剂晃动特性三维数值模拟在液体的晃动对航天器的稳定性研究中，为便于分析，大量研究采用了等效单摆模型和质量一弹簧力学模型[4]。分析中进行了简化，忽略了部分力的影响，故与微重力或零重力下的实际状态相