一种基于热容法大型贮箱推进剂剩余量精确测量方法

摘要

本发明涉及一种基于热容法大型贮箱推进剂剩余量精确测量方法，通过地面试验获得不同的推进剂剩余量的温度时间曲线；测量实际贮箱实际温度时间曲线，与存储的多条温度时间曲线对比，通过对试验温度变化曲线进行插值估算实际贮箱推进剂剩余量。本发明实现了大型贮箱的推进剂剩余量的准确测量，实现卫星寿命末期推进剂估算误差小于±2.4个月。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于热容法大型贮箱推进剂剩余量精确测量方法，属于贮箱测量领域。

背景技术

对于航天器来说，尤其是GEO轨道卫星，剩余推进剂的多少是决定航天器能否继续工作的关键因素之一。准确的剩余推进剂测量结果是航天器在轨管理的基础，能够保证航天器在轨长期高效稳定的运行。尤其是到工作寿命末期，能够准确预测航天器寿终时刻，有利于航天器的离轨策略制定及后续任务方案决策，而对于商业通信卫星来说，是商业合同签订的重要依据。大型卫星一般采用双组元推进系统。通过总结分析到目前为止已经离轨或者仍然在轨的卫星型号推进剂利用率情况可以发现，双组元卫星平台在轨推进剂利用率仍然有可观的提升空间。因此，有必要深入分析影响我国双组元卫星推进系统推进剂在轨利用率的各项因素，采取对应的可靠性增长措施，提高我国双组元卫星推进系统推进剂在轨利用率。

目前在高轨卫星上普遍采用记账法(BK法)和PVT法测量卫星的推进剂剩余量。对于卫星寿命起始时段(BOL)和寿命中期(MOL)的推进剂剩余量测量精度较高，但对卫星寿命末期(EOL)的推进剂剩余量难以提供高精度的预测结果，误差通常为1％～2％，对于卫星寿命预测精度仅达6～12个月，与国际要求的±3个月存在较大差距。而卫星寿命末期推进剂剩余量的精确预测对航天器离轨策略的制定及后续任务方案的决策均具有重要意义，对于商业通信卫星更是商业合同签订的重要依据。

热容法是一种适用于卫星在轨寿命末期的推进剂剩余量精确测量方法。实施方便，测量精度高，可以针对不同类型卫星设计不同的实施方案，从而达到对推进剂精确测量的目的。通过不同的设计方案，热容法测量技术可在已在轨运行卫星、在研型号卫星和新研卫星上进行实施，有较大的应用范围及应用前景。

由于对于不同类型、不同尺寸的贮箱，热容法的实施方案有较大差异，而实施方案是否适当直接决定了测量的准确度。目前基于热容法的推进剂剩余量测量方法在国内尚无应用，国外多应用于容积在600L以下的小型贮箱，且对实施方案未见详细介绍，对于大型板式贮箱则尚无应用。而随着贮箱尺寸变大，热容法实施难度加大，原适用于小型贮箱的热容法实施技术的分辨率会明显降低，导致方法失效，不再适用于大型贮箱系统。因此，需要对于大型贮箱基于热容法的推进剂剩余量精确测量方法进行研究。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种大型贮箱推进剂剩余量热容法精确测量方法，当贮箱容积较大，对热容法的实施方案进行合理的改进，来确保测量精度达到指标要求。

本发明目的通过如下技术方案予以实现：

提供一种基于热容法大型贮箱推进剂剩余量精确测量方法，包括如下步骤：

(1)在试验贮箱的外表面设置加热装置，加热装置能够实现对贮箱均匀加热，在贮箱表面设置温度传感器；

(2)在试验贮箱外部整体完全包覆多层隔热组件；

(3)将试验贮箱放置在真空系统中，将加热装置与加热控制系统连接，温度传感器与测控与数据采集系统连接；调整试验贮箱内压力达到设定压力，封闭真空系统，抽真空，控制加热装置进行加热，测控与数据采集系统实时采集温度数据，获得空箱状态下的温度时间曲线；

(4)等待试验贮箱恢复至室温，打开真空罐，在贮箱内加入K升的试剂，调整贮箱内压力达到设定压力，封闭真空系统，抽真空，控制加热装置进行加热，实时采集温度数据，获得K升试液的温度时间曲线；

(5)另i＝1；

(6)等待试验贮箱恢复至室温，打开真空罐，在将贮箱内K升试液放出m升，调整贮箱内压力达到设定压力，封闭真空系统，抽真空，控制加热装置进行加热，实时采集温度数据，获得K-im升试液的温度时间曲线；

(7)判断K-im是否小于等于m，如果小于等于m则存储所有的温度时间曲线，并存储至地面监控系统；如果大于m则将i+1返回步骤(6)；

(8)在实际星上贮箱外表面设置加热装置，在实际星上贮箱表面设置温度传感器；在实际星上贮箱外部整体完全包覆多层隔热组件，调整实际星上贮箱内压力达到设定压力，控制加热装置进行加热，采集温度传感器输出的温度数据，并发送给地面监控系统，地面监控系统获得实际温度时间曲线，与存储的多条温度时间曲线对比，最接近的两条曲线对应的推进剂剩余量作为测量的实际星上贮箱推进剂剩余量区间。

优选的，步骤(8)中获得实际星上贮箱推进剂剩余量区间后，还包括通过插值获得实际星上贮箱中的推进剂剩余量。

优选的，加热装置为多个加热片，沿圆周方向均匀包覆贮箱的下半球面。

优选的，加热片底边距离试验贮箱或实际星上贮箱底部150mm。

优选的，在试验贮箱或实际星上贮箱下半球面沿周向均匀分布布置8片加热片，每片加热片面积为300mm(长)×40mm(宽)。

优选的，加热片单片加热功率15W。

优选的，两个相邻加热片间夹角为45°。

优选的，温度传感器设置在试验贮箱以及实际星上贮箱上对不同装填量的推进剂具有最大温度变化分辨率的位置。

优选的，温度传感器为热敏电阻布置在试验贮箱或实际星上贮箱上半球面，垂直方向高度位于距离贮箱顶部三分之一半球半径处，水平方向角度位于两个加热装置中间，与每个加热装置水平方向呈22.5°角处。

优选的，K为30，m为10，或者K为30，m为5。

优选的，调整试验贮箱或实际星上贮箱内压力达到设定压力的方法为：向试验贮箱或实际星上贮箱加入氦气，使贮箱内压力达到1.2MP。

优选的，如果实际星上贮箱与试验贮箱高度相同，则步骤(8)中加热装置的布置在实际贮箱上的位置与步骤(1)中加热装置的布置在试验贮箱上的位置相同；如果实际星上贮箱与试验贮箱高度不同，则按照实际星上贮箱与试验贮箱高度竖直方向和半球直径的尺寸比例缩放加热装置的覆盖面积及粘贴位置，实际星上贮箱上的与步骤(1)中加热装置的布置在试验贮箱上的位置对应的位置，布置加热装置。

优选的，如果实际星上贮箱与试验贮箱容积相同，则步骤(8)中加热装置的功率在实际星上贮箱上与步骤(1)中加热装置功率相同；如果实际星上贮箱与试验贮箱容积不同，则按照贮箱容积成比例缩放单片加热装置的功率大小。

优选的，如果实际星上贮箱与试验贮箱高度相同，则步骤(8)中温度传感器的布置在实际星上贮箱上的位置与步骤(1)中温度传感器的布置在试验贮箱上的位置相同；如果实际贮箱与试验贮箱高度不同，则按照步骤(8)中规律布置温度传感器位置。

优选的，试剂采用实际推进剂或实际推进剂比热容相近的试剂。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明地面试验获得推进剂剩余量与温度曲线的对应关系，实现了大型贮箱的推进剂剩余量的准确测量，推进剂估算对于卫星寿命末期阶段达到±2.4个月的估算精度，优于国际通讯卫星±3个月的精度要求，达到世界先进水平。

(2)本发明优选了加热片和测温点的设置位置、加热片的粘贴面积及功率大小、加热时长，提高了系统对于不同推进剂携带量的温度变化分辨率，达到每7.8kg试液可达到4.8℃分辨精度实现了热容法推进剂剩余量精确测量技术在大型贮箱上的应用。

(3)本发明的测试方法简单，可以根据实际的精度要求，选择地面试验试液填充量，从而提高测量精度，操作方式灵活多样。

附图说明

图1为本发明热容法系统组成示意图；

图2为贮箱热容法加热片位置示意图；

图3为贮箱热容法加热片位置俯视图；

图4为贮箱热容法热敏电阻位置示意图；

图5为不同推进剂剩余量温度变化曲线。

具体实施方式

本发明主要针对高精度热容法在大型容积贮箱(如容积大于800L)实现上的空白而提出，但对于小型容积的贮箱同样适用，且精度可相应提升。由于贮箱容积增大使得高精度热容法的实现难度加大，因此需要通过对热容法的实施方案进行合理的详细设计，来确保测量精度达到指标要求。

热容法的原理是根据对贮箱进行特定功率加热过程中的温度变化情况计算贮箱和推进剂的热容，从而估算出贮箱内剩余推进剂的方法，其简单的原理式为：贮箱加热器功率×加热时间＝(剩余推进剂质量×推进剂比热+贮箱热容)×温度变化量-贮箱对外散热。

由于在轨贮箱的温度场分布不均匀，无法直接获得贮箱加热过程中的真实温度变化情况，因此热容法是通过逆向计算来估算剩余推进剂的，实施过程如下：

a)设计贮箱热容法加热及温度采集方案；

b)通过贮箱加热器给贮箱加热，获取不同剩余试剂的情况下，贮箱上指定测温点的温度变化曲线；

c)获得实际在轨贮箱的温度数据，获得当前推进剂剩余量。

为实现上述目标，首先需要进行试验准备工作。即对1407L贮箱进行热控实施以及加热片和热敏电阻的安装布线。在完成热控实施及加热片、测温点的方案布局之后，搭建热容法地面试验测量系统，并进行不同工况下的热容法试验，获得试验数据。

具体试验技术途径包括：对空贮箱进行标定试验；分别对不同试液装填量下的工况进行试验数据采集；工况覆盖多种加热片面积、加热片位置、加热功率及不同测温点布置，测量不同工况的热响应情况；对大量试验数据进行整理，判断不同液体剩余量下的热响应规律，从而选择最佳加热功率、加热片粘贴位置及测温点位置。

具体试验方案分为空箱热容法标定、30L试液热容法试验、20L试液热容法试验、10L试液热容法试验，共四种工况下的地面试验。在不同工况下，分别对不同的加热方案和加热时间进行热容法试验，测定不同测温点的温度变化情况，从而得出不同试液装填量之间的温度分辨率。

参见图2，贮箱包括上半球、下半球、气口、液口、柱段、法兰，上半球、下半球以及位于中间的柱段组成封闭空间，内部承装推进剂试液、气口位于上半球顶部，用于冲入高压气体；液口位于下半球底部，用于充放液体，法兰位于柱段与上半球的连接处，实现贮箱的安装固定。热容法试验系统由完成热控实施的贮箱试验系统、温控系统、测控与数据采集系统、实时显示与程控系统，以及试液及氦气加排系统，参见图1。

贮箱试验系统包括贮箱、多层隔热组件、8片加热片以及热敏电阻。贮箱外部整体完全包覆多层隔热组件，降低贮箱与外界的热交换，减少外界干扰。。在贮箱下半球面沿周向均匀分布布置8片加热片，每片加热片面积为300mm(长)×40mm(宽)，功率15W，加热片底边位置距离底端的贮箱液口的平台150mm，8片加热片各片间夹角为45°，详见附图2～3，加热片的分布方式保证能够贮箱能够均匀升温，贮箱的升温速率保证在加热6万～7万秒后达到最大分辨率，例如没10L分辨率达到4℃，在10万秒后达到热平衡。测量精度为±0.1℃的热敏电阻布置在贮箱上半球面(+X,-Y)象限45°角方向，即水平方向位于两个加热片中间位置，与相邻两个加热片均成22.5°角。垂直方向距离气口顶面207mm处，详见附图4。实际操作中可以事先测量贮箱的不同位置布置热敏电阻，获得对于不同剩余推荐量具有最大的温度变化敏感度以及温度分辨率的点作为温度监测点，在该点布置热敏电阻测量温度曲线。

温控系统控制8片加热片进行加热。热容法地面试验在真空罐内进行，真空度在50Pa-150Pa，环境初始温度为室温。试液及氦气加排系统用于向贮箱内加排试液以及氦气，贮箱内工作压力为1.2MPa(绝压)。在考虑测温误差，功率调节误差，热敏电阻焊接、测温系统连线节点引起的误差，以及漏热误差等误差因素的情况下，要求总测温系统精度应该能达到优于0.1℃。贮箱在空箱试验前和装液30L、20L、10L工况试验之前各进行一次检漏工作，保证外漏率满足≤1×10^-2Pa>

测控与数据采集系统采集热电偶输出的数据，进而获得贮箱温度采集精度达到0.001℃，优于测量精度。数据实时显示与程控系统生成温度曲线并显示。

在一个实施例中试验流程为：试验依次进行空箱、30L试液、20L试液、10L试液4种工况下的试验。其中，空箱工况和装无水乙醇的工况下贮箱内压力均为1.2MPa；在贮箱液口端接压力传感器进行压力监测。工况改变时，需要开真空罐将贮箱取出，通过液口的手阀排出试液，用量杯测量，保证30L、20L、10L三种试验工况。

a.空箱热容法试验标定

贮箱充氦气，加压至1.2MPa，检漏后，进行热容法试验。试验期间通过液口处的压传监测压力。

打开加热回路，给8片加热片同时加热100000s，监测观察高精度热敏电阻的测量值变化，并转化为温度值。最后记录每个测量点的过程曲线。

b.30L无水乙醇试验

放气并打开真空罐，之后加30L无水乙醇。之后进行检漏，保证外漏率满足≤1×10^-2Pa·L/s。然后对30L试液工况重复上述空箱工况下的热容法试验过程，其中，加热时间延长为144000s。试验期间通过液口处的压传监测压力。记录每个测量点的过程曲线。

c.20L无水乙醇试验

放气并打开真空罐，之后加20L无水乙醇。之后进行检漏，保证外漏率满足≤1×10^-2Pa·L/s。然后对20L试液工况重复上述空箱工况下的热容法试验过程，其中，加热时间延长为144000s。试验期间通过液口处的压传监测压力。记录每个测量点的过程曲线。

d.10L无水乙醇试验

放气并打开真空罐，之后加10L无水乙醇。之后进行检漏，保证外漏率满足≤1×10^-2Pa·L/s。然后对10L试液工况重复上述空箱工况下的热容法试验过程，其中，加热时间为144000s。试验期间通过液口处的压传监测压力。记录每个测量点的过程曲线。

根据实际对于精度的要求，选择每次减少试液的量，例如每次减少5升，则能够获得空箱、30L试液、25L试液、20L试液、15L试液、10L试液、5L试液，7种工况下的曲线，根据7条曲线进行判断能够获得精度更高的推进剂剩余量。

本发明基于热容法大型贮箱推进剂剩余量精确测量方法，包括如下步骤：

(1)在贮箱的下半球面沿圆周方向均匀包覆多个加热片，保证能够贮箱能够均匀升温。在上半球面两个加热片中间，对于不同剩余推进剂量具有最大的温度变化分辨率。

(2)在贮箱外部整体完全包覆多层隔热组件，并在法兰和支架实施隔热措施降低贮箱与外界的热交换，减少外界干扰。

(3)将贮箱放置在真空系统中，将多个加热片与加热控制系统连接，热敏电阻与测控与数据采集系统连接，在贮箱内加入氦气，使贮箱内压力达到1.2MP，封闭真空系统，抽真空，控制多个加热片进行加热，实时采集温度数据，获得空箱状态温度曲线；

(4)等待贮箱恢复至室温，打开真空罐，在贮箱内加入30L的实际推进剂或实际推进剂比热容相近的试剂，本发明中采用无水乙醇。加入氦气，使贮箱内压力达到1.2MP，封闭真空系统，抽真空，控制多个加热片进行加热，实时采集温度数据，获得30L试液的温度曲线；

(5)等待贮箱恢复至室温，打开真空罐，在将贮箱内加入30L试剂放出10L。加入氦气，使贮箱内压力达到1.2MP，封闭真空系统，抽真空，控制多个加热片进行加热，实时采集温度数据，获得20L试液的温度曲线；

(6)等待贮箱恢复至室温，打开真空罐，在将贮箱内加入20L试剂放出10L。加入氦气，使贮箱内压力达到1.2MP，封闭真空系统，抽真空，控制多个加热片进行加热，实时采集温度数据，获得10L试液的温度曲线；

(7)在实际贮箱下半球面相应位置沿圆周方向均匀包覆多个加热片，与第一步中设置位置相同；与第一步中设置位置相同的位置放置热敏电阻。如果实际贮箱与试验贮箱高度不同，则竖直方向的尺寸比例缩放，找到对应的尺寸位置。在贮箱外部整体完全包覆多层隔热组件，在贮箱内加入氦气，使贮箱内压力达到1.2MP，控制多个加热片进行加热，采集温度数据，并发送给地面监控系统，地面监控系统获得温度曲线，与存储的三条温度曲线对比，最接近的两条曲线对应的推进剂剩余量作为测量的贮箱推进剂剩余量区间。例如该实际取曲线位于20L试液的温度曲线和10L试液的温度曲线，则推进剂剩余量为10L～20L。可通过对温度曲线的插值得出具体的剩余量值。

本发明针对平台卫星1407L大型表面张力贮箱，提出一种推进剂剩余量热容法精确测量方法，通过对加热片功率及加热位置、测温点位置等进行详细设计，得出一套热容法实施方案。对于卫星寿命末期，每7.8kg试液(约为卫星寿命末期3个月的消耗量)最大可达到4.8℃的分辨精度，见附图5。考虑到所使用热敏电阻测量精度为±0.1℃，温度测量与采集设备误差为±0.001℃，总测温系统精度优于0.1℃。此外，鉴于真实燃料的比热容与试液相近，热量吸收与温度变化情况与试验情况相当。因此该技术完全可以满足推进剂估算误差±2.4个月的精度指标要求。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。