郭 蕾，李 永，焦 焱，唐 飛，宋 濤

0 引 言

隨著航天器技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用前景的日益廣泛，特別是長壽命衛(wèi)星的投入使用，對航天器整體管理水平和衛(wèi)星使用效率提出了越來越高的要求，在軌航天器壽命期間的管理和維護(hù)已經(jīng)成為迫切需要解決的問題[1].制約衛(wèi)星壽命的主要因素是推進(jìn)劑的攜帶量，精確測定航天器推進(jìn)劑剩余量是航天器在軌管理的關(guān)鍵技術(shù)之一.

自20世紀(jì)60年代，以美國為代表的航天技術(shù)發(fā)達(dá)國家開始研究衛(wèi)星推進(jìn)劑剩余量的測量方法，提出并發(fā)展了簿記(BK)法[2-3]、氣體定律法(PVT)[4]、氣體注入法、放射性探測法、超聲波探測法、電磁探測法、流體動(dòng)力學(xué)法等.其中，簿記法、氣體定律法和氣體注入法是3種常用的測量方法[5].有關(guān)分析表明[6]，簿記法后期因累計(jì)誤差隨時(shí)間增大導(dǎo)致測量精度降低；PVT法由于氦氣壓力隨壓力降低對體積變化的不敏感導(dǎo)致后期準(zhǔn)確性降低，因此局限較大[7]；氣體注入法雖然精度較高，但該方法的裝置比較復(fù)雜.我國目前在軌衛(wèi)星使用PVT法和簿記法估算剩余推進(jìn)劑，這2種方法精度較差，誤差通常為1%～2%，對于衛(wèi)星壽命預(yù)測誤差為6～12個(gè)月，無法滿足國際商業(yè)衛(wèi)星通常的3個(gè)月以內(nèi)的指標(biāo)要求.

熱容法是近期提出的新的推進(jìn)劑剩余量測量方法.與其他測量方法相比，熱容法在衛(wèi)星壽命末期測量精度比較高[8]，另外，熱容法還具有硬件配置簡單、占有星上資源少等優(yōu)點(diǎn)，而且不受衛(wèi)星入軌初始條件的限制，可對并聯(lián)貯箱結(jié)構(gòu)中任一貯箱的推進(jìn)劑剩余量進(jìn)行測量[9].本文對具體貯箱進(jìn)行了基于熱容法的推進(jìn)劑剩余量精確測量方法的地面試驗(yàn)研究，對不同試液裝填量在不同加熱工況下，在不同測溫點(diǎn)的熱響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集，并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.

1 熱容法的基本原理

熱容法(thermal propellant gauging system,PGS)是熱量激勵(lì)技術(shù)的一種.用加熱器對貯箱壁面加熱，利用對貯箱進(jìn)行特定功率加熱過程中的溫度變化數(shù)據(jù)計(jì)算貯箱和推進(jìn)劑的熱容，對比在軌實(shí)際測量結(jié)果與不同推進(jìn)劑剩余量下的模型計(jì)算結(jié)果，從而估算出貯箱內(nèi)的推進(jìn)劑剩余量.

貯箱內(nèi)的溫度變化遵循能量守恒公式

(1)

(2)

(3)

由于在軌貯箱的溫度場分布不均勻，無法直接獲得貯箱加熱過程中的真實(shí)溫度變化情況，因此熱容法是通過逆向仿真計(jì)算來估算剩余推進(jìn)劑的，熱容法測量推進(jìn)劑剩余量的步驟如下：

(1)建立整星條件下推進(jìn)劑貯箱的詳細(xì)熱分析模型；

(2)計(jì)算不同剩余量下貯箱加熱過程中的溫度變化數(shù)據(jù)；

(3)在軌實(shí)施對貯箱加熱動(dòng)作，測量實(shí)際溫度變化數(shù)據(jù)；

(4)比對在軌實(shí)測溫度數(shù)據(jù)與熱分析計(jì)算數(shù)據(jù)，得到推進(jìn)劑剩余量并進(jìn)行誤差分析.

由上述步驟可知，熱容法測量推進(jìn)劑剩余量的關(guān)鍵是建立整星條件下推進(jìn)劑貯箱的詳細(xì)熱分析模型及測量不同推進(jìn)劑剩余量下的實(shí)際溫度變化規(guī)律.雖然地面無法完全模擬在軌微重力的條件，但地面和在軌的熱傳導(dǎo)的基本原理和規(guī)律是一致的，因此可以通過一些假設(shè)，利用地面試驗(yàn)驗(yàn)證熱容法溫度變化的基本規(guī)律，并且地面試驗(yàn)的熱控實(shí)施效果及有效輻射率與在軌狀態(tài)是等效的，因此地面試驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)闊崛莘ǖ膶?shí)際在軌應(yīng)用提供參考依據(jù).

2 地面試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

為了驗(yàn)證熱容法的可行性，考察熱容法地面試驗(yàn)精度，并對星上熱容法方案給出實(shí)施依據(jù)，包括加熱功率以及熱敏電阻的精度和位置，對1407L貯箱進(jìn)行了地面試驗(yàn).研究相同加熱條件下，不同推進(jìn)劑剩余量下的溫度變化規(guī)律；分別使用不同加熱功率進(jìn)行加熱，考察不同功率下的溫度變化情況.

2.2 試驗(yàn)工況

實(shí)際在軌衛(wèi)星的推進(jìn)劑介質(zhì)為甲基肼，這種介質(zhì)具有毒性和腐蝕性.經(jīng)理論分析及實(shí)驗(yàn)?zāi)M，無水乙醇的比熱與甲基肼的比熱相近，可以達(dá)到相同的試驗(yàn)效果，因此，考慮試驗(yàn)的安全性，試驗(yàn)使用無水乙醇代替甲基肼作為推進(jìn)劑介質(zhì).

地面試驗(yàn)分為6個(gè)工況，具體工況設(shè)置如表1所示.在不同推進(jìn)劑裝填量下，分別采用不同的加熱條件進(jìn)行熱容法試驗(yàn)，測定不同測溫點(diǎn)的溫度變化情況，從而得出不同試液裝填量之間的溫度分辨率.

表1 工況設(shè)置表Tab.1 The operation conditions

2.3 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)前需要對貯箱進(jìn)行熱控實(shí)施工作.熱控實(shí)施工作包括加熱片、熱敏電阻的粘貼，以及多層隔熱材料的包覆工作.按照貯箱星上的安裝方式，對支架和接觸面采取隔熱包覆措施，減小支架支撐腿與真空罐接觸產(chǎn)生的外部漏熱，貯箱外部整體完全包覆多層隔熱組件.

地面試驗(yàn)配備相應(yīng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控系統(tǒng).采集精度達(dá)到0.001 ℃，優(yōu)于測量精度.同時(shí)編寫溫度判讀及自動(dòng)控溫軟件，并制作數(shù)據(jù)顯示界面.

熱容法試驗(yàn)系統(tǒng)包括完成熱控實(shí)施的貯箱試驗(yàn)系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、測控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示與程控系統(tǒng)，以及模擬液及氦氣加排系統(tǒng)，如圖1所示.

圖1 熱容法系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 The system composition of PGS

2.4 加熱片和熱敏電阻配置

根據(jù)貯箱內(nèi)推進(jìn)劑液面分布的特點(diǎn)，進(jìn)行加熱器和測溫點(diǎn)的布置.加熱器設(shè)置在貯箱中段和下艙位置.試驗(yàn)用加熱器共3類，有14路電加熱器(含備份加熱器).其中，熱容法新布置的加熱片有兩類共12路(含備份加熱器)，主份回路第1類共4路，分布在4個(gè)粘貼區(qū)域，其中兩個(gè)粘貼區(qū)域位于貯箱中段的柱面部分，另兩個(gè)在沿貯箱的半球球面上，每路功率30 W，每個(gè)加熱片是一個(gè)回路；第2類共2路，分布在兩個(gè)粘貼區(qū)域，位于貯箱下半球的底部，每路15 W，每個(gè)加熱片是一個(gè)回路，備份回路與主份回路配置相同.加熱片粘貼區(qū)域如圖2～3所示.

圖2 加熱片和熱敏電阻位置示意圖Fig.2 The positions of heater and thermistor

圖3 加熱片和熱敏電阻位置底部示意圖Fig.3 The positions of heater and thermistor at the bottom of the view

為了全面準(zhǔn)確的反映整個(gè)貯箱系統(tǒng)的溫度變化趨勢，熱敏電阻布置在相對于推進(jìn)劑液面的不同位置上.貯箱上共設(shè)置20只熱敏電阻用于熱容法溫度測量，從不同角度沿貯箱弧長和柱面母線安裝兩列，安裝位置如圖3、圖4所示.該類熱敏電阻為高精度熱敏電阻MF61，熱敏電阻的性能如表2所示.

表2 熱敏電阻的性能Tab.2 the parameters of thermistors

2.5 試驗(yàn)條件

熱容法地面試驗(yàn)在真空罐內(nèi)進(jìn)行，環(huán)境初始溫度為室溫.工作介質(zhì)為氦氣，貯箱內(nèi)工作壓力為1.2 MPa(絕壓).在考慮測溫誤差，功率調(diào)節(jié)誤差，熱敏電阻焊接、測溫系統(tǒng)連線節(jié)點(diǎn)引起的誤差，以及漏熱誤差等誤差因素的情況下，要求總測溫系統(tǒng)精度應(yīng)該能達(dá)到優(yōu)于0.1.貯箱在裝液30 L、20 L、10 L工況試驗(yàn)之前各進(jìn)行一次檢漏工作，保證外漏率滿足≤1×10-2Pa·L/s.地面試驗(yàn)關(guān)閉真空罐前的熱容法試驗(yàn)狀態(tài)如圖4所示.

圖4 地面試驗(yàn)關(guān)閉真空罐前的熱容法試驗(yàn)狀態(tài)Fig.4 The condition of experiment before closing the vacuum tank

2.6 結(jié)果分析

熱容法是通過測量不同剩余量下的貯箱溫度變化來估算貯箱內(nèi)的推進(jìn)劑剩余量的，定義不同推進(jìn)劑剩余量之間溫度的差異為溫度分辨率，不同推進(jìn)劑剩余量之間溫度分辨率越大，測量的精度越高.對所有6種試驗(yàn)工況收集數(shù)據(jù)并繪制曲線圖，通過分析同一測溫點(diǎn)在不同液體裝填量下的溫度分辨率來驗(yàn)證熱容法測量的精度.

通過曲線圖發(fā)現(xiàn)，在20個(gè)熱敏電阻中，編號為TR1、TR2和TR3的熱敏電阻的溫度分辨率較大.其中， TR1在3種液體量下均在液面以下； TR2當(dāng)10 L 液體填充時(shí)在液面上，20 L和30 L液體填充時(shí)在液面下，因此僅有20 L和30 L的曲線有可比性； TR3當(dāng)10 L和20 L液體填充時(shí)在液面上，30 L液體填充時(shí)在液面下，因此僅有10 L和20 L的曲線有可比性.圖5～6是加熱功率分別為30 W和60 W 時(shí)熱敏電阻在不同液體填充狀態(tài)下的溫度變化曲線.

圖5 30 W加熱功率不同液體填充狀態(tài)下熱敏電阻的溫度曲線Fig.5 The temperature of thermistor with different filling quantity of liquid under 30 W heating power

由圖5可知，加熱功率為30 W時(shí)，TR1在10 L與20 L液體填充狀態(tài)下溫度最大分辨率為2.2 ℃，20 L 與30 L液體填充狀態(tài)下溫度最大分辨率為1.87 ℃；TR2在20 L與30 L液體填充狀態(tài)下溫度最大分辨率為2.05 ℃；TR3在10 L與20 L液體填充狀態(tài)下溫度最大分辨率為1.33 ℃.

圖6. 60 W加熱功率不同液體填充狀態(tài)下熱敏電阻的溫度曲線Fig.6 The temperature of thermistor with different filling quantity of liquid under 60 W heating power

由圖6可知，加熱功率為60 W時(shí)，TR1在10 L與20 L液體填充狀態(tài)下溫度最大分辨率為4.8 ℃，20 L與30 L液體填充狀態(tài)下溫度最大分辨率為2.44 ℃；TR2在20 L與30 L液體填充狀態(tài)下溫度最大分辨率為3℃；TR3在10 L與20 L液體填充狀態(tài)下溫度最大分辨率為3.16 ℃.

分析熱敏電阻的溫度變化可以得出結(jié)論，在加熱功率分別為30 W和60 W時(shí)，熱敏電阻在不同液體填充狀態(tài)下的溫度分辨率較大，熱容法實(shí)施效果好.并且熱敏電阻越靠近液體分布處，溫度分辨率越大，熱容法的測量精度越高.相同的加熱功率下，推進(jìn)劑剩余量越小，溫度分辨率越大，即熱容法在衛(wèi)星壽命末期的測量精度比較高；不同的加熱功率下，加熱功率為30 W時(shí)，由于加熱功率過小，溫度分辨率不如加熱功率為60 W時(shí)好.

假定地球同步商業(yè)通信衛(wèi)星的單個(gè)貯箱一年的推進(jìn)劑消耗量為22 L，根據(jù)地面試驗(yàn)結(jié)果可以推算出，熱容法的測量精度為3個(gè)月.而PVT法和BK法的衛(wèi)星壽命預(yù)測誤差為6～12個(gè)月，因此，熱容法的測量精度更高.

經(jīng)過地面試驗(yàn)及分析可知，實(shí)際對大型貯箱在軌應(yīng)用熱容法時(shí)，加熱功率設(shè)置為60 W為宜，用于測溫的熱敏電阻的精度為0.1 ℃比較合適，測溫點(diǎn)應(yīng)布置在液體分布處或靠近液體分布處，熱容法的測量精度較高.

3 結(jié) 論

推進(jìn)劑剩余量測量是衛(wèi)星在軌管理的重要工作，對在軌衛(wèi)星的液體推進(jìn)劑進(jìn)行準(zhǔn)確可靠檢測，不僅是航天技術(shù)發(fā)展的必然要求，更是確保衛(wèi)星有效使用和航天任務(wù)全面完成的重要條件.本文對1 407 L大型貯箱進(jìn)行了基于熱容法的推進(jìn)劑剩余量精確測量方法的地面試驗(yàn)，包括熱容法試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、熱容法地面試驗(yàn)系統(tǒng)的搭建，以及熱容法地面試驗(yàn)驗(yàn)證.經(jīng)過地面試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析可知，熱容法的測量精度為3個(gè)月，明顯優(yōu)于PVT法和BK法，滿足目前地球同步商業(yè)通信衛(wèi)星的應(yīng)用要求，并基于試驗(yàn)結(jié)論給出了熱容法的實(shí)施建議.相對于其他測量方法，熱容法在衛(wèi)星壽命末期測量精度高，實(shí)施效果好，可以推廣應(yīng)用于空間推進(jìn)系統(tǒng)在軌推進(jìn)劑的剩余量計(jì)算，進(jìn)一步提高我國的空間推進(jìn)技術(shù)水平.

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