航天器带压舱体在轨泄压过程舱内气压变化仿真分析方法
【专利摘要】本发明涉及一种航天器带压舱体在轨泄压过程舱内气压变化仿真分析方法，通过建立带压舱体在轨泄压的集中参数物理模型，包括舱体1、泄压通道2和外界真空环境3三个部分，采用仿真计算的假设条件，对航天器带压舱体在轨泄压过程中舱体内部压力变化进行仿真计算。本发明提出的仿真计算方法可有效应用于载人航天器轨道舱在轨泄压过程或载人飞船与目标飞行器组合体对接通道等密封舱体在轨泄压过程舱内压力变化情况预测，为泄压过程干扰力分析创造条件，从而减小在轨泄压过程所带来的风险。
【专利说明】航天器带压舱体在轨泄压过程舱内气压变化仿真分析方法
【技术领域】
[0001]本发明属于载人航天器姿态干扰计算领域，具体涉及一种航天器带压舱体在轨泄压过程舱内气压变化仿真分析方法。
【背景技术】
[0002]在载人航天任务中，为了保证航天员在太空环境下生存，要求载人航天器中设计密闭空间并充填与地面大气成分和压力相同的气体。在某些特殊的时刻，需要将载人航天器密闭空间中的气体通过专门的排气泄压组件排放至真空中，称为舱体泄压。以我国载人航天任务为例:当航天员需要执行出舱任务时，需先进行轨道舱泄压工作，待舱内压力下降至一定数值下才能打开舱门执行任务；在载人飞船完成空间任务返回地面前，需要先进行轨道舱泄压，将轨道舱压力降至一定数值以下，为轨道舱返回舱的分离做准备；当载人飞船和目标飞行器所形成的组合体分离前，需要对组合体对接通道进行泄压，为两飞行器的分离做准备。航天器在轨泄压过程中，因气体反推力和羽流冲击效应会为舱体带来额外干扰力，影响航天器姿态。准确预测舱体泄压过程所产生的干扰力及干扰力矩的大小对于航天器姿态控制方案设计有着重要意义。准确获知舱体内部的压力变化过程是准确预测干扰力变化情况的前提。
【发明内容】
[0003]本发明解决的技术问题是提供了一种航天器带压舱体在轨泄压过程舱体内部压力变化仿真分析方法。
[0004]为解决上述技术问题，本发明建立如图1所示的带压舱体在轨泄压的集中参数物理模型，进行仿真计算条件假设，进行仿真计算，具体步骤如下:
[0005]1.建立带压舱体在轨泄压的集中参数物理模型，包括舱体1、泄压通道2和外界真空环境3三个部分；
[0006]2.采用仿真计算的假设条件如下:
[0007](I)舱体内部的气体物性参数包括压力P、温度T和密度P —致；
[0008](2)舱体在轨泄压过程中，泄压通道截流面积处的流动状态为临界流动状态；
[0009](3)泄压通道截流面积处的气体速度等于当地音速；
[0010](4)经过截流面积的实际气体流率与采用等熵流动模型计算得到的理论流率值之间相差一个损失系数，该损失系数仅与泄压通道的结构形式有关，通过地面试验测试得到；
[0011](5)在轨泄压过程为绝热过程。
[0012]3.按照步骤I建立的集中参数物理模型和步骤2的假设条件，航天器带压舱体在轨泄压过程中舱体内部压力变化仿真计算方法如下:
[0013](I)初始状态下舱内气体物性参数已知，泄压通道截流面积处气体流动状态为临界流动状态，计算得到截流面积处的气体流动速度和密度；[0014](2)泄压通道截流面积及流率损失系数已知，计算得到该时刻气体排放质量流率；
[0015](3)在获得气体排放质量流率的基础上，选取一个足够小的时间跨度dt，0 < dt< 0.ls，计算得到此时间跨度后舱内剩余气体质量和密度；
[0016](4)利用气体绝热变化过程中密度与温度关系式及理想状态气体方程关系式求得dt时间以后舱内剩余气体温度和压力；
[0017](5)将dt时间以后舱内气体物性参数作为输入进行迭代计算，最终得到航天器带压舱体在轨泄压舱内气体压力、密度、温度随时间变化曲线。
[0018]本发明提出的仿真计算方法可有效应用于载人航天器轨道舱在轨泄压过程或载人飞船与目标飞行器组合体对接通道等密封舱体在轨泄压过程舱内压力变化情况预测，为泄压过程干扰力分析创造条件，从而减小在轨泄压过程所带来的风险。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1带压舱体在轨泄压示意图。
【具体实施方式】
[0020]对于带压舱体在轨泄压过程舱内气体物性参数的仿真计算的具体实施可分为如下五个步骤:
[0021]步骤1，泄压通道截流面积处的气体流动速度和密度计算:
[0022]
【权利要求】
1.一种航天器带压舱体在轨泄压过程舱内气压变化仿真分析方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)建立带压舱体在轨泄压的集中参数物理模型，包括舱体1、泄压通道2和外界真空环境3三个部分； (2)采用仿真计算的假设条件如下: 1)舱体内部的气体物性参数包括压力P、 温度T和密度P—致； 2)舱体在轨泄压过程中，泄压通道截流面积处的流动状态为临界流动状态； 3)泄压通道截流面积处的气体速度等于当地音速； 4)经过截流面积的实际气体流率与采用等熵流动模型计算得到的理论流率值之间相差一个损失系数，该损失系数仅与泄压通道的结构形式有关，通过地面试验测试得到； 5)在轨泄压过程为绝热过程。 (3)按照步骤(1)建立的集中参数物理模型和步骤(2)的假设条件，航天器带压舱体在轨泄压过程中舱体内部压力变化仿真计算方法如下: 1)初始状态下舱内气体物性参数已知，泄压通道截流面积处气体流动状态为临界流动状态，计算得到截流面积处的气体流动速度和密度； 2)泄压通道截流面积及流率损失系数已知，计算得到该时刻气体排放质量流率； 3)在获得气体排放质量流率的基础上，选取一个足够小的时间跨度dt，计算得到此时间跨度后舱内剩余气体质量和密度； 4)利用气体绝热变化过程中密度与温度关系式及理想状态气体方程关系式求得dt时间以后舱内剩余气体温度和压力； 5)将dt时间以后舱内气体物性参数作为输入进行迭代计算，最终得到航天器带压舱体在轨泄压舱内气体压力、密度、温度随时间变化曲线。
2.根据权利要求1所述的一种航天器带压舱体在轨泄压过程舱内气压变化仿真分析方法，其特征在于，步骤(3)所述的仿真计算方法具体如下: 泄压通道截流面积处的气体流动速度和密度计算:
3.根据权利要求1或2所述的一种航天器带压舱体在轨泄压过程舱内气压变化仿真分析方法，其特征在于，O < dt < `0.1s。
【文档编号】G06F19/00GK103678849SQ201210358491
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年9月25日 优先权日:2012年9月25日
【发明者】孙威, 朱华光 申请人:北京空间技术研制试验中心