基于液体晃动力的推进剂剩余量测量系统及方法

本发明属于航天器推进剂测量，具体涉及基于液体晃动力的推进剂剩余量测量系统及方法。

背景技术：

1、推进剂剩余量是目前航天器在轨管理的关键技术之一，航天器在轨工作时，有时需要进行轨道保持，而轨道保持需要消耗航天器自身携带的推进剂，航天器在轨寿命很大程度上取决于轨道保持能力，因此航天器自身携带的推进剂消耗情况对于预测航天器在轨寿命具有重要作用。为了实现微重力下在轨航天器的推进剂剩余量的精确测量，用以准确预测航天器的在轨工作寿命，目前以发展诸多技术用来预测航天器的推进剂剩余量，包括流量计技术、压力-体积-温度(pvt)技术、放射性示踪技术、簿记(bk)技术、气体压力注入技术等。

2、我国目前在轨卫星定点后，均使用pvt法对在轨卫星的剩余推进剂进行预估，误差通常为1％～2％，对于卫星寿命预测误差通常在6～12个月，无法满足国际商业卫星通常的3个月以内的指标要求，而通信卫星能力提升更加提高了对推进剂剩余量测量和推进剂高效利用的要求。低精度的测量方法存在对推进剂过度浪费的问题，而无法精确预测推进剂剩余量的情况下，过度利用推进剂，又对卫星离轨造成潜在影响。现有的基于压差和基于温控的利用气体状态方程的推进剂剩余量测量方法，需在推进剂贮箱上安装自锁阀、稳压容器、压力传感器和压差传感器等设备，测试设备较为繁杂，占用了航天器宝贵的空间资源。因此，有必要开发一种结构简单、对航天器推进剂剩余量精确判读的方法。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供基于液体晃动力的推进剂剩余量测量系统及方法，用以对在轨航天器的剩余推进剂量进行准确估计。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供基于液体晃动力的推进剂剩余量测量系统，包括：激励发生单元、晃动平台、信号收集单元和数据处理单元；

3、所述激励发生单元包括依次信号连接的信号发生器、功率放大器和激振器；推进剂贮箱安装于所述晃动平台上，且与晃动平台固定连接实现沿x、y轴正负两个方向和绕z轴旋转的共5个自由度的运动；所述激振器的激振器顶杆与晃动平台固定连接用以给予晃动平台平行于x轴的激励；

4、所述信号收集单元包括依次信号连接的三轴力传感器、应变放大器和数据采集仪；数据采集仪通过网络与数据处理单元信号连接。

5、作为本发明的基于液体晃动力的推进剂剩余量测量系统的改进：

6、所述三轴力传感器安装在推进剂贮箱底部中心位置上，以推进剂贮箱的底部中心为原心设立参考坐标系，所述激振器位于参考坐标系yz面的左侧。

7、本发明还提供了利用基于液体晃动力的推进剂剩余量测量系统进行推进剂剩余量测量的方法，其特征在于：

8、s1、所述信号发生器发出激励信号fi(t)＝a(t)；

9、s2、所述功率放大器将所述激励信号的幅度增加并传输给激振器；

10、s3、所述激振器通过激振器顶杆向右将激振输出到晃动平台上，给予推进剂贮箱平行于参考坐标系x轴的向右的水平激励；

11、s4、推进剂贮箱在水平激励的作用下产生晃动，推进剂对推进剂贮箱壁面产生晃动力；

12、s5、所述三轴力传感器测量并输出与晃动力大小成正比的模拟量信号；

13、s6、所述数据采集仪将所述模拟量信号转换为沿x、y、z轴的动态晃动力数据信号f1、f2和f3，并将动态晃动力数据信号f1、f2、f3随时间变化直至达到的稳态值的过程数据实时发送给数据处理单元；

14、s7、数据处理单元绘制输出晃动力随时间变化的时间响应曲线并获得最大峰值xtmax、稳态值xt(∞)和峰值时间tp，然后计算输出推进剂剩余量m：

15、

16、其中，mp表示最大峰值和稳态值的差。

17、作为本发明的推进剂剩余量测量的方法的改进：

18、所述推进剂剩余量的推导过程具体为：

19、(1)、设定：采用弹簧振子模型对推进剂贮箱模型进行等效，设定推进剂贮箱中的推进剂为不可压缩液体；

20、(2)、取x轴方向的动态晃动力f1绘制时间响应x0(t)的曲线，并得到晃动力的最大峰值xtmax、稳态值xt(∞)、峰值时间tp；

21、(3)、根据牛顿第二定律，有：

22、

23、其中，k表示等效系统的弹性刚度，d表示等效系统的粘性阻尼系数，m表示等效系统的质量；

24、对上述式(2)进行拉氏变换，并整理有：

25、(ms2+ds+k)x0(s)＝fi(s)                 (3)

26、设定最大超调量：

27、

28、其中δx表示最大峰值点跟稳态值的差，δx＝xtmax-xt(∞)，ξ为阻尼比；

29、设定：

30、进一步地有：

31、

32、由拉氏变换后的式(3)可得知：

33、

34、由终值定理得：

35、

36、进一步地有：

37、固有：

38、综合上述式(3)-式(10)后获得所述式(1)。

39、本发明的有益效果主要体现在：

40、本发明的基于液体晃动力的推进剂剩余量测量系统及方法通过输入激励，利用三轴力传感测量推进剂贮箱受迫振动，推进剂产生的动态晃动力数据，从而计算推进剂的剩余量，相比现有的基于压差和基于温控的利用气体状态方程的推进剂剩余量测量方法，测量的数据更少，测试过程更简单。现有的推进剂测量方法中，并没有利用液体推进剂产生的晃动力来进行推进剂余量的测量，本发明是一种全新的推进剂剩余量测量方法，为推进剂剩余量的测量提拱了一种全新的思路。

技术特征：

1.基于液体晃动力的推进剂剩余量测量系统，其特征在于:包括激励发生单元、晃动平台、信号收集单元和数据处理单元；

2.根据权利要求1所述的基于液体晃动力的推进剂剩余量测量系统，其特征在于：

3.利用如权利要求1-2任一所述的测量系统进行推进剂剩余量测量的方法，其特征在于：

4.根据权利要求3所述的推进剂剩余量测量的方法，其特征在于：

技术总结
本发明属于航天器推进剂测量技术领域，公开了基于液体晃动力的推进剂剩余量测量系统，包括晃动平台，推进剂贮箱安装于晃动平台上，激振器的激振器顶杆与晃动平台固定连接，三轴力传感器安装在推进剂贮箱底部中心位置；信号发生器、功率放大器和激振器依次信号连接，三轴力传感器、应变放大器、数据采集仪和数据处理单元依次信号连接。本发明还同时公开了推进剂剩余量测量方法，信号发生器输出的阶跃信号通过功率放大器传输到激振器，激振器给予晃动平台平行于X轴的激励，三轴力传感器采集晃动力的模拟信号并通过数据采集仪转换为数据信号发送给数据处理单元后获得推进剂剩余量。本发明提供了一种新的推进剂剩余量的测量方法和思路。

技术研发人员：翟璐璐,张梁,朱祖超
受保护的技术使用者：浙江理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15