用于降低混合比偏差造成的推进剂不可用量的优化方法与流程

1.本发明涉及双组元推进系统技术领域，尤其涉及一种用于降低双组元推进系统混合比偏差造成的推进剂不可用量的优化方法。


背景技术：

2.使用双组元推进系统的航天器一般存在少量推进剂不可用的问题，其中推进剂混合比偏差造成的推进剂不可用量占比最高。由于发动机比冲、航天器重量等因素限制，载人深空探测航天器对推进剂的高效利用需求极为迫切。双组元推进系统的推进剂不可用量主要由四部分组成，具体包括推进剂贮箱残留、管路残留、同组元并联贮箱排放不平衡导致的推进剂不可用量以及氧燃混合比偏差导致的推进剂不可用量。国内对推进剂不可用量控制的研究主要集中在降低贮箱排放不平衡导致的推进剂不可用量方面，但在降低混合比偏差导致的推进剂不可用量方面开展的研究较少。


技术实现要素：

3.为了降低大型航天器混合比偏差造成的推进剂不可用量，本发明提供了一种用于降低混合比偏差造成的推进剂不可用量的优化方法。
4.为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：
5.本发明提供一种用于降低混合比偏差造成的推进剂不可用量的优化方法，包括：
6.s1、基于推进剂混合比、混合比偏差和推进剂初始加注量，获得混合比偏差导致的推进剂不可用量；
7.s2、增加燃料以优化并降低推进剂不可用量，获得最优燃料额外加注量和优化后的推进剂不可用量。
8.根据本发明的一个方面，所述混合比偏差导致的推进剂不可用量的计算模型为
[0009][0010]
其中，m表示推进剂初始加注量，δσ表示混合比偏差，σ表示推进剂混合比。
[0011]
根据本发明的一个方面，所述推进剂包括氧化剂和燃料。
[0012]
根据本发明的一个方面，所述步骤s2包括：增加燃料消耗氧化剂，并利用燃料额外加注量与推进剂不可用量之间的关系，获得推进剂不可用量的最小值，即为所述优化后的推进剂不可用量，以及对应的燃料额外加注量，即为所述最优燃料额外加注量。
[0013]
根据本发明的一个方面，所述燃料额外加注量与推进剂不可用量之间的关系为：当燃料额外加注量较小时，推进剂不可用量随着燃料额外加注量的增大而减小，此时的推进剂不可用量为氧化剂；当燃料额外加注量增加到一定程度时，推进剂不可用量随着燃料额外加注量的增大而增大，此时的推进剂不可用量为燃料。
[0014]
根据本发明的一个方面，所述最优燃料额外加注量的计算模型为
[0015][0016]
其中，m表示推进剂初始加注量，δσ表示混合比偏差，σ表示推进剂混合比。
[0017]
根据本发明的一个方面，所述优化后的推进剂不可用量的计算模型为
[0018][0019]
其中，m表示推进剂初始加注量，δσ表示混合比偏差，σ表示推进剂混合比。
[0020]
有益效果：
[0021]
根据本发明的方案，通过增加燃料实现用于降低双组元推进系统混合比偏差导致的推进剂不可用量的优化方法，建立双组元推进系统混合比偏差导致的推进剂不可用量最小值和最优燃料加注量的计算模型，可有效避免现有的大型航天器混合比偏差造成的推进剂不可用量过大的问题，并已成功应用于载人航天器推进剂不可用量评估与控制，有助于确定和优化飞行阶段姿轨控推进剂可用量以及推进剂初始加注量，为航天器飞行任务规划建立清晰的约束条件。
附图说明
[0022]
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0023]
图1示意性表示本发明的一种实施方式的用于降低混合比偏差造成的推进剂不可用量的优化方法流程图；
[0024]
图2示意性表示本发明的一种实施方式的推进剂不可用量随燃料额外加注量增加而变化的关系图；
[0025]
图3示意性表示本发明的一种实施方式的优化前的推进剂不可用量、优化后的推进剂不可用量与推进剂混合比的关系图；
[0026]
图4示意性表示本发明的一种实施方式的优化前的推进剂不可用量、优化后的推进剂不可用量与推进剂混合比偏差的关系图。
具体实施方式
[0027]
此说明书实施方式的描述应与相应的附图相结合，附图应作为完整的说明书的一部分。在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各结构的部分将以分别描述进行说明，值得注意的是，图中未示出或未通过文字进行说明的元件，为所属技术领域中的普通技术人员所知的形式。
[0028]
此处实施例的描述，有关方向和方位的任何参考，均仅是为了便于描述，而不能理解为对本发明保护范围的任何限制。以下对于优选实施方式的说明会涉及到特征的组合，这些特征可能独立存在或者组合存在，本发明并不特别地限定于优选的实施方式。本发明的范围由权利要求书所界定。
[0029]
如图1所示，本实施方式的用于降低混合比偏差造成的推进剂不可用量的优化方法，包括以下步骤：
[0030]
s1、基于推进剂混合比、混合比偏差和推进剂初始加注量，获得混合比偏差导致的推进剂不可用量；
[0031]
s2、增加燃料以优化并降低推进剂不可用量，获得最优燃料额外加注量和优化后的推进剂不可用量。
[0032]
在本实施方式中，推进剂包括氧化剂和燃料。假设双组元推进系统的氧化剂密度为ρ1，燃料密度为ρ2，标称等容混合比σ＝ρ1/ρ2≥1，则按等容混合比加注的推进剂总质量为m。实际上，由于管路布局、管路长度以及流阻的差异，推进剂实际混合比会出现小范围的偏差，实际混合比可以表示为σ
±
δσ。
[0033]
在步骤s1中，所获取的混合比偏差导致的推进剂不可用量p的计算模型为
[0034][0035]
其中，m表示推进剂初始加注量，δσ表示混合比偏差，σ表示推进剂混合比。
[0036]
为了减小上述推进剂不可用量，步骤s2具体包括：增加燃料消耗氧化剂，并利用燃料额外加注量与推进剂不可用量之间的关系，获得优化后的推进剂不可用量和最优燃料额外加注量。通过增加燃料消耗氧化剂的方式，保证氧化剂优先耗尽，最终剩余密度较轻的燃料，从而可以降低推进剂的不可用量。假设增加燃料的质量为m，那么航天器初始加注的氧化剂和燃料质量分别为和
[0037]
当燃料额外加注量较小时，氧化剂剩余量较多，推进剂不可用量随着燃料额外加注量的增大而减小，此时的推进剂不可用量为氧化剂剩余量；当燃料额外加注量增加到一定程度时，燃料剩余量较多，推进剂不可用量随着燃料额外加注量的增大而增大，此时的推进剂不可用量为燃料剩余量。因此，混合比偏差导致的推进剂不可用量存在一个最小值，即为优化后的推进剂不可用量，对应的燃料额外加注量为最优燃料额外加注量。
[0038]
在步骤s2中，获得的推进剂不可用量最小时的上述最优燃料额外加注量的计算模型为
[0039][0040]
其中，m表示推进剂初始加注量，δσ表示混合比偏差，σ表示推进剂混合比。
[0041]
在步骤s2中，获得的优化后的上述(最小)推进剂不可用量为
[0042][0043]
其中，m表示推进剂初始加注量，δσ表示混合比偏差，σ表示推进剂混合比。
[0044]
本实施方式以某一载人航天器推进系统推进剂不可用量优化分析为例，假设推进剂混合比σ＝1.65，混合比偏差δσ＝0.024，等容混合比推进剂加注量m＝20000kg，则给定燃料额外加注量m，贮箱氧化剂剩余量δmo和燃料剩余量δmf随着燃料额外加注量m增大而变化的关系如图2所示。当燃料额外加注量较小时，贮箱内氧化剂剩余量即为推进剂不可用
量；当燃料额外加注量增加到一定程度后，燃料剩余量即为推进剂不可用量。混合比偏差导致的推进剂不可用量存在一个最小值，此时燃料额外加注量me＝27.77kg，最小推进剂不可用量pe＝135.98kg，相比于优化前的推进剂不可用量p＝181.13kg，通过上述方法优化后推进剂不可用量降低或减少了45.15kg。
[0045]
为了进一步分析验证用于降低混合比偏差导致的推进剂不可用量的优化方法的优化效果，首先分析了固定推进剂混合比偏差时优化前后的推进不可用量，优化前的推进剂不可用量p、优化后的推进剂不可用量pe与推进剂混合比σ的关系，如图3所示，可知该优化方法可以显著降低推进剂不可用量，并且推进剂混合比越大、优化效果越明显。其次分析了固定推进剂混合比时优化前后的推进不可用量，优化前的推进剂不可用量p、优化后的推进剂不可用量pe与推进剂混合比偏差δσ的关系，如图4所示，可知，随着混合比偏差的增大，推进剂不可用量增大，同时优化减小的推进剂不可用量更多，优化效果更明显。
[0046]
对于本发明的方法所涉及的上述各个步骤的序号并不意味着方法执行顺序的先后，各步骤的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明的实施方式的实施过程构成任何限定。
[0047]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。