微重力条件下贮箱液体推进剂量自主检测方法研究

论文摘要

航天器液体推进剂量的多少直接关系到航天器的寿命和对航天器任务的安排,因此在航天器执行任务期间,尽可能精确地估算出贮箱内推进剂量。另一方面,针对微重力条件下的液体推进剂在轨加注系统,对贮箱内推进剂量进行自主检测,可以很好地把握加注时机,避免航天器提早结束寿命。由于微重力环境特殊性,导致很多推进剂量测量方法测量精度不高,例如对地球静止轨道卫星推进剂测量误差为3%时,将导致对其寿命估计误差达半年。论文主体以体积激励法为研究重点,针对该方法的优越性分析了其测量原理及其影响因素,并对地面试验系统进行了初步设计与研究。首先,系统研究了该领域已有的测量方法,并依据方法涉及的学科领域对各种测量方法的测量原理进行了详细的阐述,总结了各种测量方法的优缺点。重点研究了体积激励法的测量原理,分析了对测量控制方程产生很大影响的非绝热过程、贮箱可压性和气体多组分这几项误差源,并将误差模型反映到理想测量控制方程内,对方程进行修正。同时,讨论了可能对测量产生影响的部分因素,并在已有的技术条件下,给定能实现的技术指标,预估了本方法的测量精度。其次,在体积激励法测量原理的基础上,对激励过程贮箱内气体受激励后的热力学状态进行了仿真。从气体的能量、质量和状态方程入手,建立了激励过程气体传热传质模型,分别对静态测量和动态测量对系统进行了仿真,并对仿真结果进行了讨论分析。并对构造地面试验系统进行了探究,系统主要包括贮箱、激励装置、测量系统及数据采集处理系统,其中激励装置电机、机轴、偏心轮、连杆、波纹管及活塞;测量子系统包括压力传感器、热电偶及相应的测量辅助电路。同时,介绍了测量的具体过程及数据处理流程,并提出了修正理论的验证方法。然后,分析了影响激励频率的各种振动因素,主要包括贮箱结构固有频率、液体自由晃动频率及多气泡的协同共振频率,并提出了预估最低频率的方法。针对动压测量的特殊性,分析了其管腔效应对测量结果的影响效应及其修正措施。最后,在已有的体积激励法基础上,对其提出了一些改进措施,目的是寻求比较好测量精度高、适用性强、操作简单方便的测量方法。总之,论文在理论上系统研究了测量微重力条件下贮箱液体推进剂量的体积激励法,明确了该方法的能够达到要求的测量精度,使得测量误差在1%以内,是一种可重复操作、简便易行的测量手段,并探究了地面试验方案,为下一步进行地面试验提供参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究背景及意义
• 1.2 微重力条件下推进剂量测量的特点
• 1.3 微重力条件下贮箱推进剂量自主检测方法概述
• 1.3.1 热力学方法
• 1.3.1.1 PVT 法
• 1.3.1.2 气体注入法
• 1.3.1.3 体积激励法
• 1.3.1.4 热量法
• 1.3.2 无线电频率法
• 1.3.3 放射性法
• 1.3.4 光学衰减法
• 1.3.5 电磁技术
• 1.3.6 流体动力学方法
• 1.3.7 超声波技术
• 1.3.8 其它方法
• 1.3.9 检测精度对比
• 1.4 论文主要研究内容
• 第二章 体积激励法测量推进剂量原理
• 2.1 引言
• 2.1.1 测量方法选择依据
• 2.1.2 测量方法的确定
• 2.1.3 体积激励法与传统PVT 法的区别
• 2.1.4 贮箱内液体推进剂量的定义
• 2.2 体积激励法的测量原理
• 2.3 影响体积激励法测量的因素及修正
• 2.3.1 非完全绝热影响
• 2.3.2 贮箱的可压性影响
• 2.3.3 气体组分影响
• 2.3.4 温度分层影响
• 2.4 其余影响因素讨论
• 2.4.1 流体力学影响
• 2.4.2 推进剂蒸气凝结
• 2.4.3 贮箱泄露
• 2.4.4 表面张力
• 2.4.5 液体的可压性
• 2.4.6 气体的非理想性
• 2.4.7 推进剂量计算
• 2.5 测量系统的误差分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 贮箱体积激励过程仿真
• 3.1 引言
• 3.2 基本假设
• 3.2.1 贮箱系统假设
• 3.2.2 贮箱内部相互作用假设
• 3.3 数学模型
• 3.3.1 模拟体积激励的工作机理
• 3.3.2 需要模拟的物理过程
• 3.3.3 数学模型
• 3.4 仿真结果及分析
• 3.4.1 静态测量
• 3.4.2 动态测量
• 3.5 本章小结
• 第四章 地面试验方案设计
• 4.1 引言
• 4.2 系统硬件结构设计
• 4.2.1 贮箱系统
• 4.2.2 激励装置
• 4.2.3 测量系统
• 4.2.3.1 压力测量
• 4.2.3.2 温度测量
• 4.2.4 电路及辅助设备
• 4.3 实验过程及数据处理
• 4.3.1 测量过程
• 4.3.2 数据处理
• 4.4 本章小结
• 第五章 测量的共振影响研究
• 5.1 引言
• 5.2 液体自由晃动对测量的干扰分析与规避
• 5.2.1 液体自由晃动模型
• 5.2.1.1 基本方程
• 5.2.1.2 泛函极值原理
• 5.2.1.3 方程的离散
• 5.2.2 液体晃动频率数值解
• 5.2.2.1 矩形充液容器
• 5.2.2.2 圆柱形充液容器
• 5.3 气泡共振对测量的影响分析
• 5.3.1 单气泡共振频率
• 5.3.2 多气泡共振
• 5.3.3 激励频率的选择
• 5.4 流体对压力传感器影响分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 测量方法的改进
• 6.1 引言
• 6.2 频率测量法
• 6.3 状态平衡测量
• 6.4 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果