本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)在軌飛行混合比調(diào)整方法，用于國(guó)內(nèi)典型高軌衛(wèi)星，在其使用雙組元化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行變軌、定點(diǎn)捕獲及全壽命周期內(nèi)軌道控制時(shí)進(jìn)行氧燃推進(jìn)劑消耗量及混合比的計(jì)算、調(diào)整和控制。
背景技術(shù)：
目前國(guó)內(nèi)主要地球靜止軌道衛(wèi)星發(fā)射后采用雙組元推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)移軌道變軌，之后完成定點(diǎn)捕獲并開(kāi)展業(yè)務(wù)，一般衛(wèi)星服務(wù)壽命15年。衛(wèi)星雙組元推進(jìn)系統(tǒng)所用推進(jìn)劑包括氧化劑和燃燒劑，氧化劑和燃燒劑的質(zhì)量比稱(chēng)為混合比，衛(wèi)星推進(jìn)劑混合比的控制情況直接影響到衛(wèi)星使用壽命。一般地球靜止軌道衛(wèi)星采用變軌發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)移軌道變軌，變軌期間通過(guò)姿控推力器進(jìn)行衛(wèi)星姿態(tài)控制。衛(wèi)星變軌結(jié)束時(shí)消耗掉約占初始攜帶總量80％推進(jìn)劑，之后變軌發(fā)動(dòng)機(jī)不再使用，后續(xù)定點(diǎn)捕獲及全壽命周期軌道維持及姿態(tài)控制通過(guò)多臺(tái)姿控推力器完成，這些姿控推力器消耗掉衛(wèi)星變軌后剩余推進(jìn)劑。衛(wèi)星設(shè)計(jì)兩只完全相同的貯箱，一只裝填氧化劑、另一只裝填燃燒劑，按照推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，理想狀況下轉(zhuǎn)移軌道變軌及在軌全部壽命期間氧燃推進(jìn)劑應(yīng)該等體積排放，氧燃推進(jìn)劑混合比額定值約為1.65。但實(shí)際考慮壓力、溫度、系統(tǒng)流阻等因素，氧燃推進(jìn)劑排放速率及消耗量會(huì)略微偏離額定值，而且衛(wèi)星實(shí)際加注時(shí)也可能根據(jù)需求對(duì)氧燃加注量進(jìn)行小幅度調(diào)整，混合比會(huì)略微偏離其標(biāo)稱(chēng)值。
目前地球靜止軌道衛(wèi)星在轉(zhuǎn)移軌道變軌、定點(diǎn)捕獲及全部壽命期間推進(jìn)劑消耗量及混合比計(jì)算一般采用PVT方法和記賬法，在變軌結(jié)束后給出變軌推進(jìn)劑消耗量、剩余量與混合比?？筛鶕?jù)剩余推進(jìn)劑混合比情況分別起爆氧燃貯箱上游氣路電爆閥來(lái)調(diào)整氧燃貯箱壓力差，通過(guò)控制壓力差來(lái)控制在軌全部壽命期間姿控推力器混合比。但是由于PVT法和記賬法用來(lái)計(jì)算推進(jìn)劑消耗量精度有限，理論上不高于2～3％，由于用此方法確定變軌后推進(jìn)劑剩余量及組元混合比偏差精度不高，因而在實(shí)際衛(wèi)星飛行控制中在衛(wèi)星變軌完成后在通過(guò)起爆氧燃貯箱氣路電爆閥進(jìn)行貯箱壓力控制時(shí)，并不完全依據(jù)用PVT法和記賬法計(jì)算出的變軌后推進(jìn)劑剩余量及混合比，而通常是在起爆電爆閥后讓氧燃貯箱初始工作壓力盡可能接近平衡。采用這樣策略的不足之處主要是衛(wèi)星變軌后初始推進(jìn)劑剩余量及混合比計(jì)算精度差，導(dǎo)致系統(tǒng)全壽命周期最終混合比控制精度也相應(yīng)較差，評(píng)估下來(lái)為1.65±0.05。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是：針對(duì)由于目前使用PVT及記賬法進(jìn)行衛(wèi)星變軌時(shí)氧燃推進(jìn)劑消耗及剩余量計(jì)算精度較差，由此導(dǎo)致衛(wèi)星全壽命周期混合比控制精度不高這一問(wèn)題(1.65±0.05)，提供一種衛(wèi)星在軌飛行混合比調(diào)整方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)在軌飛行混合比調(diào)整方法，通過(guò)下列方式實(shí)現(xiàn)：
確定衛(wèi)星變軌過(guò)程中推進(jìn)劑的消耗量，根據(jù)氧化劑和燃燒劑的剩余量計(jì)算混合比γ2；
根據(jù)剩余推進(jìn)劑量及混合比γ2確定姿控推力器在軌消耗推進(jìn)劑混合比需求γ；
根據(jù)確定的變軌后姿控推力器在軌推進(jìn)劑消耗混合比需求γ，通過(guò)地面測(cè)試得到的姿控推力器流量小偏差方程確定所需要的氧化劑和燃燒劑貯箱變軌后的初始?jí)毫Σ?，并確定氧化劑和燃燒劑貯箱的壓力值Po、Pf；
衛(wèi)星變軌后，對(duì)氧化劑和燃燒劑貯箱進(jìn)行補(bǔ)氣并起爆氧化劑和燃燒劑貯箱上游氣路電爆閥，使得起爆后氧化劑和燃燒劑貯箱內(nèi)壓力分別為Po、Pf，利用壓力控制姿控推力器，自動(dòng)對(duì)在軌飛行混合比進(jìn)行調(diào)整。
衛(wèi)星變軌過(guò)程中推進(jìn)劑的消耗量在推進(jìn)劑貯箱具有中間底結(jié)構(gòu)時(shí)的實(shí)現(xiàn)方式如下：
(1)從衛(wèi)星變軌飛行貯箱遙測(cè)壓力變化判斷氧燃推進(jìn)劑流過(guò)下艙時(shí)刻，得到氧燃推進(jìn)劑過(guò)貯箱中間底重要時(shí)間特征參數(shù)to和tf，其中to為氧化劑進(jìn)入下艙時(shí)刻與變軌結(jié)束時(shí)刻的時(shí)間差，tf為燃燒劑進(jìn)入下艙時(shí)刻與變軌結(jié)束時(shí)刻的時(shí)間差；
(2)根據(jù)時(shí)間特征參數(shù)to和tf，計(jì)算變軌過(guò)程中貯箱下艙氧化劑和燃燒劑的消耗量；
(3)根據(jù)貯箱下艙裝填量和變軌時(shí)下艙推進(jìn)劑消耗量計(jì)算出變軌后氧燃剩余推進(jìn)劑量；
(4)根據(jù)推進(jìn)劑加注量及變軌后剩余量確認(rèn)該衛(wèi)星變軌過(guò)程推進(jìn)劑消耗量。
步驟(2)中根據(jù)氧化劑和燃燒劑標(biāo)稱(chēng)流量計(jì)算變軌過(guò)程中貯箱下艙氧化劑和燃燒劑的消耗量。
貯箱下艙裝填量考慮貯箱在加壓狀態(tài)下的下艙容積，通過(guò)加壓狀態(tài)下的下艙容積乘以推進(jìn)劑的密度得到。
所述的加壓狀態(tài)為1.5MPa
混合比標(biāo)稱(chēng)值為1.65，在γ2數(shù)值位于1.65±0.07范圍內(nèi)，γ＝γ2；否則，當(dāng)γ2較1.65偏離較大，如果γ2>1.72，可取γ＝1.70～1.73；如果γ2<1.58，可取γ＝1.57～1.60。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果為：
(1)本發(fā)明給出一種衛(wèi)星在軌飛行混合比調(diào)整方法，它基于采用貯箱中間底法可較為準(zhǔn)確地計(jì)算出變軌推進(jìn)劑消耗量、剩余量及混合比這一情況，根據(jù)用貯箱中間底法計(jì)算出的剩余推進(jìn)劑混合比情況來(lái)調(diào)整氧燃貯箱上游氣路電爆閥起爆時(shí)貯箱壓力，后續(xù)通過(guò)姿控推力器進(jìn)行在軌混合比調(diào)整，讓其在不影響性能前提下一定程度地工作在氧燃?jí)毫r，最終通過(guò)姿控推力器完成的推進(jìn)劑消耗部分或全部修正變軌后的氧燃推進(jìn)劑混合比偏差量。由于用中間底法進(jìn)行衛(wèi)星變軌推進(jìn)劑消耗量及剩余量計(jì)算精度較高，不超過(guò)4kg，即相對(duì)于推進(jìn)劑初始加注量不超過(guò)0.2％，而姿控推力器在典型入口壓力及拉偏工況下的混合比可以通過(guò)地面測(cè)試準(zhǔn)確獲得，因此采用本發(fā)明給出的混合比調(diào)整方法可以得到較為理想的衛(wèi)星全壽命周期內(nèi)的混合比最終控制結(jié)果，提高衛(wèi)星使用壽命。
本文給出的衛(wèi)星在軌飛行混合比調(diào)整方法基于使用貯箱中間底法計(jì)算變軌推進(jìn)劑消耗量及剩余量，應(yīng)用于具有中間底特征推進(jìn)劑貯箱的衛(wèi)星，該種貯箱廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)地球靜止軌道衛(wèi)星，一般在衛(wèi)星變軌末期推進(jìn)劑流過(guò)貯箱中間底。
(2)之前的混合比控制策略由于衛(wèi)星變軌后剩余推進(jìn)劑計(jì)算精度不高，不能準(zhǔn)確確定后續(xù)姿控推力器所需要的拉偏工作壓力，并在后續(xù)通過(guò)姿控推力器適當(dāng)?shù)膲毫ぷ鱽?lái)修正變軌后的混合比偏差。目前采用的方法通常是在起爆后氧燃貯箱氣路電爆閥后讓貯箱初始工作壓力盡可能接近平衡。本發(fā)明提供了一種可行的衛(wèi)星全壽命周期的推進(jìn)混合比調(diào)整方法，可以在衛(wèi)星變軌后通過(guò)貯箱中間底法較為準(zhǔn)確地得到推進(jìn)劑剩余量，再根據(jù)姿控推力器地面測(cè)試結(jié)果調(diào)整氧燃貯箱壓力，最終得到比較理想的全壽命周期推進(jìn)混合比控制結(jié)果，并由此提高衛(wèi)星使用壽命。由于變軌后的推進(jìn)劑剩余量和推力器地面測(cè)試結(jié)果都能達(dá)到比較高的精度，因此該方法得到的混合比控制精度較高，評(píng)估可達(dá)到1.65±0.017以?xún)?nèi)。之前采用的方法混合比控制結(jié)果1.65±0.05。
(3)利用目前星上飛控遙測(cè)即可完成，不需增加遙測(cè)資源。
附圖說(shuō)明
圖1為國(guó)內(nèi)典型地球靜止軌道衛(wèi)星全壽命周期推進(jìn)混合比調(diào)整方法流程圖。
具體實(shí)施方式
下面對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說(shuō)明。如圖1所示。本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方式如下：
(1)如計(jì)算變軌后推進(jìn)劑剩余量及混合比，計(jì)算過(guò)程如下：
a)從衛(wèi)星變軌飛行貯箱遙測(cè)壓力變化判斷氧燃推進(jìn)劑流過(guò)下艙時(shí)刻，得到氧燃推進(jìn)劑過(guò)貯箱中間底時(shí)間特征參數(shù)to和tf，其中to為氧化劑進(jìn)入下艙時(shí)刻與變軌結(jié)束時(shí)刻的時(shí)間差，該時(shí)間差對(duì)應(yīng)氧化劑實(shí)際在下艙的變軌點(diǎn)火消耗時(shí)間，同理得到tf，為燃燒劑進(jìn)入下艙時(shí)刻與變軌結(jié)束時(shí)刻的時(shí)間差，該時(shí)間差對(duì)應(yīng)燃燒劑實(shí)際在下艙的變軌點(diǎn)火消耗時(shí)間；
b)根據(jù)to和氧化劑標(biāo)稱(chēng)流量算出變軌過(guò)程中下艙氧化劑的消耗量mo1，同樣根據(jù)tf和燃燒劑標(biāo)稱(chēng)流量算出變軌過(guò)程中下艙燃燒劑的消耗量mf1。在此計(jì)算過(guò)程中使用的是衛(wèi)星變軌時(shí)氧化劑與燃燒劑標(biāo)稱(chēng)流量，用該流量計(jì)算出的下艙推進(jìn)劑消耗量與實(shí)際消耗量偏差：氧化劑不超過(guò)±2.1kg，燃燒劑不超過(guò)±1.24kg；
c)根據(jù)氧燃貯箱標(biāo)稱(chēng)下艙裝填量和變軌時(shí)下艙推進(jìn)劑消耗量計(jì)算出變軌后氧燃剩余推進(jìn)劑量(mo2、mf2)及混合比γ2，γ2＝mo/mf；
(2)計(jì)算起爆電爆閥后氧燃貯箱初始?jí)毫?/p>
a)根據(jù)剩余推進(jìn)劑量及混合比γ2確定姿控推力器在軌消耗推進(jìn)劑混合比需求γ，在此過(guò)程中需考慮姿控推力器在混合比拉偏位保工況下性能(比沖、推力等)較標(biāo)稱(chēng)工況下不能相差太大，且必須保證姿控推力器工作在安全拉偏范圍內(nèi)。如衛(wèi)星變軌后剩余推進(jìn)劑混合比偏差較大，超出姿控推力器安全拉偏壓力工作范圍，需要調(diào)整策略，適當(dāng)減小拉偏量，部分修正之前變軌后剩余推進(jìn)劑混合比偏差。
混合比標(biāo)稱(chēng)值為1.65，在γ2與混合比標(biāo)稱(chēng)值偏差不大的情況下，比如1.65±0.07(即1.58至1.72)范圍內(nèi)，γ可以?。溅?，但如果γ2較1.65偏離較大，需要考慮在保證姿控推力器安全工作的混合比下盡可能的修正γ2偏差，比如γ2＝1.8甚至＞1.8時(shí)，γ可以取1.70～1.73，此時(shí)衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)通過(guò)姿控推力器在壽命期間的工作部分修正變軌后推進(jìn)劑混合比偏差。
b)根據(jù)確定的變軌后姿控推力器在軌推進(jìn)劑消耗混合比需求根據(jù)地面測(cè)試得到的流量小偏差方程確定氧燃貯箱初始?jí)毫Σ?，并確定各自壓力值(Po、Pf)。
c)根據(jù)氧燃貯箱初始?jí)毫π枨笾贫ㄐl(wèi)星變軌后貯箱補(bǔ)氣策略，在變軌后氧燃貯箱接通氣路補(bǔ)氣時(shí)控制高壓自鎖閥開(kāi)關(guān)時(shí)機(jī)和電爆閥起爆時(shí)機(jī)，以此控制電爆閥起爆后氧燃貯箱壓力值及偏差。通過(guò)壓力控制姿控推力器，讓其在不明顯影響性能的前提下工作在適當(dāng)?shù)膲毫r，以此部分或全部修正變軌后的氧燃推進(jìn)劑混合比偏差量，最終得到較為理想的衛(wèi)星全壽命周期內(nèi)的混合比控制結(jié)果，評(píng)估可達(dá)到1.65±0.017以?xún)?nèi)。
實(shí)施例1
1)衛(wèi)星參數(shù)特征：
起飛重量5250kg，推進(jìn)劑加注量3133kg，其中氧化劑1953.1kg，燃燒劑1179.9kg。
2)確認(rèn)推進(jìn)劑過(guò)貯箱中間底時(shí)刻
衛(wèi)星變軌飛行共進(jìn)行了五次變軌，在第五次變軌中氧燃推進(jìn)劑分別過(guò)各自貯箱中間底。氧箱壓力在第五次點(diǎn)火結(jié)束前36秒出現(xiàn)0.01MPa跳變，說(shuō)明氧化劑流過(guò)中間底，氧化劑流過(guò)中間底與變軌結(jié)束時(shí)間間隔to＝36s。燃燒劑貯箱壓力在距第五次點(diǎn)火結(jié)束前269秒出現(xiàn)0.01MPa跳變，說(shuō)明燃燒劑流過(guò)中間底，燃燒劑流過(guò)中間底與變軌結(jié)束時(shí)間間隔tf＝269s。
3)計(jì)算下艙推進(jìn)劑消耗量
氧化劑和燃燒劑流量取變軌發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)稱(chēng)流量，氧化劑：0.10kg/s，燃燒劑：0.0606kg/s。氧燃流量乘以下艙點(diǎn)火時(shí)間to和tf，得到推進(jìn)劑下艙消耗量：
氧化劑mo1＝0.1*36＝3.6kg，
燃燒劑mf1＝0.0606*269＝16.3kg。
4)計(jì)算變軌后推進(jìn)劑剩余量及混合比
貯箱下艙滿(mǎn)液時(shí)氧化劑質(zhì)量531.7kg，燃燒劑質(zhì)量321.3kg，這樣可以確認(rèn)變軌后推進(jìn)劑剩余量：
氧化劑mo2＝531.7-3.6＝528.1kg，
燃燒劑mf2＝321.3-16.3＝305kg，
剩余推進(jìn)劑混合比γ2:＝1.73
5)確定變軌后姿控推力器混合比調(diào)整需求
根據(jù)剩余推進(jìn)劑混合比γ2:＝1.73及主份南北位保推力器(6A、7A)地面性能測(cè)試結(jié)果，考慮可能的調(diào)整偏差，可確定衛(wèi)星變軌后姿控推力器在軌工作混合比需求調(diào)整范圍γ＝1.70～1.73。
6)計(jì)算貯箱壓力
計(jì)算滿(mǎn)足姿控推力器混合比需求對(duì)應(yīng)的貯箱壓力時(shí)依據(jù)推力器6A、7A流量小偏差方程(推力器流量小偏差方程是根據(jù)地面測(cè)試結(jié)果標(biāo)定的推力器流量與入口壓力及推進(jìn)劑溫度之間關(guān)系)，利用以下關(guān)系式：
其中：
分別為姿控推力器氧燃流量偏差，為推力器氧燃流量，Wopo、Woto、Wopf、Wotf、Wfpf、Wftf、Wfpo、Wfto為氧燃流量對(duì)于氧燃貯箱壓力及溫度敏感度，△Po、△Pf、△To、△Tf為在軌氧燃貯箱壓力與標(biāo)稱(chēng)壓力偏離量，為標(biāo)稱(chēng)入口壓力、溫度下推力器氧燃流量。
最終計(jì)算結(jié)果可確定：
在氧箱壓力1.58～1.59MPa，燃箱壓力1.52～1.53MPa下，6A+7A推力器混合比可達(dá)到1.70～1.726。在此壓力拉偏工況下對(duì)于姿控推力
器工作性能及安全性均影響不大。
因此可以確定衛(wèi)星變軌后，通過(guò)接通氣路進(jìn)行貯箱補(bǔ)氣并起爆氧燃貯箱上游氣路電爆閥，對(duì)衛(wèi)星后續(xù)在軌工作壽命期間初始貯箱壓力進(jìn)行控制，電爆閥起爆后氧化劑貯箱壓力Po:1.58～1.59MPa，燃燒劑貯箱壓力Pf:1.52～1.53MPa。按照此策略推進(jìn)劑最終剩余量為氧化劑，不超過(guò)10Kg。用此調(diào)整方法全推進(jìn)劑加注混合比為1.655，消耗混合比為1.648，偏差-0.007。
本發(fā)明未詳細(xì)說(shuō)明部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識(shí)。