GB/T 34523-2017 航天器剩余推进剂质量的估算方法

　　ICS 49 . 020 V 09

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 34523—2017

　　航天器剩余推进剂质量的估算方法Estimatingmethodsforthemassofremainingpropellantofspacecraft

　　2017-1 1-01 发布 2018-05-01 实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　发

　　布

　　GB/T 34523—20 17

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1 . 1—2009 给出的规则起草。

　　本标准由中国航天科技集团公司提出。

　　本标准由全国宇航技术及其应用标准化技术委员会(SAC/TC 425)归口 。

　　本标准起草单位：北京控制工程研究所。

　　本标准主要起草人：宋涛、魏延明、梁军强、李永、孙水生、耿永兵、丁凤林、李泽、林震、高俊、尹文娟、张澜。

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　　引 言

　　剩余推进剂质量决定了航天器可持续工作的能力。 对于返回式航天器来说，剩余推进剂质量是航天器返回操作实施前的一项重要判据;对于低轨航天器来说，剩余推进剂质量决定了航天器后续轨道机动任务的可实施次数;对于高轨航天器来说，剩余推进剂质量决定了航天器在轨工作寿命及寿命末期的离轨时机，对于充分利用 GEO 轨道资源及减少空间碎片的产生具有重大的意义;对于提供在轨服务功能的航天器来说，剩余推进剂质量决定了能够提供的服务范围。 因此，剩余推进剂质量估算是航天器在轨管理的一项重要工作，估算结果是航天器剩余寿命预测和后续任务策划的一项重要依据。 该标准将对航天器剩余推进剂质量的估算起到指导作用。

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　　航天器剩余推进剂质量的估算方法

　　1 范围

　　本标准规定了航天器剩余推进剂质量的估算方法、估算方法选择和估算精度评估。

　　本标准适用于航天器表面张力贮箱内剩余液体推进剂质量的估算，采用其他类型贮箱或推进剂的航天器可参照使用。

　　2 符号

　　表 1 中所列的符号适用于本文件。

　　表 1 符号

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　　表 1(续)

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　　表 1(续)

　　3 估算方法

　　3 . 1 BK 法

　　3 . 1 . 1 原理

　　BK法(book-keeping method)是基于发动机点火时的流量估算一段时间内推进剂消耗量和剩余量的方法。 通过指定一段时间，由该时段起始时的剩余推进剂质量减去各发动机(包括轨控发动机和姿控发动机)的消耗量，得到该时段结束时剩余推进剂质量。

　　3 . 1 . 2 计算方法

　　剩余推进剂(氧化剂或燃烧剂)质量按式(1)进行计算。

　　nen

　　Me = M …………………………( 1 )

　　计算说明：

　　a) 式(2)计算所需的发动机入口压力 Pen 和推进剂温度 Ten 可由航天器遥测数据获得;

　　b) 对于脉冲工作的发动机，不同脉宽状态下式(2) 的参数可能不同，在式(1) 的计算中可根据具体情况选择时间跨度，例如可将时间跨度细化到发动机的每个点火周期，然后将发动机多个点火周期的消耗量进行累加计算总的消耗量，最后计算出剩余推进剂。

　　3 . 2 PVT法

　　3 . 2 . 1 原理

　　PVT法(pressure-volume-temperature method)是基于系统内气体质量守恒原理计算贮箱内剩余

　　推进剂的方法。

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　　3 . 2 . 2 计算恒压工作时剩余推进剂质量

　　恒压工作时，气瓶的增压气体通过减压器稳压后注入到各个贮箱，以保持发动机点火过程中贮箱压力平稳。 对于双组元推进系统，将气瓶和各推进剂贮箱看作一个系统，假设系统无外漏，则内部的气体质量守恒，根据式(3)计算燃烧剂剩余量。

　　…………………………( 3 )

　　其中式(3)中包含了混合比 K ，计算方法见式(4) :

　　K …………………………( 4 )

　　计算步骤：

　　a) 记录恒压工作前气瓶和推进剂贮箱的压力和温度，作为事件前参数;

　　b) 记录恒压工作后气瓶和推进剂贮箱的压力和温度，作为事件后参数;

　　c) 计算事件前和事件后推进剂和增压气体的物性参数，包括推进剂密度、推进剂饱和蒸汽压、气瓶和贮箱内增压气体的压缩因子，可参见附录 A ;

　　d) 利用式(4)计算平均混合比;

　　e) 利用式(3)、式(5)计算氧化剂和燃烧剂剩余量，公式中的温度数据应选择增压气体测温数据，与推进剂密度和饱和蒸汽压项有关的温度数据应选择推进剂的测温数据。

　　计算说明：

　　a) 对于单组元系统，将上述式(3) 中氧化剂贮箱的容积、压力、饱和蒸汽压和氧化剂剩余量取零即可;

　　b) 对于并联贮箱系统，PVT法无法计算每个贮箱的推进剂剩余量，只能将并联贮箱作为整体进行计算，若并联贮箱的压力有差异，则本方法不适用。

　　3 . 2 . 3 计算落压工作时单个贮箱内的剩余推进剂质量

　　对单个推进剂贮箱来说，在落压工作模式(无外部气体注入)下，若贮箱无外漏，事件前后贮箱内的气体质量守恒，根据式(6)计算推进剂剩余量。

　　Me = ρe

　　计算步骤：

　　a) 记录落压工作开始时推进剂贮箱的压力和温度，作为事件前参数;

　　b) 记录某一指定时间的推进剂贮箱的压力和温度，作为事件后参数;

　　c) 计算事件前和事件后的推进剂和增压气体物性参数，包括推进剂密度、推进剂饱和蒸汽压和增压气体压缩因子，可参见附录 A ;

　　d) 利用式(6)计算贮箱内剩余推进剂量，公式中的温度数据应选择增压气体测温数据，与推进剂密度和饱和蒸汽压项有关的温度数据应选择推进剂的测温数据。

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　　3 . 3 加速度计法

　　3 . 3 . 1 原理

　　加速度计法(accelerometer method)是基于加速度计对时间积分得到的速度增量和发动机比冲数据，通过火箭方程计算一段时间内剩余推进剂质量的方法。

　　3 . 3 . 2 计算方法

　　加速度计法需要在航天器沿轨控推力的方向上安装加速度计，通过对加速度计进行积分获得指定时间段内航天器的速度增量 Δv，并根据火箭方程计算出剩余推进剂质量，计算公式见式(7) 。

　　Me = Mi -m Mi -m

　　计算说明：

　　a) 式(7)只给出了考虑航天器轨控发动机消耗量后的剩余推进剂质量，变轨期间的姿控消耗量可以通过 BK法估算;

　　b) 若航天器进行多次变轨机动，可根据每次变轨的剩余推进剂质量变化分段计算;

　　c) 若可通过其他手段获得航天器的速度增量，如根据变轨前后航天器轨道变化情况计算速度变化量，也可以应用式(7)计算剩余推进剂质量。

　　3 . 4 超声波流量计法

　　3 . 4 . 1 原理

　　超声波流量计法(ultrasonic flowmeter method)是根据超声波流量计的测量结果对时间积分，获取一段时间内推进剂消耗量的方法。

　　3 . 4 . 2 计算方法

　　超声波流量计通常安装在推进剂贮箱下游，对超声波流量计的输出进行积分就可到该贮箱的剩余推进剂质量。 计算方法见式(8) 。

　　Me = M Qdt …………………………( 8 )

　　3 . 5 气体注入压力激励法

　　3 . 5 . 1 原理

　　气体注入压力激励法(pressure knocking through gas injection method) 是对贮箱注入确定质量的

　　气体，根据贮箱的压力变化情况计算贮箱内剩余推进剂的方法。 该方法不需要初始的推进剂剩余量数据，无累积误差，但实施次数受带气量的限制。

　　3 . 5 . 2 计算方法

　　气体注入压力激励法的计算方法见式(9) :

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　　3 . 6 热容法

　　3 . 6 . 1 原理

　　热容法(thermal propellant gauging method)是通过对贮箱进行加热，根据与贮箱内推进剂量相关

　　的热响应特性来估算剩余推进剂质量的方法。

　　3 . 6 . 2 计算方法

　　附录 B 给出了热容法的理想状态数学模型，实际能够使用的估算模型要复杂得多，需考虑到贮箱内的温度梯度、推进剂和增压气体分布、贮箱与环境的辐射换热及通过安装面的热传导等因素，通常要用数值仿真方法求解。

　　4 估算方法选择

　　本标准给出了 6 种可选择的剩余推进剂质量估算方法，各个方法的特点可参考附录 C,按以下原则进行选用：

　　a) BK法是航天器上最常用的估算方法，使用推进系统的压力和温度传感器即可进行估算，不需要额外增加设备。 若无其他额外方法时，建议与 PVT法结合进行估算。 BK 法的估算精度与发动机的流量模型精度相关，对于脉冲工作的发动机估算误差较大。 BK 法不支持并联贮箱同时工作时对每个贮箱的剩余推进剂测量。

　　b) PVT法是航天器上最常用的估算方法，使用推进系统的压力和温度传感器即可进行估算，不需要额外增加设备。 若无其他额外方法时，建议与 BK法结合进行估算。 PVT法估算与过程无关，无累计误差，适用于时间跨度较大、推进剂消耗量较多情况下的剩余推进剂估算。 PVT法不支持并联贮箱同时工作时对每个贮箱的剩余推进剂测量。

　　c) 加速度计法估算时需要用到变轨前的航天器质量数据，而航天器质量数据与上个阶段的剩余推进剂质量相关，因此加速度计法适合与 BK 法结合使用。 采用加速度计法只能得到该阶段总的推进剂消耗量，对于双组元推进系统，若要估算氧化剂和燃烧剂的消耗量，还需要混合比参数进行计算，测量误差也需要考虑混合比的误差。 加速度计法不支持并联贮箱同时工作时对每个贮箱的剩余推进剂测量。

　　d) 超声波流量计法的估算精度取决于流量计的测量精度。 超声波流量计建议安装在每个贮箱出 口管道上，可直接测量每个贮箱的推进剂消耗量，适用于变轨阶段的剩余推进剂估算，非变轨阶段可结合 PVT法进行估算。 若需要准确测量姿控发动机的消耗量，则应根据具体需求选择小量程的超声波流量计并安装在管路上合适的位置。

　　e) 气体注入压力激励法适合于航天器全部在轨工作阶段，但需要增加专用的硬件用于对贮箱进行激励并测量注入的气体质量。 对于并联贮箱结构的推进系统，该方法可测量每个能够单独隔离的贮箱内推进剂剩余量。 气体注入压力激励法精度与推进剂贮箱温度测量情况有关，建议选择贮箱温控加热器不工作，且温度平稳时段实施。

　　f) 热容法适用于航天器寿命末期的推进剂剩余量计算，用于判断航天器寿终处置时机。 热容法只需要在贮箱上布置加热器和温度传感器，但是贮箱的热模型应根据具体航天器结构设计和布局进行分析，必要时应通过试验进行标定。 该方法可测量每个贮箱的推进剂剩余量，包括并联贮箱结构。

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　　5 估算精度评估

　　5 . 1 估算精度定义

　　除特别说明外，估算精度定义为剩余推进剂体积估算误差与贮箱容积之比。

　　5 . 2 估算精度影响因素

　　下面给出 6 种方法的估算精度影响因素，对这些进行适当控制，可有效减小估算误差。 除这些影响因素外，若需要根据航天器遥测数据在地面进行估算，还应考虑遥测分层带来的误差影响：

　　a) BK 法 精 度 主 要 取 决 于 对 发 动 机 性 能 标 定 精 度，有 累 积 误 差。 BK 法 的 估 算 精 度 通 常 为1%~3%。

　　b) PVT法精度主要取决于压力测量精度、温度测量精度、初始状态的剩余推进剂质量精度和双组元推进系统的混合比估算精度，无累积误差。 PVT法的估算精度通常为 1%~5%。

　　c) 加速度计法精度取决于加速度计的测量精度和初始状态的剩余推进剂质量精度。 加速度计法的估算精度可达到 1%以内。

　　d) 超声波流量计法精度取决于流量计的测量精度，流量计测量精度为 0 . 5%时，剩余量估算精度可达 0 . 5%以内。

　　e) 气体注入压力激励法精度取决于激励前后贮箱压力变化量测量精度和注入贮箱的气体质量测量精度，有次数限制，无累积误差。 气体注入压力激励法的估算精度可达到 0 . 5%~1%。

　　f) 热容法精度取决于加热器功率测量精度、温度传感器测量精度、贮箱热模型准确度和地面标定精度。 估算精度通常为剩余推进剂的 10%~20%(航天器寿命末期)，绝对测量精度随推进剂消耗而逐渐提高。

　　5 . 3 多种估算方法综合精度评估

　　误差估计基于每种方法的测量均值和标准差，来计算总的估算精度。 每种估算方法得到的均值和标准差可能并不一致，应采用加权平均的方法得到总的均值，在没有其他方法确定权重的情况下，通常以标准差作为权重计算的依据。

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　　附 录 A

　　(资料性附录)

　　航天器常用推进剂物性参数

　　A.1 符号

　　表 A. 1 中所列的符号适用于本附录。

　　表 A.1 符号

　　A.2 推进剂密度

　　推进剂密度参数如下：

　　a) 绿色四氧化二氮(MON-1)按式(A. 1)计算，其中温度适用范围 262 K~330 K ;

　　ρM ON-1 = 2 174.4 - 2.489犜M ON-1 …………………………( A.1 )

　　b ) 甲基肼(MMH)按式(A. 2)计算，其中温度适用范围 240 K~330 K ;

　　ρMMH = 1 151 - 0.945犜MMH …………………………( A.2 )

　　c) 无水肼(N2 H4)按式(A. 3)计算，其中温度适用范围 275 K~330 K。

　　ρN2 H4 = 1 264.5 - 0.875犜N2 H4 …………………………( A.3 )

　　A.3 推进剂饱和蒸汽压

　　推进剂饱和蒸汽压参数如下：

　　a) 绿色四氧化二氮(MON-1)按式(A. 4)计算，其中温度适用范围 263 K~330 K ;

　　犘vM ON-1 =exp(25.512 5 - 4 128.4/犜MON-1) ……………………( A.4 )

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　　b ) 甲基肼(MMH)按式(A. 5)计算，其中温度适用范围 263 K~330 K ;

　　犘vMMH =exp(24.780 5 - 4 768.5/犜MMH)

　　…………………………( A.5 )

　　c) 无水肼(N2 H4)按式(A. 6)计算，其中温度适用范围 275 K~330 K。

　　犘vN2 H4 =exp(26.992 5 - 6 378.8/犜N2 H4 + 173 298/犜2 H4 ) ……………( A.6 )

　　A.4 氦气(He)压缩因子

　　按式(A. 7)计算，其中温度适用范围 230 K~400 K,适用最大压力 3 . 5 × 10 7 Pa。

　　犣He = 1 + 1 . 957 2 × 10-6 犘He犜He -1.062 2 …………………………( A. 7 )

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　　附 录 B

　　(资料性附录)热容法数学模型

　　B.1 符号

　　表 B. 1 中所列的符号适用于本附录。

　　表 B.1 符号

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　　表 B.1(续)

　　B.2 热容法数学模型

　　通过加热器给贮箱加热，测量贮箱的温度变化来计算贮箱内推进剂的剩余量。

　　加热器产生的热量 QH和贮箱与外界的热交换 QE之和与贮箱结构吸热 Qt、推进剂吸热 Qp、增压气体吸热 Qg、推进剂蒸汽吸热 Qv及因温度上升所增加的推进剂蒸汽汽化吸热 Qz之和，如式(B. 1)所示。

　　QH + QE =Qt +Qp +Qg + Qv + Qz …………………………( B.1 )

　　其中：

　　QE =C +WR) dt

　　Qt =ct ΔTt

　　Qp = cpmp ΔTp

　　由式(B. 1)可计算出贮箱内剩余推进剂质量mp 。

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　　附 录 C

　　(资料性附录)

　　航天器剩余推进剂质量估算方法应用范围

　　航天器剩余推进剂质量估算方法的应用范围见表 C. 1 。

　　表 C.1 航天器剩余推进剂质量估算方法的应用范围

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　　表 C.1(续)