本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星變軌推進劑消耗量計算方法，用于國內(nèi)典型的使用雙組元化學推進系統(tǒng)進行變軌的高軌衛(wèi)星變軌結束后計算推進劑的消耗量、剩余量及混合比，作為進一步計算推進系統(tǒng)工作性能的依據(jù)。

背景技術：

目前典型的國內(nèi)地球靜止軌道衛(wèi)星采用雙組元推進系統(tǒng)，衛(wèi)星發(fā)射后經(jīng)過運載火箭主動段飛行送入轉(zhuǎn)移軌道，之后使用星上變軌發(fā)動機進行從轉(zhuǎn)移軌道到地球靜止軌道的變軌，衛(wèi)星定點后開通轉(zhuǎn)發(fā)器，展開業(yè)務。衛(wèi)星在軌服務壽命期間(一般15年)，推進系統(tǒng)通過姿軌推力器進行軌道維持和動量輪卸載。一般情況下衛(wèi)星在轉(zhuǎn)移軌道期間消耗約為攜帶總量80％的推進劑，包括氧化劑和燃燒劑，其中超99％以上的推進劑是通過變軌發(fā)動機消耗的，變軌后剩余的推進劑約為20％，用于變軌后定點捕獲和全部壽命期間軌道維持和姿態(tài)控制。這20％推進劑通過姿軌控推力器消耗。按照推進系統(tǒng)最初設計，理想狀況下衛(wèi)星在變軌過程及后續(xù)軌道控制中氧燃推進劑應該等體積排放，氧燃推進劑消耗重量比值稱為混合比，標稱值為1.65。

衛(wèi)星轉(zhuǎn)移軌道變軌期間的推進劑消耗量及剩余量計算很重要，可以提供衛(wèi)星開始在軌服務的推進劑剩余量初始參數(shù)，并確認變軌過程中氧燃推進劑消耗及剩余推進劑混合比，這些參數(shù)作為衛(wèi)星全壽命期間推進劑消耗量計算和預測的重要依據(jù)。

衛(wèi)星轉(zhuǎn)移軌道變軌后一般用傳統(tǒng)的PVT及記賬法對衛(wèi)星變軌推進劑消耗進行計算，確定每次變軌氧燃推進劑消耗量以及混合比。其中PVT法精度偏低，超過2％(計算偏差量與推進劑總量的質(zhì)量百分比)，精度低原因主要是由于增壓氣體(一般為氦氣)氧燃推進劑溶解特性導致其壓力、溫度、體積變化規(guī)律偏離理想氣體所致。而記賬法是通過發(fā)動機點火時間和流量來確定推進劑消耗量及混合比。在流量計算中通過小偏差方程修正由于貯箱系統(tǒng)壓力及溫度偏差對流量造成的影響，該方法能夠給出發(fā)動機系統(tǒng)工作時相對于標稱工況下流量的變化量，而發(fā)動機標稱工況下的流量按照理論標稱流量取值。但如果由于某種原因(例如單機調(diào)試偏差)導致變軌發(fā)動機在標稱工況下流量偏離理論值，采用小偏差方程無法計算出實際流量及其與標稱流量偏差，也就無法及時發(fā)現(xiàn)可能存在的變軌期間氧燃推進劑消耗量及混合比異常。

關于PVT和記賬法可參考公開文獻：“基于并聯(lián)貯箱結構的衛(wèi)星推進劑剩余量測量方法(魏延明等，空間控制技術及應用，2010年8月)”。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術解決問題是：避免傳統(tǒng)PVT法和記賬法存在的不足，給出一種新的衛(wèi)星變軌推進劑消耗量計算方法。該方法(貯箱中間底法)適用于典型國內(nèi)高軌靜止軌道平臺衛(wèi)星，其推進劑貯箱具有中間底結構特征，一般在衛(wèi)星變軌末期貯箱內(nèi)推進劑流過中間底。

本發(fā)明的技術解決方案是：一種衛(wèi)星變軌推進劑消耗量計算方法，方法涉及的推進劑貯箱具有中間底結構，衛(wèi)星在變軌末期推進劑流過貯箱中間底進入下艙；該方法通過下列方式實現(xiàn)：

(1)從衛(wèi)星變軌飛行貯箱遙測壓力變化判斷氧燃推進劑流過下艙時刻，得到氧燃推進劑過貯箱中間底重要時間特征參數(shù)to和tf，其中to為氧化劑進入下艙時刻與變軌結束時刻的時間差，tf為燃燒劑進入下艙時刻與變軌結束時刻的時間差；

(2)根據(jù)時間特征參數(shù)to和tf，計算變軌過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下艙推進劑消耗量計算出變軌后氧燃剩余推進劑量；

(4)根據(jù)推進劑加注量及變軌后剩余量確認該衛(wèi)星變軌過程推進劑消耗量。

步驟(2)中根據(jù)氧化劑和燃燒劑標稱流量計算變軌過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，通過加壓狀態(tài)下的下艙容積乘以推進劑的密度得到。

所述的加壓狀態(tài)為1.5MPa。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比有益效果為：

(1)精度高，現(xiàn)有的PVT+記賬法在軌使用精度超過2％，而中間底法在軌使用精度可達到0.2％以內(nèi)；

(2)相對于記賬法可以準確發(fā)現(xiàn)由于發(fā)動機調(diào)試偏差所導致的系統(tǒng)混合比偏差；

(3)對于目前國內(nèi)典型地球靜止軌道衛(wèi)星進行轉(zhuǎn)移軌道變軌，貯箱中間底法相對于之前的PVT和記賬法未增加變軌時衛(wèi)星遙測參量及采集精度、速度需求，現(xiàn)有的遙測采集精度及速度即可滿足要求，當然如果遙測采集精度及速度(氧燃貯箱壓力)進一步提高的話，會更加便于判斷推進劑流過貯箱中間底時刻，中間底法使用將會更加便捷。

附圖說明

圖1為本發(fā)明流程圖。

具體實施方式

貯箱中間底方法進行變軌后推進劑剩余量及消耗量評估步驟如下：

(1)從衛(wèi)星變軌飛行貯箱遙測壓力變化判斷氧燃推進劑流過下艙時刻，得到氧燃推進劑過貯箱中間底重要時間特征參數(shù)to和tf，其中to為氧化劑進入下艙時刻與變軌結束時刻的時間差，該時間差對應氧化劑實際在下艙的變軌點火消耗時間，同理得到tf，為燃燒劑進入下艙時刻與變軌結束時刻的時間差，該時間差對應燃燒劑實際在下艙的變軌點火消耗時間；

(2)根據(jù)to和氧化劑標稱流量算出變軌過程中下艙氧化劑的消耗量mo1，同樣根據(jù)tf和燃燒劑標稱流量算出變軌過程中下艙燃燒劑的消耗量mf1。在此計算過程中使用的是衛(wèi)星變軌時氧化劑與燃燒劑標稱流量，與變軌過程中實際流量偏差一般不超過2％，此外，典型衛(wèi)星變軌時氧化劑與燃燒劑在貯箱下艙點火時間to和tf一般不長，不超過1000s，因此使用標稱流量進行下艙推進劑消耗量計算較實際情況偏差不大，氧化劑不超過±2.1kg，燃燒劑不超過±1.24kg。此外進行計算時需考慮貯箱在加壓狀態(tài)(一般為1.5MPa左右)下的下艙容積；

(3)根據(jù)氧燃貯箱下艙裝填量和變軌時下艙推進劑消耗量計算出變軌后氧燃剩余推進劑量；

(4)衛(wèi)星加注時氧燃推進劑加注量減去變軌后推進劑的剩余量得到變軌過程中氧燃推進劑的消耗量(mo、mf)，從而計算出系統(tǒng)混合比γ＝mo/mf。

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步說明。用具體實例給出利用貯箱中間底法計算某衛(wèi)星從轉(zhuǎn)移軌道到地球靜止軌道變軌推進劑消耗量、剩余量及混合比。

實施例1

1)確認衛(wèi)星加注后重量參數(shù)特征：

某衛(wèi)星加注后參數(shù)特征：起飛重量5220kg，推進劑加注量3130kg，其中氧化劑1949kg，燃燒劑1181kg。

2)確認推進劑過貯箱中間底時刻

衛(wèi)星變軌飛行共進行了五次變軌，在第五次變軌中氧燃推進劑分別過各自貯箱中間底。氧箱壓力在第五次點火結束前5分49秒出現(xiàn)0.009MPa跳變，說明氧化劑流過中間底，氧化劑流過中間底與變軌結束時間間隔to＝349s。燃燒劑貯箱壓力在距第五次點火結束前5分26秒出現(xiàn)0.009MPa跳變，說明燃燒劑流過中間底，燃燒劑流過中間底與變軌結束時間間隔tf＝326s。

3)計算下艙推進劑消耗量

氧化劑和燃燒劑流量取變軌發(fā)動機標稱流量，氧化劑：0.1021kg/s，燃燒劑：0.06185kg/s。氧燃流量乘以下艙點火時間to和tf，得到推進劑下艙消耗量：

氧化劑mo1＝0.1021*349＝35.6kg，

燃燒劑mf1＝0.06185*326＝20.2kg。

4)計算變軌后推進劑剩余量及混合比

貯箱結構固定，下艙滿液時氧化劑質(zhì)量按531.7kg計算，燃燒劑質(zhì)量按321.3kg計算，這樣可以確認變軌后推進劑剩余量：

氧化劑mo2＝531.7-35.6＝496.1kg，

燃燒劑mf2＝321.3-20.2＝301.1kg，

剩余推進劑混合比γ2＝496.1/301.1＝1.648。

上述計算需考慮貯箱在加壓狀態(tài)(一般為1.5MPa左右)下的下艙容積，例如下艙滿液時氧化劑質(zhì)量為加壓狀態(tài)下的下艙容積乘以氧化劑的密度。

5)計算變軌推進劑消耗量及混合比

根據(jù)推進劑加注量及變軌后剩余量確認該衛(wèi)星變軌過程推進劑消耗量：

氧化劑mo＝1949-496.1＝1452.9kg，

燃燒劑劑mf＝1181-301.1＝879.9kg，

變軌消耗推進劑混合比γ＝1452.9/879.9＝1.651。

本發(fā)明未詳細說明部分屬于本領域技術人員公知常識。