热容法测量推进剂剩余量的地面试验*

郭 蕾，李 永，焦 焱，唐 飞，宋 涛

0 引 言

随着航天器技术的发展和应用前景的日益广泛，特别是长寿命卫星的投入使用，对航天器整体管理水平和卫星使用效率提出了越来越高的要求，在轨航天器寿命期间的管理和维护已经成为迫切需要解决的问题[1].制约卫星寿命的主要因素是推进剂的携带量，精确测定航天器推进剂剩余量是航天器在轨管理的关键技术之一.

自20世纪60年代，以美国为代表的航天技术发达国家开始研究卫星推进剂剩余量的测量方法，提出并发展了簿记(BK)法[2-3]、气体定律法(PVT)[4]、气体注入法、放射性探测法、超声波探测法、电磁探测法、流体动力学法等.其中，簿记法、气体定律法和气体注入法是3种常用的测量方法[5].有关分析表明[6]，簿记法后期因累计误差随时间增大导致测量精度降低；PVT法由于氦气压力随压力降低对体积变化的不敏感导致后期准确性降低，因此局限较大[7]；气体注入法虽然精度较高，但该方法的装置比较复杂.我国目前在轨卫星使用PVT法和簿记法估算剩余推进剂，这2种方法精度较差，误差通常为1%～2%，对于卫星寿命预测误差为6～12个月，无法满足国际商业卫星通常的3个月以内的指标要求.

热容法是近期提出的新的推进剂剩余量测量方法.与其他测量方法相比，热容法在卫星寿命末期测量精度比较高[8]，另外，热容法还具有硬件配置简单、占有星上资源少等优点，而且不受卫星入轨初始条件的限制，可对并联贮箱结构中任一贮箱的推进剂剩余量进行测量[9].本文对具体贮箱进行了基于热容法的推进剂剩余量精确测量方法的地面试验研究，对不同试液装填量在不同加热工况下，在不同测温点的热响应数据进行了采集，并对试验数据进行分析.

1 热容法的基本原理

热容法(thermal propellant gauging system,PGS)是热量激励技术的一种.用加热器对贮箱壁面加热，利用对贮箱进行特定功率加热过程中的温度变化数据计算贮箱和推进剂的热容，对比在轨实际测量结果与不同推进剂剩余量下的模型计算结果，从而估算出贮箱内的推进剂剩余量.

贮箱内的温度变化遵循能量守恒公式

(1)

(2)

(3)

由于在轨贮箱的温度场分布不均匀，无法直接获得贮箱加热过程中的真实温度变化情况，因此热容法是通过逆向仿真计算来估算剩余推进剂的，热容法测量推进剂剩余量的步骤如下：

(1)建立整星条件下推进剂贮箱的详细热分析模型；

(2)计算不同剩余量下贮箱加热过程中的温度变化数据；

(3)在轨实施对贮箱加热动作，测量实际温度变化数据；

(4)比对在轨实测温度数据与热分析计算数据，得到推进剂剩余量并进行误差分析.

由上述步骤可知，热容法测量推进剂剩余量的关键是建立整星条件下推进剂贮箱的详细热分析模型及测量不同推进剂剩余量下的实际温度变化规律.虽然地面无法完全模拟在轨微重力的条件，但地面和在轨的热传导的基本原理和规律是一致的，因此可以通过一些假设，利用地面试验验证热容法温度变化的基本规律，并且地面试验的热控实施效果及有效辐射率与在轨状态是等效的，因此地面试验能够为热容法的实际在轨应用提供参考依据.

2 地面试验

2.1 试验目的

为了验证热容法的可行性，考察热容法地面试验精度，并对星上热容法方案给出实施依据，包括加热功率以及热敏电阻的精度和位置，对1407L贮箱进行了地面试验.研究相同加热条件下，不同推进剂剩余量下的温度变化规律；分别使用不同加热功率进行加热，考察不同功率下的温度变化情况.

2.2 试验工况

实际在轨卫星的推进剂介质为甲基肼，这种介质具有毒性和腐蚀性.经理论分析及实验模拟，无水乙醇的比热与甲基肼的比热相近，可以达到相同的试验效果，因此，考虑试验的安全性，试验使用无水乙醇代替甲基肼作为推进剂介质.

地面试验分为6个工况，具体工况设置如表1所示.在不同推进剂装填量下，分别采用不同的加热条件进行热容法试验，测定不同测温点的温度变化情况，从而得出不同试液装填量之间的温度分辨率.

表1 工况设置表Tab.1 The operation conditions

2.3 试验系统

试验前需要对贮箱进行热控实施工作.热控实施工作包括加热片、热敏电阻的粘贴，以及多层隔热材料的包覆工作.按照贮箱星上的安装方式，对支架和接触面采取隔热包覆措施，减小支架支撑腿与真空罐接触产生的外部漏热，贮箱外部整体完全包覆多层隔热组件.

地面试验配备相应的数据实时采集和监控系统.采集精度达到0.001 ℃，优于测量精度.同时编写温度判读及自动控温软件，并制作数据显示界面.

热容法试验系统包括完成热控实施的贮箱试验系统、温控系统、测控与数据采集系统、数据实时显示与程控系统，以及模拟液及氦气加排系统，如图1所示.

图1 热容法系统组成示意图Fig.1 The system composition of PGS

2.4 加热片和热敏电阻配置

根据贮箱内推进剂液面分布的特点，进行加热器和测温点的布置.加热器设置在贮箱中段和下舱位置.试验用加热器共3类，有14路电加热器(含备份加热器).其中，热容法新布置的加热片有两类共12路(含备份加热器)，主份回路第1类共4路，分布在4个粘贴区域，其中两个粘贴区域位于贮箱中段的柱面部分，另两个在沿贮箱的半球球面上，每路功率30 W，每个加热片是一个回路；第2类共2路，分布在两个粘贴区域，位于贮箱下半球的底部，每路15 W，每个加热片是一个回路，备份回路与主份回路配置相同.加热片粘贴区域如图2～3所示.

图2 加热片和热敏电阻位置示意图Fig.2 The positions of heater and thermistor

图3 加热片和热敏电阻位置底部示意图Fig.3 The positions of heater and thermistor at the bottom of the view

为了全面准确的反映整个贮箱系统的温度变化趋势，热敏电阻布置在相对于推进剂液面的不同位置上.贮箱上共设置20只热敏电阻用于热容法温度测量，从不同角度沿贮箱弧长和柱面母线安装两列，安装位置如图3、图4所示.该类热敏电阻为高精度热敏电阻MF61，热敏电阻的性能如表2所示.

表2 热敏电阻的性能Tab.2 the parameters of thermistors

2.5 试验条件

热容法地面试验在真空罐内进行，环境初始温度为室温.工作介质为氦气，贮箱内工作压力为1.2 MPa(绝压).在考虑测温误差，功率调节误差，热敏电阻焊接、测温系统连线节点引起的误差，以及漏热误差等误差因素的情况下，要求总测温系统精度应该能达到优于0.1.贮箱在装液30 L、20 L、10 L工况试验之前各进行一次检漏工作，保证外漏率满足≤1×10-2Pa·L/s.地面试验关闭真空罐前的热容法试验状态如图4所示.

图4 地面试验关闭真空罐前的热容法试验状态Fig.4 The condition of experiment before closing the vacuum tank

2.6 结果分析

热容法是通过测量不同剩余量下的贮箱温度变化来估算贮箱内的推进剂剩余量的，定义不同推进剂剩余量之间温度的差异为温度分辨率，不同推进剂剩余量之间温度分辨率越大，测量的精度越高.对所有6种试验工况收集数据并绘制曲线图，通过分析同一测温点在不同液体装填量下的温度分辨率来验证热容法测量的精度.

通过曲线图发现，在20个热敏电阻中，编号为TR1、TR2和TR3的热敏电阻的温度分辨率较大.其中， TR1在3种液体量下均在液面以下； TR2当10 L 液体填充时在液面上，20 L和30 L液体填充时在液面下，因此仅有20 L和30 L的曲线有可比性； TR3当10 L和20 L液体填充时在液面上，30 L液体填充时在液面下，因此仅有10 L和20 L的曲线有可比性.图5～6是加热功率分别为30 W和60 W 时热敏电阻在不同液体填充状态下的温度变化曲线.

图5 30 W加热功率不同液体填充状态下热敏电阻的温度曲线Fig.5 The temperature of thermistor with different filling quantity of liquid under 30 W heating power

由图5可知，加热功率为30 W时，TR1在10 L与20 L液体填充状态下温度最大分辨率为2.2 ℃，20 L 与30 L液体填充状态下温度最大分辨率为1.87 ℃；TR2在20 L与30 L液体填充状态下温度最大分辨率为2.05 ℃；TR3在10 L与20 L液体填充状态下温度最大分辨率为1.33 ℃.

图6. 60 W加热功率不同液体填充状态下热敏电阻的温度曲线Fig.6 The temperature of thermistor with different filling quantity of liquid under 60 W heating power

由图6可知，加热功率为60 W时，TR1在10 L与20 L液体填充状态下温度最大分辨率为4.8 ℃，20 L与30 L液体填充状态下温度最大分辨率为2.44 ℃；TR2在20 L与30 L液体填充状态下温度最大分辨率为3℃；TR3在10 L与20 L液体填充状态下温度最大分辨率为3.16 ℃.

分析热敏电阻的温度变化可以得出结论，在加热功率分别为30 W和60 W时，热敏电阻在不同液体填充状态下的温度分辨率较大，热容法实施效果好.并且热敏电阻越靠近液体分布处，温度分辨率越大，热容法的测量精度越高.相同的加热功率下，推进剂剩余量越小，温度分辨率越大，即热容法在卫星寿命末期的测量精度比较高；不同的加热功率下，加热功率为30 W时，由于加热功率过小，温度分辨率不如加热功率为60 W时好.

假定地球同步商业通信卫星的单个贮箱一年的推进剂消耗量为22 L，根据地面试验结果可以推算出，热容法的测量精度为3个月.而PVT法和BK法的卫星寿命预测误差为6～12个月，因此，热容法的测量精度更高.

经过地面试验及分析可知，实际对大型贮箱在轨应用热容法时，加热功率设置为60 W为宜，用于测温的热敏电阻的精度为0.1 ℃比较合适，测温点应布置在液体分布处或靠近液体分布处，热容法的测量精度较高.

3 结 论

推进剂剩余量测量是卫星在轨管理的重要工作，对在轨卫星的液体推进剂进行准确可靠检测，不仅是航天技术发展的必然要求，更是确保卫星有效使用和航天任务全面完成的重要条件.本文对1 407 L大型贮箱进行了基于热容法的推进剂剩余量精确测量方法的地面试验，包括热容法试验方案的设计、热容法地面试验系统的搭建，以及热容法地面试验验证.经过地面试验及数据分析可知，热容法的测量精度为3个月，明显优于PVT法和BK法，满足目前地球同步商业通信卫星的应用要求，并基于试验结论给出了热容法的实施建议.相对于其他测量方法，热容法在卫星寿命末期测量精度高，实施效果好，可以推广应用于空间推进系统在轨推进剂的剩余量计算，进一步提高我国的空间推进技术水平.

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