一种大容量半管理式表面张力贮箱并联平衡加注方法与流程

本发明涉及一种大容量半管理式表面张力贮箱并联平衡加注方法，属于航天器推进技术，适用于采用大容量半管理式表面张力贮箱的航天器推进系统。

背景技术：

对于并联贮箱结构的卫星双组元推进系统来说，一个重要的问题是推进剂平衡排放能力，即并联贮箱内剩余的推进剂量要保持一致。若两只并联贮箱的推进剂排放不平衡，则当一只贮箱内推进剂排空后，再继续就会把贮箱内的氦气排出，使得推进剂管道中的推进剂夹气，推力器和发动机无法工作，卫星寿命结束，而且另一只贮箱内剩余推进剂就会成为呆重，无法使用。对于携带推进剂3000kg的卫星来说，当贮箱并联排放的不平衡率由3％降低到1％时，能够节省约60kg推进剂。此外，若并联贮箱排放不平衡，将导致卫星质心偏斜，严重时可导致变轨发动机点火时姿态无法控制。因此，对于并联贮箱结构的卫星平台来说，并联贮箱的推进剂平衡排放问题是必须要解决的。而保证平衡排放问题的前提是必须保证并联贮箱内的推进剂加注量是平衡的。

大容量半管理式表面张力贮箱在进行推进剂加注时，通过一个液加排阀同时向两个贮箱中加注推进剂，两个贮箱液路连通，理论上能够自平衡。但是在两燃烧剂贮箱上下游管路布局的非对称性、自锁阀和贮箱产品的流阻个体差异、贮箱安装和形变差异、加注过程贮箱温度和背压差异等诸多因素的共同影响下，很难保证加注过程中两个并联贮箱内加注量的一致性。虽然通过静置的方法可以最终实现并联贮箱内加注量的平衡，但是对于容积越大的并联贮箱需要耗费的时间也越长，这对于发射场加注来说通常是不能接受的。

此外，由于卫星贮箱采用半管理式网式贮箱，推进剂只能一次性加注进入，而且由于贮箱体积较大，因此两个并联贮箱的位置通常距离较远，如果两并联贮箱内加注量相差较大会导致卫星质心偏心，质心偏心过大会使推进剂加注过程变得不可控，而推进剂具有易燃、易爆、有毒等特点，稍有差错就会危及卫星的安全，危及人员、厂房的安全。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种大容量半管理式表面张力贮箱并联平衡加注的方法，实现并联贮箱中单个贮箱推进剂加注量的可测性，对加注量有较高的控制精度，简化推进剂加注流程，缩短加注时间，加注过程卫星质心稳定。

本发明的技术解决方案为：一种大容量半管理式表面张力贮箱并联平衡加注方法，步骤如下：

(1)将加排阀MV1连接地面加注设备的氦气加注管路，加排阀MV2连接地面加注设备的推进剂加注管路和真空泵，对管路连接点进行检漏，确认管路连接点的漏率满足要求；

(2)打开自锁阀LV1、LV2，通过加排阀MV1对两个并联贮箱Tank1和Tank2进行先填充后泄放氦气的操作，泄放氦气的过程中对泄放出的气体进行取样和化验，直至取样气体化验结果符合设定的指标为止；

(3)关闭地面加注设备的推进剂加注管路，用真空泵将加排阀MV2至自锁阀LV3和LV4之间的管路抽真空，直至该段管路内的真空度满足要求为止，关闭真空泵；

(4)打开地面加注设备的推进剂加注管路，将加注设备推进剂加注管路至加排阀MV2之间形成的管路内充满推进剂，记录此状态下的卫星总质量和质心位置，作为卫星推进剂加注量测量的零点；

(5)打开加排阀MV2，星上计算机向自锁阀LV3、LV4发指令打开并联贮箱液路自锁阀LV3和LV4，从贮箱进出液口对贮箱Tank1和Tank2进行平稳加注，直至完成额定加注量的90％或以上，关闭加注设备推进剂加注管路，通过卫星质心测试台测量贮箱Tank1和Tank2内推进剂总加注量及单个贮箱Tank1、Tank2内推进剂加注量；

(6)打开加注设备推进剂加注管路，对贮箱Tank1和Tank2进行再加注，直至贮箱Tank1和Tank2总加注量及单个贮箱Tank1、Tank2中的加注量均达到额定加注量，关闭并联贮箱液路自锁阀LV3和LV4，关闭MV2；

(7)从加排阀MV1同时向贮箱Tank1和Tank2内充入氦气直至贮箱内的压力达到要求。

步骤(2)中贮箱Tank1、Tank2内氦气置换方法为：用化验合格的氦气同时充入贮箱Tank1和Tank2，充到一定压力后进行氦气放气操作，在放气过程中进行气体取样，对取样气体进行化验，如化验合格则进行步骤(3)，若化验不合格则重复进行充放氦气和气体取样的操作直至取样气体化验合格为止。

所述的步骤(5)中贮箱进行平稳加注方法为：根据所使用的贮箱允许的加注流量控制要求，根据加注量的不同设置两个以上的流量阶段进行加注，以保证加注过程的平稳；同时，通过卫星质心测试台测量并联贮箱Tank1和Tank2内推进剂总加注量及单个贮箱Tank1、Tank2内推进剂加注量，当并联贮箱Tank1和Tank2内加注量相差较大时，暂停加注，进行静置，直至并联贮箱Tank1和Tank2内加注量满足平衡要求后再继续加注，直至加注量达到额定加注量的90％或以上。

所述的步骤(5)中通过卫星质心测试台测量单个贮箱Tank1、Tank2内推进剂加注量的方法为：

步骤(4)中通过卫星质心测试台测量得到卫星推进剂加注量测量零点时卫星的质量和质心初始参数矩阵a₀＝[m₀，X₀，Y₀]，加注过程中某时刻t实时测量得到卫星的质量和质心实时参数矩阵a_t＝[m_t，X_t，Y_t]，则该时刻下单个贮箱Tank1和Tank2内推进剂加注量计算方法如下：

其中，m_t为卫星质心测试台测量得到的卫星的质量，(X_t，Y_t)为卫星质心测试台测量得到的卫星本体坐标系水平方向的质心位置坐标；Δm₁和Δm₂分别为贮箱Tank1和Tank2内的推进剂加注量，(X₁，Y₁)和(X₂，Y₂)分别为贮箱Tank1和Tank2在卫星本体坐标系水平方向的位置坐标。

所述的步骤(6)中并联贮箱Tank1和Tank2进行推进剂再加注方法为：根据步骤(5)中通过卫星质心测试台测量得到的每个并联贮箱内推进剂加注量Δm₁和Δm₂，计算得到每个贮箱为达到额定加注量需再加注的推进剂量，逐一对贮箱Tank1、Tank2进行再加注，直至贮箱Tank1和Tank2内的单箱推进剂加注量和总加注量均达到额定加注量为止；其中，单个贮箱再加注方法如下：设置该需要再加注的贮箱液路对应的自锁阀LV3或LV4为开启状态，另一贮箱液路对应的自锁阀LV3或LV4为关闭状态，根据单个贮箱允许的加注流量要求设置加注流量，对该贮箱进行再加注，直至再加注量达到该贮箱需再加注的推进剂量为止，关闭该需要加注的贮箱液路对应的自锁阀。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明可以通过卫星加注过程卫星质心测试测量得到的卫星质量和质心计算得出该时候每个并联贮箱的推进剂加注量，实现推进剂总加注量和单个贮箱内加注量的实时显示，便于对推进剂加注过程的并联平衡情况进行实时监测，当并联贮箱内推进剂加注量相差较大时，可及时采取处理措施，确保加注过程的安全性；

(2)本发明采用并联贮箱同时加液和加气的方法，加注流程相对简化，可大幅缩短加注时间，并可减少并联贮箱气口和液口自锁阀的开关次数，加注过程卫星质心基本无变化，可避免加注过程卫星质心偏心问题；

(3)本发明通过再加注的方法，将并联贮箱逐个加至要求的加注量，可实现单个贮箱内加注量和推进剂总加注量的精确控制，确保卫星起飞状态下并联贮箱内的推进剂处于平衡状态，为后续在轨并联贮箱的平衡排放提供保障；

(4)本发明的加注过程可利用目前常规的双组元卫星加注设备，不需要增加额外设备，大大节约了成本；

(5)本发明的加注方法简单易行，操作流程合理，具有较强的实用性；

(6)本发明已经成功在卫星发射场加注中应用，某卫星在总体设计上采用两个并联燃烧剂贮箱的结构，燃烧剂总加注量超过1000kg，其中每个燃烧剂贮箱内的加注量相同，加注时间从燃烧剂进入燃烧剂贮箱开始历时7.5个小时，整个加注过程按照加注设计逐一实施，实时监测结果表明两个燃烧剂贮箱内加注量在整个加注过程中最大差值不超过2kg，加注全过程两贮箱加注量一致性很好，加注过程结束时两贮箱加注量相差0.2kg，再加注过程结束时两贮箱加注量相差仅为0.1kg，为总加注量的0.01％。

附图说明

图1为由2个并联贮箱组成的管路系统原理图；

图2为本发明大容量半管理式表面张力贮箱并联平衡加注方法流程图。

具体实施方式

本发明的基本思路为：提出一种大容量半管理式表面张力贮箱并联平衡加注方法：(1)连接卫星推进剂加注管路，确认加注管路系统的漏率满足要求；(2)对两个并联贮箱同时充放氦气进行置换，直至取样气体化验合格；(3)将推进剂加注管路及并联贮箱下游的管路抽真空；(4)将推进剂充满至并联贮箱的加排阀阀口处；(5)对并联贮箱同时进行平稳加注，直至完成额定加注量的90％或以上；(6)对并联贮箱进行再加注，直至单个贮箱中的加注量均满足任务要求；(7)向贮箱内加气垫至要求的气垫压力。本方法可实现大容量半管理式表面张力贮箱的并联平衡加注，缩短并联贮箱推进剂加注时间，保证卫星加注过程的可靠性和安全性。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

本发明涉及的大容量半管理式表面张力贮箱并联平衡加注方法，适用于采用大容量并联贮箱的航天器推进系统，其中推进系统的推进剂贮箱配置方案可以是氧化剂和燃烧剂中的一种采用并联贮箱，也可以是两种推进剂均采用并联贮箱，并联贮箱通常为2个并联，也可以为多个并联。

如图1所示为典型的由2个并联贮箱组成的管路系统原理图，由图1可知并联贮箱管路系统由2个推进剂贮箱(Tank1和Tank2)、2个加排阀(MV1和MV2)、2个压力传感器(PT1和PT2)及4个自锁阀(LV1、LV2、LV3和LV4)组成。

Tank1、Tank2均包括进出气口和进出液口，进出气口位于顶部，进出液口位于底部。

外部地面加注设备的管路，包括：氦气加注管路和推进剂加注管路。

MV1的一端连接外部地面加注设备的管路，能够输入输出气体，MV1的另一端连接LV1的一端和LV2的一端，LV1的另一端连接PT1和Tank1的进出气口，LV2的另一端连接PT2和Tank2的进出气口；MV2的一端连接外部地面加注设备的管路，能够输入输出液体(包括：推进剂)，MV2的另一端连接LV3的一端和LV4的一端，LV3的另一端连接Tank1的进出液口，LV4的另一端连接Tank2的进出液口。

推进剂贮箱Tank1和Tank2为两个相同的大容量(容量通常在500L以上)半管理式表面张力贮箱，用于存储推进剂；加排阀MV1和MV2用于地面操作，加注过程中加排阀MV1和MV2与地面加注设备的管路连接，分别用于给推进剂贮箱Tank1和Tank2加注或排放气体和推进剂；压力传感器PT1和PT2分别用于测量推进剂贮箱Tank1和Tank2内的压力；自锁阀LV1和LV2为贮箱气路自锁阀，分别位于推进剂贮箱Tank1和Tank2的进出气口端，用于控制气体管路(即MV1至Tank1的进出气口形成的控制气体管路)的通断；自锁阀LV3和LV4为贮箱液路自锁阀，分别位于推进剂贮箱Tank1和Tank2的进出液口端，用于控制推进剂管路(即从Tank2的进出液口至MV2形成的推进剂管路)的通断；星上计算机能够控制4个自锁阀(LV1、LV2、LV3和LV4)的开关。

如上所述的并联贮箱管路系统安装于航天器(卫星)上。卫星放置在卫星质心测试台上，卫星质心测试台能够测量卫星的质量和质心位置。卫星质心测试台测量得到的卫星质心位置在卫星本体坐标系下的坐标为(X，Y，Z)，其中卫星本体坐标系垂直方向Z方向(即与贮箱Tank1和Tank2的几何轴线平行方向)的位置参数对推进剂加注量计算结果的影响可忽略不计，推进剂加注量计算公式中仅使用卫星本体坐标系水平方向的质心位置坐标(X，Y)。

一种大容量半管理式表面张力贮箱并联平衡加注方法用于为图1中所示的并联贮箱管路系统加注推进剂并填充氦气。下面结合图1对本发明的具体步骤做进一步详细描述。

如图2所示为本发明大容量半管理式表面张力贮箱并联平衡加注方法流程图，本发明的具体实现方法如下：

(1)卫星在质心台上摆放好，将加排阀MV1连接地面加注设备的氦气加注管路，加排阀MV2连接地面加注设备的推进剂加注管路，对加排阀和地面加注管路的连接点进行单点检漏，检漏方法可采用气泡检漏法，管路内填充0.4MPa氦气的情况下目视观察连接点(气体加注管路和加排阀MV1的连接点、推进剂加注管路和加排阀MV2的连接点)处，连接点处3分钟无气泡出现为合格。

(2)设置自锁阀状态如下：自锁阀LV1和LV2为打开状态，自锁阀LV3和LV4为关闭状态。从加排阀MV1处对两个并联贮箱Tank1和Tank2和同时进行放气操作，将推进剂贮箱压力由初始状态0.2MPa氦气放气至0.05MPa，随后同时向并联贮箱内充入高纯氦气至1MPa时停止充气，再对贮箱进行放气操作，放气的过程中对排出气体进行气体取样用于氦气纯度检测，放气至0.05MPa时关闭加排阀MV1。氦气纯度检测结果合格则继续进行步骤(3)的操作，若化验不合格则重复进行充放氦气和气体取样化验的操作，直至取样气体化验合格为止。取样气体化验结果符合设定的指标，即氦气纯度检测合格判据为：氦气含量＞99.95％，氮气含量≤200ppm，水蒸气含量≤100ppm，其它气体含量≤80ppm。

(3)从加排阀MV2处连接真空泵，用真空泵将加排阀MV2至自锁阀LV3和LV4之间的管路抽真空，直至加注管路内的真空度达到0.2kPa为止(加排阀MV2至自锁阀LV3和LV4之间的管路抽真空的真空度要求)，关闭加排阀MV2。

(4)将加注设备推进剂加注管路入口至加排阀MV2阀口之间形成的管路内充满燃烧剂，记录此状态下的卫星总质量和质心位置作为卫星燃烧剂加注量测量的零点，此时卫星的质量和质心初始参数矩阵为a₀＝[m₀，X₀，Y₀]。

(5)打开加排阀MV2，通过星上计算机向自锁阀驱动线路发指令，同时打开并联贮箱液路自锁阀LV3和LV4，从贮箱液口对并联贮箱Tank1和Tank2进行燃烧剂贮箱加注。根据所使用的半管理式表面张力贮箱允许的加注流量控制要求，分两个流量阶段进行加注，其中燃烧剂没过贮箱管理装置前为小流量阶段(如加注流量设置为1.0kg/min)，液体没过贮箱管理装置后为大流量阶段(如加注流量设置为2.6kg/min)。加注过程中，通过卫星质心测试台对并联贮箱Tank1和Tank2内燃烧剂总加注量及单个贮箱内燃烧剂加注量进行实时监视和记录，当两个并联贮箱内加注量相差较大(如大于30kg)时，暂停加注，进行静置，直至并联贮箱内加注量满足平衡要求(如Tank1和Tank2内加注量的差值小于单个贮箱Tank1、Tank2容积的1.5％)后再继续加注，直至加注量达到额定加注量的90％或以上。

步骤(5)中单个贮箱内燃烧剂加注量的计算方法为：加注过程中某时刻实时测量得到卫星的质量和质心实时参数矩阵为a_t＝[m_t，X_t，Y_t]，则该时刻下单个贮箱内燃烧剂加注量计算方法如下：

其中，Δm₁和Δm₂分别为两个并联贮箱内的燃烧剂加注量，(X₁，Y₁)和(X₂，Y₂)分别两个并联贮箱水平方向的位置坐标。当两个燃烧剂贮箱的Z轴与卫星的Z轴平行且贮箱的质心位于卫星的X轴上时，可假设加注过程中Y方向的质心恒为0，则单个贮箱内燃烧剂加注量计算公式可简化为：

两个燃烧剂贮箱质心沿X轴方向为对称布置，每个贮箱的轴线距离卫星Z轴的距离均为L，即两贮箱的质心坐标分别为(L，0)和(-L，0)，则单个贮箱内的燃烧剂加注量计算公式如下：

其中，Δm＝m_t-m₀，

(6)根据卫星质心测试台测量得到的步骤(5)结束时刻贮箱Tank1和Tank2中的燃烧剂加注量Δm₁和Δm₂，计算得到为了达到总加注量Δm_f两个贮箱分别需要再加注的推进剂量Δm′₁和Δm′₂分别如下：

首先对Tank1进行加注，具体方法如下：星上计算机向自锁阀驱动线路发指令关闭自锁阀LV4，向Tank1中加注燃烧剂，加注流量不应超过单个贮箱允许的最大加注流量，加注过程中对Tank1中的加注量进行实时监测，当再加注量达到Δm′₁时停止加注，星上计算机向自锁阀驱动线路发指令关闭自锁阀LV3。

其次对Tank2进行加注，具体方法如下：星上计算机向自锁阀驱动线路发指令打开自锁阀LV4，向Tank2中加注燃烧剂，加注流量不应超过单个贮箱允许的最大加注流量，加注过程中对Tank2中的加注量进行实时监测，当再加注量达到Δm′₂时停止加注，星上计算机向自锁阀驱动线路发指令关闭自锁阀LV4。

通过质心台测量得到Tank1和Tank2均完成再加注操作后两贮箱内的燃烧剂总加注量和单个燃烧剂贮箱内的加注量，确认符合任务要求后再加注过程结束，关闭加排阀MV2。

(7)从加排阀MV1处同时向并联贮箱内充入氦气，直至贮箱内的压力达到要求值(如1.7MPa)后关闭加排阀MV1。

本发明已经成功在卫星发射场加注中应用，某卫星在总体设计上采用两个并联燃烧剂贮箱的结构，燃烧剂总加注量超过1000kg，其中每个燃烧剂贮箱内的加注量相同，加注时间从燃烧剂进入燃烧剂贮箱开始历时7.5个小时，整个加注过程按照加注设计逐一实施，实时监测结果表明两个燃烧剂贮箱内加注量在整个加注过程中最大差值不超过2kg，加注全过程两贮箱加注量一致性很好，加注过程结束时两贮箱加注量相差0.2kg，再加注过程结束时两贮箱加注量相差仅为0.1kg，为总加注量的0.01％，表明本方法是切实可行的。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。