一种固体冷气微推进模块在轨应用方法与流程

本发明涉及一种固体冷气微推进模块在轨应用方法，属于空间推进技术领域。

背景技术：

固体冷气微推进模块技术由于其安全性、可长期贮存、货架式等优点，是微推进模块技术发展的重要方向。荷兰tno公司(netherladnsorganisationforappliedscientificresearch)、tu(delftdelftuniversityoftechnology)、utwente(universityoftwente)三家单位联合发起了t3μps(tno，tudelft，utwentemicropropulsionsystem)研究，成功掌握了冷气生成器等相关技术。固体冷气生成器系统能够有效节省推进系统体积与质量，并且不需要高压储气结构以及压力调节装置，储存时间长，无泄漏，不需要高压装置，模块化，易于集成，能够根据不同的需要集成不同数量的冷气生成器。但从国内外公开的文献中未查询到其在轨的应用方法。国际上仅北京控制工程研究所采用固体冷气微推进模块完成了高精度轨控任务。

固体冷气微推进模块作为动力装置，进行轨道控制时，轨道控制所需要的时间计算是一个重要参数，直接影响轨控精度。现阶段的单组元推进系统，在一定时间内推力变化较小，单组元微推进系统在进行轨控时，通过压力与推力的拟合曲线获取当前推力，根据所需要的推进剂计算出轨控后的压力，进而获得轨控后的推力，通过轨控前后的平均推力，计算所需要的时间。现有在轨标定方法根据平均推力进行预测，不适用于固体冷气微推进模块气室内压力瞬态变化大的特点，其推力处于实时变化，本发明的方法可以准确获取在轨所需要的推力输出时间。

固体冷气微推进模块，其在轨为落压式工作，工作时，压力变化的瞬态特性较高，推力发生实时的较大变化，每次发生器工作，模块均会从1.3mpa～2mpa降到0.1mpa左右，推力器工作时，推力实时变化，并且压力变化呈现非线性，通过平均推力计算所需时间不能够有效获得准确的轨控时间。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种固体冷气微推进模块在轨应用方法，常规采用线性化平均推力计算轨控时间的问题，通过在轨标定模型，确定模块的推力输出模型，通过非线性规划优化方法计算获得轨控所需要的精确时间；可广泛应用于固体冷气微推进模块高精度轨道机动控制、在轨标定。

本发明的技术解决方案是：一种固体冷气微推进模块在轨应用方法，包括如下步骤，包括如下步骤：

通过地面通入高纯氮气进行推力输出特性标定，从而获得推力器的推力模型；

整星应用时，根据本次轨控高度计算所需要的冲量；

根据遥测的压力以及温度确定当前状态气室内气体质量；

根据所需要的冲量和当前状态气室内气体质量作为推力模型的输入，求解轨控工作时间。

进一步地，所述通过地面通入高纯氮气进行推力输出特性标定的方法包括如下步骤：

根据遥测压力和温度确定当前气室内气体质量；

根据轨道变化需要，确定出需要提供的速度增量，从而确定冲量ical；

测定标定完后的压力pf、温度tf，确定当前气室内剩余气体质量，从而确定消耗的气体质量；

根据冲量ical以及消耗气体质量确定标定平均比冲；

根据遥测平均温度确定特征速度，根据平均比冲，据工作时间、冲量，采用非线性规划优化算法，求解推力积分模型，进行推力模型修正；

确定推力模型修正系数；

采用非线性规划最小化函数求解修正系数，确定推力模型。

进一步地，所述推力模型为其中，ft为推力，为推力模型修正系数，cf为推力系数，at为推力器喷喉面积，pc为固体冷气微推进模块工作压力。

进一步地，所述根据遥测压力和温度确定当前气室内气体质量的方法为：由pcvc＝nrtc计算当前气室内气体质量n；其中，vc为固体冷气微推进模块容积，r为气体常数，取8.31，tc为固体冷气微推进模块内气体温度。

进一步地，所述消耗的气体质量为其中，p0为变轨前固体冷气微推进模块内压力，pf为变轨后固体冷气微推进模块内压力，t0为固体冷气微推进模块温度，mn2为氮气的摩尔质量，28g/mol。

进一步地，所述标定平均比冲为其中，δmcal为轨控消耗的气体质量。

进一步地，所述非线性规划最小化函数为其中，tf为轨控结束时间，pt为固体冷气微推进模块内压力。

一种固体冷气微推进模块在轨应用系统，包括：

第一模块，通过地面通入高纯氮气进行推力输出特性标定，从而获得推力器的推力模型；

第二模块，根据本次整星应用时的轨控高度计算所需要的冲量；

第三模块，根据遥测的压力以及温度确定当前状态气室内气体质量；

第四模块，根据所需要的冲量和当前状态气室内气体质量作为推力模型的输入，求解轨控工作时间。

进一步地，所述通过地面通入高纯氮气进行推力输出特性标定的方法包括如下步骤：

根据遥测压力和温度确定当前气室内气体质量；

根据轨道变化需要，确定出需要提供的速度增量，从而确定冲量ical；

测定标定完后的压力pf、温度tf，确定当前气室内剩余气体质量，从而确定消耗的气体质量；

根据冲量ical以及消耗气体质量确定标定平均比冲；

根据遥测平均温度确定特征速度，根据平均比冲，据工作时间、冲量，采用非线性规划优化算法，求解推力积分模型，进行推力模型修正；

确定推力模型修正系数；

采用非线性规划最小化函数求解修正系数，确定推力模型；

所述推力模型为其中，ft为推力，为推力模型修正系数，cf为推力系数，at为推力器喷喉面积，pc为固体冷气微推进模块工作压力；

所述根据遥测压力和温度确定当前气室内气体质量的方法为：由pcvc＝nrtc计算当前气室内气体质量n；其中，vc为固体冷气微推进模块容积，r为气体常数，取8.31，tc为固体冷气微推进模块内气体温度；

所述消耗的气体质量为其中，p0为变轨前固体冷气微推进模块内压力，pf为变轨后固体冷气微推进模块内压力，t0为固体冷气微推进模块温度，mn2为氮气的摩尔质量，28g/mol；

所述标定平均比冲为其中，δmcal为轨控消耗的气体质量；

所述非线性规划最小化函数为其中，tf为轨控结束时间，pt为固体冷气微推进模块内压力。

一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时实现所述一种固体冷气微推进模块在轨应用方法的步骤。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)建立了固体冷气微推进模块推力输出的精确模型。基于冷气推力器以及固体冷气微推进模块流量计算动态模型，可建立固体冷气微推进模块推力输出模型，可以准确的获取模块气室实时输出的推力。

(2)建立了基于固体冷气微推进模块的在轨标定方法以及流程，通过地面通入高纯氮气进行推力输出特性标定，获得推力器的性能参数。根据轨道变化情况以及遥测压力温度，通过非线性优化方法确定在轨推力模型修正系数。

(3)建立了固体冷气微推进模块在轨输出时间原值精确计算方法。固体冷气微推进模块推力器采用落压式工作。根据理想气体状态方程以及推力器相关计算模型，可以计算得到推力器在工作过程中，模块的推力时间曲线，对某时间段内的推力积分可以获得该时间段内的冲量。

(4)本发明考虑耦合了推力器工作的气体发生器产气量、温度、压力以及模块结构参数等多个物理变量，能够建立准确的推力模型。通过该方法可以实现在轨所需要的推力时间的准确计算，可以节省消耗的气体质量，提升轨道控制精度。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明进行进一步解释和说明。

如图1所示，一种固体冷气微推进模块在轨应用方法，主要包括在轨标定的方法以及计算模型，通过在轨标定模型，确定模块的推力输出模型，通过非线性优化算法计算获得轨控所需要的精确时间。

(1)建立了固体冷气微推进模块的在轨标定模型

通过地面通入高纯氮气进行推力输出特性标定，从而获得推力器的性能参数。根据轨道变化情况以及遥测压力温度，确定在轨等效组合推力相关特性。固体冷气微推进模块由冷气发生器产生气体，增压至一定压力，通过冷气推力器进行气体排出控制，本部分建立发生器工作后的模块内部压力模型、推力器工作过程模块内部压力变化模型以及推力器工作时间计算模型。

(a)根据遥测压力、温度，确定当前气室内气体质量。

p0vc＝nrt0(1)

(b)根据轨道变化需要，确定出需要提供的速度增量，从而确定冲量ical。

(c)再测定标定完后的压力pf、温度tf，确定当前气室内剩余气体质量，从而确定消耗的气体质量δmcal。

(d)根据冲量以及消耗气体质量确定标定平均比冲。

(e)根据遥测平均温度确定特征速度，根据平均比冲，据工作时间、冲量，采用非线性规划优化算法，求解推力积分模型，进行推力模型修正。确定推力模型修正系数在轨设置轨控时间，进行轨控，根据测算的轨控高度，进行推力系数修正。

采用matlab使用非线性规划min函数进行求解。

(f)根据求解的修正正系数确定推力模型：

(g)获得推力-时间拟合曲线

根据以上公式能够计算出推力与时间关系模型、压力与时间的关系模型

f(t)＝f(t)(9)

p(t)＝g(t)(10)

n为气体摩尔质量，m气室内气体质量，mn2为氮气的分子量28，n＝m/mn2。at为喷管喉部的面积。p0为标定时初始的气室内压力，pf为标定后气室内的压力，为推力器的流量，为推力修正系数。r为气体常数，cf为推力系数。pt为推力输出过程中气室内压力，t0为标定起始时间，tf为标定结束时间。

(2)建立了固体冷气微推进模块推力及冲量输出的精确模型

基于冷气推力器以及固体冷气微推进模块流量计算动态模型，根据公式(4)～(6)可建立固体冷气微推进模块推力输出模型，可以准确的获取模块气室实时输出的推力。固体冷气微推进模块推力器采用落压式工作。根据理想气体状态方程以及推力器相关计算模型，可以计算得到生成器在工作过程中，模块的推力时间曲线，对某时间段内的推力积分可以获得该时间段内的冲量。

(3)建立了固体冷气微推进模块在轨输出时间原值精确计算方法

固体冷气微推进模块推力器采用落压式工作。根据理想气体状态方程以及推力器相关计算模型，可以计算得到推力器在工作过程中，模块的推力时间曲线，对某时间段内的推力积分可以获得该时间段内的冲量。

(a)对于整星应用时，根据本次轨控高度计算出所需要的冲量ire；

(b)根据遥测的压力pc以及温度tc情况，确定当前状态气室内气体质量；

pcvc＝nrtc(15)

(c)根据公式(7)求解推力时间积分方程，确定工作时间tf。

基于与图1相同的发明构思，本发明还提供一种固体冷气微推进模块在轨应用系统，包括：

第一模块，通过地面通入高纯氮气进行推力输出特性标定，从而获得推力器的推力模型；

第二模块，根据本次整星应用时的轨控高度计算所需要的冲量；

第三模块，根据遥测的压力以及温度确定当前状态气室内气体质量；

第四模块，根据所需要的冲量和当前状态气室内气体质量作为推力模型的输入，求解轨控工作时间。

进一步地，所述通过地面通入高纯氮气进行推力输出特性标定的方法包括如下步骤：

根据遥测压力和温度确定当前气室内气体质量；

根据轨道变化需要，确定出需要提供的速度增量，从而确定冲量ical；

测定标定完后的压力pf、温度tf，确定当前气室内剩余气体质量，从而确定消耗的气体质量；

根据冲量ical以及消耗气体质量确定标定平均比冲；

根据遥测平均温度确定特征速度，根据平均比冲，据工作时间、冲量，采用非线性规划优化算法，求解推力积分模型，进行推力模型修正；

确定推力模型修正系数；

采用非线性规划最小化函数求解修正系数，确定推力模型；

进一步，所述推力模型为其中，ft为推力，为推力模型修正系数，cf为推力系数，at为推力器喷喉面积，pc为固体冷气微推进模块工作压力；

在一种可能实现的方式中，所述根据遥测压力和温度确定当前气室内气体质量的方法为：由pcvc＝nrtc计算当前气室内气体质量n；其中，vc为固体冷气微推进模块容积，r为气体常数，取8.31，tc为固体冷气微推进模块内气体温度；

在一种可能实现的方式中，所述消耗的气体质量为其中，p0为变轨前固体冷气微推进模块内压力，pf为变轨后固体冷气微推进模块内压力，t0为固体冷气微推进模块温度，mn2为氮气的摩尔质量，28g/mol；

在一种可能实现的方式中，所述标定平均比冲为其中，δmcal为轨控消耗的气体质量；

在一种可能实现的方式中，所述非线性规划最小化函数为其中，tf为轨控结束时间，pt为固体冷气微推进模块内压力。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。