上面级主发动机在轨推力和推进剂剩余量计算方法及系统与流程

1.本发明涉及运载火箭上面级推进技术领域，具体地，涉及一种上面级主发动机在轨推力和推进剂剩余量计算方法及系统。


背景技术：

2.上面级主发动机的工作性能直接影响轨道转移、卫星分离等环节的关键参数，上面级推进剂剩余量直接影响上面级的工作寿命。在轨评价主发动机的工作性能，有利于后续产品完善设计进而提升性能；准确计算推进剂剩余量有助于开展其他扩展任务。
3.目前上面级主发动机不直接进行推力和流量测量，一般也不进行推力室室压采集，而是根据飞行过程中的主发动机入口压力数据和推进剂温度数据，利用小偏差方程，分析推测各次点火过程中的流量、推力等参数。此方法在较小性能偏差范围内具备一定的参考意义，但是在出现较大性能偏差后误差较大。
4.另外也有在轨推力计算时假定工作流量为额定流量进行计算。此方法受流量的偏差累积效应，随着飞行时间的不断增加，误差逐步增大。推力计算在任务前期是相对准确的，在任务后期误差较大。
5.公开号为cn108516107b的发明专利，公开了一种在线发动机推力和比冲估计方法及系统，包括：(1)根据主发动机的地面试车结果，确定主发动机推力以及比冲的估计初值，并对后续迭代过程需要的相关参数进行初始化；(2)结合姿控推力器工作在主发动机推力方向产生的附加加速度和姿控推力器引起的质量消耗，求解出主发动机推力和比冲的估计值，从而实现在线发动机推力和比冲估计。目前上面级主发动机交付前均不进行地面点火，且姿控推力器在主发动机推力方向产生的附加加速度相对较小，对计算结果影响有限。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种上面级主发动机在轨推力和推进剂剩余量计算方法及系统。
7.根据本发明提供的一种上面级主发动机在轨推力和推进剂剩余量计算方法及系统，所述方案如下：
8.第一方面，提供了一种上面级主发动机在轨推力和推进剂剩余量计算方法，所述方法包括：
9.步骤s1：在上面级推进剂加注环节测量加注的推进剂质量；
10.步骤s2：采集的主发动机工作过程中上面级自身的加速度，以及姿控发动机的工作时间，并计算主发动机推力；
11.步骤s3：累积计算主发动机各工作时段的推进剂耗量，以及姿控发动机耗量，计算剩余推进剂质量，进而开展其他扩展任务。
12.优选的，所述步骤s2包括：
13.步骤s2.1：假设主发动机在每一个稳态工作时段的推力和流量是稳定的；姿控发
动机流量变化对推进剂耗量影响小于设定值，且全程均按照额定流量工作；
14.步骤s2.2：在轨采集主发动机工作时上面级的加速度，同时采集姿控发动机工作时间；
15.步骤s2.3：给定以下参数设置：
16.m0：某次主发动机启动时刻上面级质量；
17.f：主发动机推力；
18.主发动机某次工作流量；
19.a：主发动机工作时上面级加速度；
20.m
zkn
：姿控发动机累计耗量；
21.t：某次主发动机已工作时间；
22.δt：单次主发动机工作总时间；
23.m
begin
：上面级初始推进剂量；
24.m
left
：上面级剩余推进剂量；
25.步骤s2.4：计算上面级主发动机推力
26.优选的，所述计算上面级主发动机推力包括：
27.针对主发动机某次启动工作：
28.t1时刻的推力等式为：
29.t2时刻的推力等式为：
30.t3时刻的推力等式为：
31.……
32.tn时刻的推力等式为：
33.等式(1)～(n)即：
34.35.进而得出：
36.优选的，所述步骤s3包括：
37.根据步骤s2知主发动机每次的工作时间为δt1～δtn，并且计算出每次工作时推进剂流量则剩余推进剂：
[0038][0039]
第二方面，提供了一种上面级主发动机在轨推力和推进剂剩余量计算系统，所述系统包括：
[0040]
模块m1：在上面级推进剂加注环节测量加注的推进剂质量；
[0041]
模块m2：采集的主发动机工作过程中上面级自身的加速度，以及姿控发动机的工作时间，并计算主发动机推力；
[0042]
模块m3：累积计算主发动机各工作时段的推进剂耗量，以及姿控发动机耗量，计算剩余推进剂质量，进而开展其他扩展任务。
[0043]
优选的，所述模块m2包括：
[0044]
模块m2.1：假设主发动机在每一个稳态工作时段的推力和流量是稳定的；姿控发动机流量变化对推进剂耗量影响小于设定值，且全程均按照额定流量工作；
[0045]
模块m2.2：在轨采集主发动机工作时上面级的加速度，同时采集姿控发动机工作时间；
[0046]
模块m2.3：给定以下参数设置：
[0047]
m0：某次主发动机启动时刻上面级质量；
[0048]
f：主发动机推力；
[0049]
主发动机某次工作流量；
[0050]
a：主发动机工作时上面级加速度；
[0051]mzkn
：姿控发动机累计耗量；
[0052]
t：某次主发动机已工作时间；
[0053]
δt：单次主发动机工作总时间；
[0054]mbegin
：上面级初始推进剂量；
[0055]mleft
：上面级剩余推进剂量；
[0056]
模块m2.4：计算上面级主发动机推力
[0057]
优选的，所述计算上面级主发动机推力包括：
[0058]
针对主发动机某次启动工作：
[0059]
t1时刻的推力等式为：
[0060]
t2时刻的推力等式为：
[0061]
t3时刻的推力等式为：
[0062]
……
[0063]
tn时刻的推力等式为：
[0064]
等式(1)～(n)即：
[0065][0066]
进而得出：
[0067]
优选的，所述模块m3包括：
[0068]
根据步骤s2知主发动机每次的工作时间为δt1～δtn，并且计算出每次工作时推进剂流量则剩余推进剂：
[0069][0070]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0071]
1、本发明与现有技术相比不需要地面试车结果，不需要考虑姿控发动机的附加加速度；
[0072]
2、本发明可适应较大推力偏差情况计算；
[0073]
3、本发明能够减小推力和推进剂剩余量计算时受流量的偏差累积效应，计算结果更为准确；
[0074]
4、本发明拓展性强，对于其他飞行器主发动机推力计算也有一定的借鉴意义。
附图说明
[0075]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、
目的和优点将会变得更明显：
[0076]
图1为本发明方法流程图。
具体实施方式
[0077]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0078]
本发明实施例提供了一种上面级主发动机在轨推力和推进剂剩余量计算方法，参照图1所示，具体步骤如下：
[0079]
步骤s1：在上面级推进剂加注环节测量加注的推进剂质量；
[0080]
步骤s2：采集的主发动机工作过程中上面级自身的加速度，以及姿控发动机的工作时间，并计算主发动机推力；
[0081]
具体地，该步骤s2包括：
[0082]
认为主发动机在每一个稳态工作时段的推力和流量是稳定的；姿控发动机流量变化对推进剂耗量影响较小，且认为全程均按照额定流量工作。
[0083]
在轨采集主发动机工作时上面级的加速度，同时采集姿控发动机工作时间；给定以下参数设置：
[0084]
m0：某次主发动机启动时刻上面级质量；
[0085]
f：主发动机推力；
[0086]
主发动机某次工作流量；
[0087]
a：主发动机工作时上面级加速度；
[0088]mzkn
：姿控发动机累计耗量；
[0089]
t：某次主发动机已工作时间；
[0090]
δt：单次主发动机工作总时间；
[0091]mbegin
：上面级初始推进剂量；
[0092]mleft
：上面级剩余推进剂量；
[0093]
上面级主发动机推力计算
[0094]
针对主发动机某次启动工作：
[0095]
t1时刻的推力等式为：
[0096]
t2时刻的推力等式为：
[0097]
t3时刻的推力等式为：
[0098]
……
[0099]
tn时刻的推力等式为：
[0100]
等式(1)～(n)即：
[0101][0102]
进而得出：
[0103]
步骤s3：累积计算主发动机各工作时段的推进剂耗量，以及姿控发动机耗量，计算剩余推进剂质量，进而开展其他扩展任务。
[0104]
具体地，根据步骤s2知主发动机每次的工作时间为δt1～δtn，并且计算出每次工作时推进剂流量则剩余推进剂：
[0105][0106]
本发明还提供了一种上面级主发动机在轨推力和推进剂剩余量计算系统，该系统包括：
[0107]
模块m1：在上面级推进剂加注环节测量加注的推进剂质量；
[0108]
模块m2：采集的主发动机工作过程中上面级自身的加速度，以及姿控发动机的工作时间，并计算主发动机推力；
[0109]
模块m3：累积计算主发动机各工作时段的推进剂耗量，以及姿控发动机耗量，计算剩余推进剂质量，进而开展其他扩展任务。
[0110]
具体地，模块m2包括：
[0111]
模块m2.1：假设主发动机在每一个稳态工作时段的推力和流量是稳定的；姿控发动机流量变化对推进剂耗量影响小于设定值，且全程均按照额定流量工作；
[0112]
模块m2.2：在轨采集主发动机工作时上面级的加速度，同时采集姿控发动机工作时间；
[0113]
模块m2.3：给定以下参数设置：
[0114]
m0：某次主发动机启动时刻上面级质量；
[0115]
f：主发动机推力；
[0116]
主发动机某次工作流量；
[0117]
a：主发动机工作时上面级加速度；
[0118]mzkn
：姿控发动机累计耗量；
[0119]
t：某次主发动机已工作时间；
[0120]
δt：单次主发动机工作总时间；
[0121]mbegin
：上面级初始推进剂量；
[0122]mleft
：上面级剩余推进剂量；
[0123]
模块m2.4：计算上面级主发动机推力计算上面级主发动机推力包括：
[0124]
针对主发动机某次启动工作：
[0125]
t1时刻的推力等式为：t2时刻的推力等式为：t3时刻的推力等式为：
……
[0126]
tn时刻的推力等式为：等式(1)～(n)即：
[0127][0128]
进而得出：
[0129]
模块m3包括：
[0130]
根据步骤s2知主发动机每次的工作时间为δt1～δtn，并且计算出每次工作时推进剂流量则剩余推进剂：
[0131][0132]
接下来，对本发明进行更为具体的说明。
[0133]
如图1所示，本发明实施例提供的上面级主发动机在轨推力和推进剂剩余量计算方法，包括如下步骤：
[0134]
(1)、上面级推进剂加注质量为m
begin
＝1751.2kg；
[0135]
(2)、上面级主发动机第一次工作前，上面级质量m0＝3600kg；姿控发动机额定流
量为0.0087kg/s；
[0136]
主发动机第一次工作总时间δt＝97s；在97s内，选取10s、30s、50s、70s、90s共计5个时刻，其对应的与加速度值分别1.363m/s2、1.379m/s2、1.389m/s2、1.402m/s2、1.416m/s2；主发动机工作过程中姿控发动机不工作，在主发动机工作前姿控发动机工作累积时间为49s，推进剂耗量为0.0087
×
49＝0.426kg。
[0137]
计算得到主发动机第一次工作：推力f＝4886n，推进剂流量
[0138]
上面级共计工作19次，按照如上述(2)中的方法分别计算19次的主发动机推力和流量，如下表1所示。姿控发动机工作时间1998s，总的耗量m
zkn
＝0.0087
×
1998＝17.38kg。
[0139][0140][0141][0142]
本发明实施例提供了一种上面级主发动机在轨推力和推进剂剩余量计算方法及系统，本发明与现有技术相比不需要地面试车结果，不需要考虑姿控发动机的附加加速度，无需依靠地面试车事先获得主发动机额定推力和额定流量，通过上面级加速度值求解主发动机工作段的实际推力和实际流量，减小了推力和推进剂剩余量计算时受流量的偏差累积效应，计算结果更为准确。
[0143]
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌
入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
[0144]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。