本发明涉及航天领域，尤其涉及一种航天器贮箱系统的排放不平衡系数在轨估计方法。
背景技术：
对于执行大范围轨道机动的航天器，其通常需要携带多个用于贮存氧化剂和燃烧剂的贮箱。但由于所采用的贮箱为表面张力贮箱。使其内部气液不分离，需要额外布置增压气体(一般采用氦气)与推进剂直接接触，且必须通过靠近贮箱液路出口的推进剂管理装置(pmd)保证气液分离并为发动机提供不夹气的推进剂。
由于各贮箱上游增压气路气阻、各贮箱pmd及下游液路流阻都存在差异，推进系统工作时会产生排放不平衡问题，即同类型贮箱(多个氧化剂贮箱之间或多个燃烧剂贮箱之间)出现推进剂消耗量不一致情况。如果无法精确测量每个贮箱的推进剂剩余量，随着推进剂的持续消耗可能出现某个贮箱推进剂提前耗光、增压气体进入发动机导致发动机损坏的严重后果。进而，在无法对表面张力贮箱推进剂剩余量进行精确测定的飞行任务中，如何获取贮箱排放不平衡系数是一个亟待解决的问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种航天器贮箱系统的排放不平衡系数在轨估计方法，用于解决飞行任务中难以获取贮箱排放不平衡系数的问题。
为实现上述发明目的，本发明提供一种航天器贮箱系统的排放不平衡系数在轨估计方法，包括以下步骤：
s1.记录航天器的整器初始状态，其中，所述整器初始状态包括航天器的整器初始重量ms0、质心位置(x0、y0、z0)、主发动机推力矢量标称值fas(fas-x、fas-y、fas-z)、主氧贮箱安装位置(xo10、yo10、zo10)；
s2.记录所述航天器第1次在轨控制结束时刻的第一时刻状态，其中，所述第一时刻状态包括第一时刻整器质量ms1，第一时刻扰动力矩tas1和第一时刻推进剂消耗量msp1；
s3.记录所述航天器第j次在轨控制结束时刻的第j时刻状态，并基于所述整器初始状态和所述第一时刻状态对第j时刻状态进行排放不平衡系数估计，其中，所述第j时刻状态包括第j时刻整器质量msj、第j时刻扰动力矩tasj和第j时刻推进剂消耗量mspj，且j＞1。
根据本发明的一个方面，步骤s3中，排放不平衡系数估计公式为：
其中，ξuo为氧化剂储箱排放不平衡系数；ξuf为燃烧剂储箱排放不平衡系数；ξof为氧燃混合比标称值；
cy、cz为过程控制参数，具体为：
其中，δtas1j为第1次轨控结束时刻扰动力矩与第j次轨控结束时刻扰动力矩差值，其包含的3个分量分别为δtas1j-x、δtas1j-y、δtas1j-z，即：
δtas1j＝δtas1-δtasj。
根据本发明的一个方面，步骤s3中，根据对第j时刻状态进行排放不平衡系数估计的估计结果，对前j-1次获得的估计结果进行综合评估，如果排放不平衡系数的估计结果逐渐收敛且极性一致，则保存所有所述估计结果并作为后续轨道机动任务决策的参考。
根据本发明的一个方面，所述航天器贮箱系统中包括：
两个氧化剂贮箱，其分别为主氧化剂贮箱和副氧化剂贮箱；
两个燃烧剂贮箱，其分别为主燃烧剂贮箱和副燃烧剂贮箱。；
所述氧化剂贮箱和所述燃烧剂贮箱并联设置。
根据本发明的一个方面，所述氧化剂贮箱和所述燃烧剂贮箱线性排列设置，或者所述氧化剂贮箱和所述燃烧剂贮箱以矩形阵列对称设置，其中所述氧化剂贮箱对角设置，所述燃烧剂贮箱对角设置。
根据本发明的一个方面，步骤s3中，若ξuo>0，则所述主氧化剂贮箱消耗大，若ξuo＜0，所述副氧贮箱消耗大；
若ξuf>0，则所述主燃烧剂贮箱消耗大，若ξuf＜0，所述副燃烧剂贮箱消耗大；
若ξuo＝0且ξuf＝0，则所述氧化剂贮箱和所述燃烧剂贮箱均匀排放。
根据本发明的一种方案，有效解决了飞行任务中难以准确且简单的获取贮箱排放不平衡系数的难题。
根据本发明的一种方案，在飞行任务中，不需要对贮箱中氧化剂和燃烧剂剩余量进行精确测定，仅通过整器初始质量特性、推进剂消耗量和轨控开机期间的姿态扰动力矩等信息，就可对贮箱排放不平衡系数进行在轨估计。
根据本发明的一种方案，其估计过程简单方便，并且其估计结果精度高，可作为后续轨控实施决策的依据。
附图说明
图1示意性表示根据本发明的一种实施方式的排放不平衡系数在轨估计方法的步骤框图；
图2示意性表示根据本发明的一种实施方式的排放不平衡系数在轨估计方法的流程图；
图3示意性表示根据本发明的一种实施方式的氧化剂贮箱和燃烧剂贮箱的布置图；
图4示意性表示根据本发明的另一种实施方式的氧化剂贮箱和燃烧剂贮箱的布置图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
结合图1和图2所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种航天器贮箱系统的排放不平衡系数在轨估计方法，包括以下步骤：
s1.记录航天器的整器初始状态，其中，整器初始状态包括航天器的整器初始重量ms0、质心位置(x0、y0、z0)、主发动机推力矢量标称值fas(fas-x、fas-y、fas-z)、主氧贮箱安装位置(xo10、yo10、zo10)；
s2.记录航天器第1次在轨控制结束时刻的第一时刻状态，其中，第一时刻状态包括第一时刻整器质量ms1，第一时刻扰动力矩tas1和第一时刻推进剂消耗量msp1；
s3.记录航天器第j次在轨控制结束时刻的第j时刻状态，并基于整器初始状态和第一时刻状态对第j时刻状态进行排放不平衡系数估计，其中，所述第j时刻状态包括第j时刻整器质量msj、第j时刻扰动力矩tasj和第j时刻推进剂消耗量mspj，且j＞1。
如图3所示，根据本发明的一种实施方式，航天器贮箱系统中包括：两个氧化剂贮箱，其分别为主氧化剂贮箱和副氧化剂贮箱；两个燃烧剂贮箱，其分别为主燃烧剂贮箱和副燃烧剂贮箱。在本实施方式中，氧化剂贮箱和燃烧剂贮箱并联设置。在本实施方式中，氧化剂贮箱排放不平衡系数ξuo定义为：主氧箱消耗量/副氧箱消耗量)-1；燃烧剂贮箱排放不平衡系数ξuf定义为：主燃箱消耗量/副燃箱消耗量)-1；相关比例均采用质量比，即：
根据本发明的一种实施方式，基于前述的箱排放不平衡系数ξuo、ξuf，在步骤s3中，基于整器初始状态、第一时刻状态、第j时刻状态对其进行变形后获得对第j时刻状态的排放不平衡系数估计公式，具体为：
其中，ξuo为氧化剂储箱排放不平衡系数；ξuf为燃烧剂储箱排放不平衡系数；ξof为氧燃混合比标称值；
cy、cz为过程控制参数，具体为：
其中，δtas1j为第1次轨控结束时刻扰动力矩与第j次轨控结束时刻扰动力矩差值，其包含的3个分量分别为δtas1j-x、δtas1j-y、δtas1j-z，即：
δtas1j＝δtas1-δtasj。
根据本发明的一种实施方式，步骤s3中，根据对第j时刻状态进行排放不平衡系数估计的估计结果，对前j-1次获得的估计结果进行综合评估，如果排放不平衡系数的估计结果逐渐收敛且极性一致，则保存所有所述估计结果并作为后续轨道机动任务决策的参考。需要指出的是，收敛是指相邻两次估计结果差值极性相同且绝对值逐渐减小，极性一致是指历次排放不平衡系数正负号相同。
进一步的，在本实施方式中，步骤s3中，若ξuo>0，则主氧化剂贮箱消耗大，若ξuo＜0，所述副氧贮箱消耗大；
若ξuf>0，则主燃烧剂贮箱消耗大，若ξuf＜0，副燃烧剂贮箱消耗大；
若ξuo＝0且ξuf＝0，则氧化剂贮箱和燃烧剂贮箱均匀排放。
如图3所示，根据本发明的一种实施方式，氧化剂贮箱和燃烧剂贮箱线性排列设置。在本实施方式中，氧化剂贮箱和燃烧剂贮箱采用表面张力形式贮箱，并且各个贮箱容积、结构形式及外形尺寸相同。
在本实施方式中，基于线性排列设置的氧化剂贮箱和燃烧剂贮箱可构架航天器的推进系统。具体的，还包括：增压气瓶、气路管路阀门、液路管路阀门和发动机。在本实施方式中，增压气瓶设置有一个或者多个，且在增压气瓶存储高压氦气，发射前由地面设备进行充气，入轨后高压氦气通过减压阀后进入氧化剂贮箱和燃烧剂贮箱增压。气路管路阀门用于对增压气瓶出口到氧化剂贮箱和燃烧剂贮箱的气路入口之间的气路部分进行控制调节。在本实施方式中，氧化剂贮箱和燃烧剂贮箱的出口汇合后与发动机相连接。液路管路阀门用于对氧化剂贮箱和燃烧剂贮箱出口到发动机入口的液路部分进行控制调节。在本实施方式中，发动机分为以稳态工作为主的大推力主发动机和以脉冲工作为主的小推力姿控发动机，每个发动机入口处设置氧、燃两个电磁阀，由控制器控制开关。
如图4所示，根据本发明的一种实施方式，氧化剂贮箱和燃烧剂贮箱以矩形阵列对称设置，其中氧化剂贮箱对角设置，燃烧剂贮箱对角设置。在本实施方式中，氧化剂贮箱和燃烧剂贮箱采用表面张力形式贮箱，并且各个贮箱容积、结构形式及外形尺寸相同。本实施方式中，氧化剂贮箱和燃烧剂贮箱以矩形阵列对称设置时的矩形中心设置于航天器整器的轴线上。
在本实施方式中，基于矩形阵列设置的氧化剂贮箱和燃烧剂贮箱可构架航天器的推进系统。具体的，还包括：增压气瓶、气路管路阀门、液路管路阀门和发动机。在本实施方式中，增压气瓶设置有一个或者多个，且在增压气瓶存储高压氦气，发射前由地面设备进行充气，入轨后高压氦气通过减压阀后进入氧化剂贮箱和燃烧剂贮箱增压。气路管路阀门用于对增压气瓶出口到氧化剂贮箱和燃烧剂贮箱的气路入口之间的气路部分进行控制调节。在本实施方式中，氧化剂贮箱和燃烧剂贮箱的出口汇合后与发动机相连接。液路管路阀门用于对氧化剂贮箱和燃烧剂贮箱出口到发动机入口的液路部分进行控制调节。在本实施方式中，发动机分为以稳态工作为主的大推力主发动机和以脉冲工作为主的小推力姿控发动机，每个发动机入口处设置氧、燃两个电磁阀，由控制器控制开关。
上述内容仅为本发明的具体方案的例子，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。
以上所述仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。