本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星變軌發(fā)動(dòng)機(jī)比沖在軌計(jì)算方法，用于國(guó)內(nèi)典型的使用雙組元化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行變軌的地球靜止軌道衛(wèi)星變軌結(jié)束后通過在軌飛行數(shù)據(jù)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)比沖。
背景技術(shù)：
目前國(guó)內(nèi)主要地球靜止軌道衛(wèi)星采用雙組元推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)移軌道變軌，之后完成定點(diǎn)捕獲并開展業(yè)務(wù)，一般衛(wèi)星服務(wù)壽命15年。衛(wèi)星采用變軌發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)移軌道變軌，變軌期間通過姿控推力器進(jìn)行衛(wèi)星姿態(tài)控制。衛(wèi)星變軌結(jié)束時(shí)消耗掉約占初始攜帶總量80％推進(jìn)劑，之后變軌發(fā)動(dòng)機(jī)不再使用，后續(xù)定點(diǎn)捕獲及全壽命周期軌道維持及姿態(tài)控制通過多臺(tái)姿控推力器完成，這些姿控推力器消耗掉變軌后剩余推進(jìn)劑。因此衛(wèi)星80％推進(jìn)劑通過變軌發(fā)動(dòng)機(jī)消耗，變軌發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，特別是比沖，直接影響衛(wèi)星變軌期間推進(jìn)劑消耗量，一般希望使用比沖高的發(fā)動(dòng)機(jī)變軌節(jié)省推進(jìn)劑消耗，在變軌結(jié)束后剩余更多的推進(jìn)劑以增加衛(wèi)星在軌服務(wù)壽命。
衛(wèi)星使用的變軌發(fā)動(dòng)機(jī)均經(jīng)過地面點(diǎn)火熱標(biāo)測(cè)試，通過地面點(diǎn)火測(cè)試出推力、比沖、推進(jìn)劑流量等數(shù)據(jù)。在衛(wèi)星設(shè)計(jì)中將發(fā)動(dòng)機(jī)地面測(cè)試比沖作為參數(shù)依據(jù)進(jìn)行推進(jìn)劑預(yù)算，以滿足衛(wèi)星變軌及服務(wù)壽命要求。但是在衛(wèi)星實(shí)際飛行中，目前并未使用某種方法及手段對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)比沖進(jìn)行實(shí)際在軌計(jì)算和校準(zhǔn)，在進(jìn)行推進(jìn)劑消耗分析時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)比沖直接采用地面測(cè)試數(shù)據(jù)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：提供了一種利用衛(wèi)星實(shí)際飛行參數(shù)計(jì)算變軌發(fā)動(dòng)機(jī)比沖的方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種衛(wèi)星發(fā)動(dòng)機(jī)比沖在軌計(jì)算方法，方法實(shí)現(xiàn)方式如下：
(1)從衛(wèi)星變軌飛行貯箱遙測(cè)壓力變化判斷氧燃推進(jìn)劑流過下艙時(shí)刻，得到氧燃推進(jìn)劑過貯箱中間底重要時(shí)間特征參數(shù)to和tf，其中to為氧化劑進(jìn)入下艙時(shí)刻與變軌結(jié)束時(shí)刻的時(shí)間差，tf為燃燒劑進(jìn)入下艙時(shí)刻與變軌結(jié)束時(shí)刻的時(shí)間差；
(2)根據(jù)時(shí)間特征參數(shù)to和tf，計(jì)算變軌過程中貯箱下艙氧化劑和燃燒劑的消耗量；
(3)根據(jù)貯箱下艙裝填量和變軌時(shí)下艙推進(jìn)劑消耗量計(jì)算出變軌后氧燃剩余推進(jìn)劑量；
(4)根據(jù)推進(jìn)劑加注量及變軌后剩余量確認(rèn)該衛(wèi)星變軌過程推進(jìn)劑消耗量及變軌推進(jìn)劑消耗總量mt；
(5)根據(jù)衛(wèi)星起飛重量、變軌速度增量、發(fā)動(dòng)機(jī)效率以及上述變軌推進(jìn)劑消耗總量計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)比沖I。
所述的推進(jìn)劑貯箱具有中間底結(jié)構(gòu)。
步驟(2)中根據(jù)氧化劑和燃燒劑標(biāo)稱流量計(jì)算變軌過程中貯箱下艙氧化劑和燃燒劑的消耗量。
貯箱下艙裝填量考慮貯箱在加壓狀態(tài)下的下艙容積，通過加壓狀態(tài)下的下艙容積乘以推進(jìn)劑的密度得到。
所述的加壓狀態(tài)為1.5MPa。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果為：
(1)之前變軌飛控時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)比沖一般直接用地面測(cè)試數(shù)據(jù)，未見到在軌計(jì)算的方法及手段；本發(fā)明提供一種變軌發(fā)動(dòng)機(jī)比沖在軌計(jì)算方法，用于計(jì)算衛(wèi)星變軌實(shí)際飛行中發(fā)動(dòng)機(jī)比沖，用于與地面測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)修正，為衛(wèi)星后續(xù)推進(jìn)劑進(jìn)行預(yù)算提供依據(jù)。
(2)由于該方法在確定衛(wèi)星變軌推進(jìn)劑消耗量一項(xiàng)上精度較高，誤差不超過0.2％，且在計(jì)算過程中不涉及發(fā)動(dòng)機(jī)推力及變軌時(shí)間，因此最終計(jì)算得到比沖比較準(zhǔn)確，對(duì)于典型國(guó)內(nèi)地球靜止軌道通信衛(wèi)星，一般誤差不超過9.8N/kgs。
(3)可以提供發(fā)動(dòng)機(jī)在軌飛行比沖與地面測(cè)試數(shù)據(jù)的偏差，進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)及統(tǒng)計(jì)，為后續(xù)衛(wèi)星進(jìn)行推進(jìn)劑預(yù)算及推進(jìn)劑加注量確定提供依據(jù)。。
附圖說明
圖1為本發(fā)明流程圖。
具體實(shí)施方式
下面具體對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)介紹，如圖1所示，步驟如下：
(1)計(jì)算變軌過程推進(jìn)劑消耗量，所用參數(shù)：氧燃推進(jìn)劑加注量(發(fā)射前確定)，氧燃貯箱壓力(衛(wèi)星變軌飛行測(cè)量得到)。計(jì)算過程如下：
a)從衛(wèi)星變軌飛行貯箱遙測(cè)壓力變化判斷氧燃推進(jìn)劑流過下艙時(shí)刻，得到氧燃推進(jìn)劑過貯箱中間底重要時(shí)間特征參數(shù)to和tf，其中to為氧化劑進(jìn)入下艙時(shí)刻與變軌結(jié)束時(shí)刻的時(shí)間差，該時(shí)間差對(duì)應(yīng)氧化劑實(shí)際在下艙的變軌點(diǎn)火消耗時(shí)間，同理得到tf，為燃燒劑進(jìn)入下艙時(shí)刻與變軌結(jié)束時(shí)刻的時(shí)間差，該時(shí)間差對(duì)應(yīng)燃燒劑實(shí)際在下艙的變軌點(diǎn)火消耗時(shí)間；
b)根據(jù)to和氧化劑標(biāo)稱流量算出變軌過程中下艙氧化劑的消耗量mo1，同樣根據(jù)tf和燃燒劑標(biāo)稱流量算出變軌過程中下艙燃燒劑的消耗量mf1。在此計(jì)算過程中使用的是衛(wèi)星變軌時(shí)氧化劑與燃燒劑標(biāo)稱流量，用該流量計(jì)算出的下艙推進(jìn)劑消耗量與實(shí)際消耗量偏差：氧化劑不超過±2.1kg，燃燒劑不超過±1.24kg；
c)根據(jù)氧燃貯箱下艙裝填量和變軌時(shí)下艙推進(jìn)劑消耗量計(jì)算出變軌后氧燃剩余推進(jìn)劑量；
d)衛(wèi)星加注時(shí)氧燃推進(jìn)劑加注量減去變軌后推進(jìn)劑的剩余量得到變軌過程中氧燃推進(jìn)劑的消耗量(mo、mf)及變軌推進(jìn)劑消耗總量mt＝mo+mf。
(2)計(jì)算變軌發(fā)動(dòng)機(jī)比沖
計(jì)算所用參數(shù)：衛(wèi)星起飛重量M、變軌速度增量△V、發(fā)動(dòng)機(jī)效率η，這些參數(shù)在衛(wèi)星飛行前已經(jīng)確定。變軌推進(jìn)劑消耗量mt，重力加速度g。利用下面公式
計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)比沖I。
(3)計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)在軌飛行與地面測(cè)試比沖(衛(wèi)星設(shè)計(jì)階段推進(jìn)劑預(yù)算比沖)差別。
實(shí)施例1
1)確認(rèn)衛(wèi)星參數(shù)特征：
轉(zhuǎn)移軌道變軌速度增量△V＝1808.1m/s，起飛重量5320kg，推進(jìn)劑加注量3123.4kg，其中氧化劑1942.9kg，燃燒劑1180.5kg。
2)確認(rèn)推進(jìn)劑過貯箱中間底時(shí)刻
衛(wèi)星變軌飛行共進(jìn)行了五次變軌，在第五次變軌中氧燃推進(jìn)劑分別過各自貯箱中間底。氧箱壓力在第五次點(diǎn)火結(jié)束前971秒出現(xiàn)0.005MPa跳變，說明氧化劑流過中間底，氧化劑流過中間底與變軌結(jié)束時(shí)間間隔to＝971s。燃燒劑貯箱壓力在距第五次點(diǎn)火結(jié)束前791秒出現(xiàn)0.005MPa跳變，說明燃燒劑流過中間底，燃燒劑流過中間底與變軌結(jié)束時(shí)間間隔tf＝791s。
3)計(jì)算下艙推進(jìn)劑消耗量
氧化劑和燃燒劑流量取變軌發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)稱流量，氧化劑：0.1021kg/s，燃燒劑：0.06185kg/s。氧燃流量乘以下艙點(diǎn)火時(shí)間to和tf，得到推進(jìn)劑下艙消耗量：
氧化劑mo1＝0.1021*971＝99.2kg，
燃燒劑mf1＝0.06185*791＝48.9kg。
4)計(jì)算變軌后推進(jìn)劑剩余量
貯箱結(jié)構(gòu)固定，下艙滿液時(shí)氧化劑質(zhì)量按531.7kg計(jì)算，燃燒劑質(zhì)量按321.3kg計(jì)算，這樣可以確認(rèn)變軌后推進(jìn)劑剩余量：
氧化劑mo2＝531.7-99.2＝432.5kg，
燃燒劑mf2＝321.3-48.9＝272.4kg。
5)計(jì)算變軌推進(jìn)劑消耗量
根據(jù)推進(jìn)劑加注量及變軌后剩余量確認(rèn)該衛(wèi)星變軌過程推進(jìn)劑消耗量：
氧化劑mo＝1942.9-432.5＝1510.4kg，
燃燒劑劑mf＝1180.5-272.4＝908.1kg，
變軌消耗推進(jìn)劑mt＝mo+mf＝2418.5kg。
6)計(jì)算變軌發(fā)動(dòng)機(jī)比沖
發(fā)動(dòng)機(jī)效率取衛(wèi)星飛行前推進(jìn)劑預(yù)算相同值η＝0.99，根據(jù)公式(1)可得，發(fā)動(dòng)機(jī)變軌比沖I飛行＝3019.8N/kg.s。
7)與地面測(cè)試結(jié)果比對(duì)
發(fā)動(dòng)機(jī)地面熱標(biāo)測(cè)試比沖I地面＝2989N/kg.s。根據(jù)在軌飛行參數(shù)計(jì)算的發(fā)動(dòng)機(jī)變軌比沖較地面熱標(biāo)測(cè)試高出△I＝30.8N/kg.s。本發(fā)明未詳細(xì)說明部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識(shí)。