国家标准 GB/T34523一2017 航天器剩余推进剂质量的估算方法 Estimatingmethodsforthemassofremainingpropellantofspaceeraft 2017-11-01发布 2018-05-01实施国家质量监督检验检疫总局发布国家标准化管理委员会国家标准
GB/T34523一2017 引言剩余推进剂质量决定了航天器可持续工作的能力对于返回式航天器来说,剩余推进剂质量是航天器返回操作实施前的一项重要判据;对于低轨航天器来说,剩余推进剂质量决定了航天器后续轨道机动任务的可实施次数;对于高轨航天器来说,剩余推进剂质量决定了航天器在轨工作寿命及寿命末期的离轨时机,对于充分利用GEO轨道资源及减少空间碎片的产生具有重大的意义;对于提供在轨服务功能的航天器来说,剩余推进剂质量决定了能够提供的服务范围因此,剩余推进剂质量估算是航天器在轨管理的一项重要工作,估算结果是航天器剩余寿命预测和后续任务策划的一项重要依据该标准将对航天器剩余推进剂质量的估算起到指导作用
GB/34523一2017 航天器剩余推进剂质量的估算方法范围本标准规定了航天器剩余推进剂质量的估算方法、估算方法选择和估算精度评估本标准适用于航天器表面张力贮箱内剩余液体推进剂质量的估算,采用其他类型贮箱或推进剂的航天器可参照使用 2 符号表1中所列的符号适用于本文件表1符号序号符号单位名称由加速度计测得的)加速度 m/s I 轨控发动机的比冲 m/s K 推进剂混合比推进剂剩余量(事件末状态》 M kg Ma 燃烧剂剩余量(事件末状态 kg M 燃烧剂剩余量(事件初状态 kg M 推进剂剩余量(事件初状态》 kg M 氧化剂剩余量(事件末状态 kg M 氧化剂剩余量(事件初状态 kg l0 n 航天器总质量(事件初状态 kg 1l1 气瓶数量 12 工作的发动机数量 13 P P 发动机人口压力气瓶压力(事件末状态) Pa 14 P 15 PP P 燃烧剂贮箱压力事件末状态 16 P PP 燃烧剂贮箱压力事件状态 17 Pa ” 气瓶压力事件初状态) 氧化剂贮箱压力(事件末状态》 18 PP Pe 19 P 氧化剂贮箱压力(事件初状态 Pa 20 P PP 推进剂贮箱压力(事件未状态 21 P 推进剂贤箱压力(事件初状态 P
GB/T34523一2017 表1续) 序号符号名称单位 22 P P 燃烧剂饱和燕汽压(事件末状态 23 P 尸燃烧剂饱和蒸汽压(事件初状态 24 推进剂饱和蒸气压(事件末状态 Pa P 25 P 推进剂饱和蒸气压(事件初状态 PP 氧化剂饱和蒸汽压(事件末状态 26 PP 氧化剂饱和蒸汽压(事件初状态》 27 Pa 由超声波流量计测得的)流量 2 Q kg/s 29 ，K e- 增压气体的气体常数 R 30 推进剂贮箱内增压气体的温度(事件末状态 K 31 T 发动机人口推进剂温度 K K 32 Ta 燃烧剂财箱内增压气体的温度(事件末状态 T 燃烧剂贮箱内增压气体的温度(事件初状态) K 33 K T 气瓶温度(事件末状态) 34 K 35 T 气瓶温度(事件初状态) K 36 T 推进剂贮箱内增压气体的温度(事件初状态 37 K T 氧化剂贮箱内增压气体的温度(事件初状态 K 38 T 氧化剂贮箱内增压气体的温度(事件末状态 39 时间 40 时间事件末状态时间(事件初状态) 41 42 V 气瓶容积 m 43 V 推进剂贮箱容积 m" 4！4 V 燃烧剂贮箱容积 m 45 V 氧化剂贮箱容积 m 46 2 推进剂贮箱内增压气体的压缩因子事件末状态 Z 燃烧剂贮箱内增压气体的压缩因子(事件末状态 47 2么燃烧剂贮箱内增压气体的压缩因子(事件初状态 48 Z 气瓶内气体的压缩因子(事件末状态》 49 50 么气瓶内气体压缩因子(事件初状态 51 推进剂贮箱内增压气体的压缩因子(事件初状态》 52 Z 氧化剂贮箱内增压气体的压缩因子(事件初状态 53 Z 氧化剂贮箱内增压气体的压缩因子(事件末状态 54 推进剂密度(事件末状态 kg/m 燃烧剂密度(事件末状态) 55 kg/m pe
GB/34523一2017 表1续) 序号符号单位名称燃烧剂密度(事件初状态) 56 pn kg/m 57 推进剂密度(事件初状态》 p kg/m 58 氧化剂密度(事件末状态 lkg/m p， 59 氧化剂密度(事件初状态 kg/m 60 发动机的推进剂氧化剂或燃烧剂)流率 kg/s we 61 燃烧剂流率 kg/s 氧化剂流率 62 a kg/s 人贮箱的增压气体质量 63 A 注人 kg 64 发动机点火时间 At 65 航天器的速度增量 AU m/s 估算方法 3.1BK法 3.1.1原理法(ookkeepingmethod)是基于发动机点火时的流量估算一段时间内推进剂消耗量和剩余量的方法通过指定一段时间,由该时段起始时的剩余推进剂质量减去各发动机(包括轨控发动机和姿控发动机)的消耗量,得到该时段结束时剩余推进剂质量 3.1.2计算方法剩余推进剂(氧化剂或燃烧剂)质量按式(1)进行计算 M =M一 (wem,At 其中发动机的推进剂氧化剂或燃烧剂)流率w.，通常由发动机地面测试结果给出,表达式见式(2) w=f(P,T 计算说明式(2)计算所需的发动机人口压力尸和推进剂温度T 可由航天器遥测数据获得 a 对于脉冲工作的发动机,不同脉宽状态下式(2)的参数可能不同,在式(1)的计算中可根据具 b 体情况选择时间跨度,例如可将时间跨度细化到发动机的每个点火周期,然后将发动机多个点火周期的消耗量进行累加计算总的消耗量,最后计算出剩余推进剂 3.2PVT法 3.2.1原理 PVT法(pre eethod)是基于系统内气体质量守恒原理计算贮箱内剩余 2ssurevolume-temperatureme 推进剂的方法
GB/T34523一2017 3.2.2计算恒压工作时剩余推进剂质量恒压工作时,气瓶的增压气体通过减压器稳压后注人到各个贮箱,以保持发动机点火过程中贮箱压力平稳对于双组元推进系统,将气瓶和各推进剂贮箱看作一个系统,假设系统无外漏,则内部的气体质量守恒,根据式(3)计算燃烧剂剩余量 Pd M =M路斗-)+M-"' 二PK (v-M)"" ")"][" -V4一 0 其中式(3)中包含了混合比K,计算方法见式(4): w.dr K wdr 按式(5)计算氧化剂的剩余量 M =M 一(M一M.)K 计算步骤: aa 记录恒压工作前气瓶和推进剂贮箱的压力和温度,作为事件前参数记录恒压工作后气瓶和推进剂贮箱的压力和温度,作为事件后参数; b 计算事件前和事件后推进剂和增压气体的物性参数,包括推进剂密度、推进剂饱和燕汽压、气 c 瓶和贮箱内增压气体的压缩因子,可参见附录A: 利用式(4)计算平均混合比 d 利用式(3),式(5)计算氧化剂和燃烧剂剩余量,公式中的温度数据应选择增压气体测温数据与推进剂密度和饱和蒸汽压项有关的温度数据应选择推进剂的测温数据计算说明: 对于单组元系统;将上述式(3)中氧化剂贮箱的容积,压力,饱和蒸汽压和氧化剂剩余量取零 a 即可 b 对于并联贮箱系统,PVT法无法计算每个贮箱的推进剂剩余量,只能将并联贮箱作为整体进行计算,若并联贮箱的压力有差异,则本方法不适用 3.2.3计算落压工作时单个贮箱内的剩余推进剂质量对单个推进剂贮箱来说,在落压工作模式(无外部气体注人)下,若贮箱无外漏,事件前后贮箱内的气体质量守恒,根据式(6)计算推进剂剩余量 "--禁二" (6 计算步骤记录落压工作开始时推进剂贮箱的压力和温度,作为事件前参数; a b 记录某一指定时间的推进剂贮箱的压力和温度,作为事件后参数计算事件前和事件后的推进剂和增压气体物性参数,包括推进剂密度、推进剂饱和蒸汽压和增压气体压缩因子,可参见附录A; 利用式(6)计算贮箱内剩余推进剂量,公式中的温度数据应选择增压气体测温数据,与推进剂密度和饱和蒸汽压项有关的温度数据应选择推进剂的测温数据
GB/34523一2017 3.3加速度计法 3.3.1原理加速度计法(accelerometermethod)是基于加速度计对时间积分得到的速度增量和发动机比冲数据,通过火箭方程计算一段时间内剩余推进剂质量的方法 3.3.2计算方法加速度计法需要在航天器沿轨控推力的方向上安装加速度计,通过对加速度计进行积分获得指定时间段内航天器的速度增量Avu,并根据火箭方程计算出剩余推进剂质量,计算公式见式(7). adt NM =M一m =M一m -esr(偿) expP 计算说明式(7)只给出了考虑航天器轨控发动机消耗量后的剩余推进剂质量,变轨期间的姿控消耗量可 a 以通过BK法估算若航天器进行多次变轨机动,可根据每次变轨的剩余推进剂质量变化分段计算 b 若可通过其他手段获得航天器的速度增量,如根据变轨前后航天器轨道变化情况计算速度变化量,也可以应用式(7)计算剩余推进剂质量 3.4超声波流量计法 3.4.1原理超声波流量计法(ultrasonicflowmetermethod)是根据超声波流量计的测量结果对时间积分,获取 -段时间内推进剂消耗量的方法 3.4.2计算方法超声波流量计通常安装在推进剂贮箱下游,对超声波流量计的输出进行积分就可到该贮箱的剩余推进剂质量计算方法见式(8). Qdr M =M 3.5气体注入压力激励法 3.5.1原理气体注人压力激励法(pres ssureknockingthroughgasinjectionmethod)是对贮箱注人确定质量的气体,根据贮箱的压力变化情况计算贮箱内剩余推进剂的方法该方法不需要初始的推进剂剩余量数据,无累积误差,但实施次数受带气量的限制 3.5.2计算方法气体注人压力激励法的计算方法见式(9): Pi一P、 -P "-"-)y]" M =4m,R 9 Z" TZnp
GB/T34523一2017 3.6热容法 3.6.1原理热容法(thermalpropelantgaugingmethod)是通过对贮箱进行加热,根据与贮箱内推进剂量相关的热响应特性来估算剩余推进剂质量的方法 3.6.2计算方法附录B给出了热容法的理想状态数学模型,实际能够使用的估算模型要复杂得多,需考虑到贮箱内的温度梯度、推进剂和增压气体分布、贮箱与环境的辐射换热及通过安装面的热传导等因素,通常要用数值仿真方法求解估算方法选择本标准给出了6种可选择的剩余推进剂质量估算方法,各个方法的特点可参考附录C,按以下原则进行选用 K法是航天器上最常用的估算方法,使用推进系统的压力和温度传感器即可进行估算,不需 a 要额外增加设备若无其他额外方法时,建议与PvVT法结合进行估算 BK法的估算精度与发动机的流量模型精度相关,对于脉冲工作的发动机估算误差较大 BK法不支持并联贮箱同时工作时对每个贮箱的剩余推进剂测量 PvT法是航天器上最常用的估算方法,使用推进系统的压力和温度传感器即可进行估算,不 b 需要额外增加设备若无其他额外方法时,建议与BK法结合进行估算 PvT法估算与过程无关,无累计误差,适用于时间跨度较大,推进剂消耗量较多情况下的剩余推进剂估算 PvT 法不支持并联贮箱同时工作时对每个贮箱的剩余推进剂测量加速度计法估算时需要用到变轨前的航天器质量数据,而航天器质量数据与上个阶段的剩余推进剂质量相关,因此加速度计法适合与BK法结合使用采用加速度计法只能得到该阶段总的推进剂消耗量,对于双组元推进系统,若要估算氧化剂和燃烧剂的消耗量,还需要混合比参数进行计算,测量误差也需要考虑混合比的误差加速度计法不支持并联贮箱同时工作时对每个贮箱的剩余推进剂测量超声波流量计法的估算精度取决于流量计的测量精度超声波流量计建议安装在每个贮箱出口管道上,可直接测量每个贮箱的推进剂消耗量,适用于变轨阶段的剩余推进剂估算,非变轨阶段可结合PVT法进行估算若需要准确测量姿控发动机的消耗量,则应根据具体需求选择小量程的超声波流量计并安装在管路上合适的位置气体注人压力激励法适合于航天器全部在轨工作阶段,但需要增加专用的硬件用于对贮箱进行激励并测量注人的气体质量对于并联贮箱结构的推进系统,该方法可测量每个能够单独隔离的贮箱内推进剂剩余量气体注人压力激励法精度与推进剂贮箱温度测量情况有关,建议选择贮箱温控加热器不工作,且温度平稳时段实施热容法适用于航天器寿命末期的推进剂剩余量计算,用于判断航天器寿终处置时机热容法只需要在贮箱上布置加热器和温度传感器,但是贮箱的热模型应根据具体航天器结构设计和布局进行分析,必要时应通过试验进行标定该方法可测量每个贮箱的推进剂剩余量,包括并联贮箱结构
GB/34523一2017 估算精度评估 5.1估算精度定义除特别说明外,估算精度定义为剩余推进剂体积估算误差与贮箱容积之比 5.2估算精度影响因素下面给出6种方法的估算精度影响因索,对这些进行适当控制,可有效减小估算误差除这些影响因素外,若需要根据航天器遥测数据在地面进行估算,还应考虑遥测分层带来的误差影响 BK法精度主要取决于对发动机性能标定精度,有累积误差 BK法的估算精度通常为 1%3% b PVT法精度主要取决于压力测量精度、温度测量精度、初始状态的剩余推进剂质量精度和双组元推进系统的混合比估算精度,无累积误差 PV法的估算精度通常为1%一5%. 加速度计法精度取决于加速度计的测量精度和初始状态的剩余推进剂质量精度加迷度计法的估算精度可达到1%以内超声波流量计法精度取决于流量计的测量精度,流量计测量精度为0,5%时,剩余量估算精度 d 可达0.5%以内气体注人压力激励法精度取决于激励前后贮箱压力变化量测量精度和注人贮箱的气体质量测量精度,有次数限制,无累积误差气体注人压力激励法的估算精度可达到0.5%~1% 热容法精度取决于加热器功率测量精度、温度传感器测量精度、贮箱热模型准确度和地面标定精度估算精度通常为剩余推进剂的10%一20%(航天器寿命末期),绝对测量精度随推进剂消耗而逐渐提高 5.3多种估算方法综合精度评估误差估计基于每种方法的测量均值和标准差,来计算总的估算精度每种估算方法得到的均值和标准差可能并不一致,应采用加权平均的方法得到总的均值,在没有其他方法确定权重的情况下,通常以标准差作为权重计算的依据
GB/T34523一2017 附录 A 资料性附录) 航天器常用推进剂物性参数符号 A.1 表A.1中所列的符号适用于本附录表A.1符号序号符号名称单位 PM 氮气压力 Pa P、MMm1 甲基阱饱和蒸汽压 Pa Pa 绿色四氧化二氮饱和蒸汽压 PMoN1 P 无水耕饱和蒸汽压 ?a ',NH Tm K 氮气温度 Tmm 甲基阱温度 K K TMN 绿色四氧化二氮温度 K 无水阱温度 Z 氮气压缩因子甲基耕密度 10 pwnm kg/m 绿色四氧化二氮密度 PN1 kg/m 12 pN,H 无水耕密度 kg/m" A.2推进剂密度推进剂密度参数如下绿色四氧化二氮(MON-1)按式(A.1)计算,其中温度适用范围262K330K a =2174.4一2.489TM (A.1 pMoN1 M0N1 b)甲基胁(MMH)按式(A.2)计算,其中温度适用范围240K一330K; =1151一0.945TN (A.2 pMMH NMM 无水耕(NH,)按式(A.3)计算,其中温度适用范围275K330K =1264.5一0.875T、 (A.3 pNH "N,H A.3推进剂饱和蒸汽压推进剂饱和蒸汽压参数如下绿色四氧化二氮MON-1)按式(A.4)计算,其中温度适用范围263K330K; a =exp(25.5125一4128.4/T .(A.4 P ---- MON1 MoN1
GB/34523一2017 b 甲基胖(MMH)按式A.5)计算,其中温度适用范围263K330K PH=exp(24.7805一4768.5/TMm A.5 无水阱(N,H,)按式(A.6)计算,其中温度适用范围275K330K 已 =exp(26.9925一6378.8/T十173298/T A.6 NH H A.4氨气(HHe)压缩因子按式(A.7)计算,其中温度适用范围230K一400K,适用最大压力3.5×10'Pa -l,0622" Zt =1十1.9572×10"PTm A.7
GB/T34523一2017 附录 B 资料性附录) 热容法数学模型 B.1符号表B.1中所列的符号适用于本附录表B.1符号序号符号单位名称推进剂热容 J/kg 增压气体(定压)比热容 J/(kgK 推进剂定压)比热容 J/(kgK J/kgK 推进剂蒸汽(定压)比热容 H 推进剂的汽化热 J/kg 增压气体质量 kg m 推进剂质量 m kg 渊量过程中汽化的推进剂质量 m kg Pad P 贮箱压力 10 P Pa 推进剂饱和蒸汽压(测量结束状态) 11 P 推进剂饱和蒸汽压(测量开始状态 Pa 12 Qe 财贮箱与外界的热交换 13 Q 增压气体吸热加热器产生的热量 l4 Q 15 推进剂吸热 6 贮箱结构吸热 Q. 17 Q 推进剂蒸汽吸热 18 Q 因温度上升所增加的推进剂蒸汽汽化吸热 19 增压气体气体常数 J/kgK R 20 R 推进剂蒸汽气体常数 J/kgK T 增压气体温度 21 T 推进剂燕汽温度(测量结束状态 2 T 推进剂蒸汽温度(测量开始状态) 2 24 时间 25 V 贮箱容积 mm 26 W 贮箱与航天器结构的热传导功率 w 0
GB/34523一2017 表B.1续) 序号单位符号名称 s 27 W1 加热器功率 w 28 W 贮箱与环境的热辐射功率 29 Z 增压气体压缩因子测量结束状态 30 Z 推进剂蒸汽压缩因子测量结束状态云推进剂燕汽压缩因子(测量开始状态) 31 推进剂密度(测量结束状态) 32 P kg/m 33 推进剂峦度(测量开始状态) P kg/m" 34 AT 增压气体温度变化量 K 35 AT 推进剂温度变化量 36 T 贮箱温度变化量 37 AT 推进剂蒸汽温度变化量 B.2热容法数学模型通过加热器给贮箱加热,测量贮箱的温度变化来计算贮箱内推进剂的剩余量加热器产生的热量Q;和贮箱与外界的热交换QE之和与贮箱结构吸热Q,推进剂吸热Q,、增压气体吸热Q.,推进剂蒸汽吸热Q,及因温度上升所增加的推进剂蒸汽汽化吸热Q.,之和,如式(B.1)所示 (B.1 Q+QE=Q十Q,+Q+Q,Q. 其中: Q=|wH Q;=We十WR)r =C,T Q Q =(,",AT m P,)v P， Pp =c,nnT，道 =c,AT R.TZ p 0 Q，=c,m,AT，=c,AT R,TZ l P.(,- p(V " Q，=(c,T，十Hm，=(c,T，十H p R.TZ、 R、TZ 由式(B.1)可计算出贮箱内剩余推进剂质量" mp 11
GB/T34523一2017 录附 C 资料性附录) 航天器剩余推进剂质量估算方法应用范围航天器剩余推进剂质量估算方法的应用范围见表c.1 表c.1航天器剩余推进剂质量估算方法的应用范围对并联贮箱系统估算精度估算方法轨道机动期间正常姿控工作期间精度影响因素的支持参考范围精度取决于初始剩可估算各个推进剂可估算各个推进剂组元的剩余量余推进剂质量误差、组元的剩余量; 无法估算每个贮箱内 BK法有累计误差; 有累计误差; 发动机流量与压力和1%3% 推进剂的剩余量精度随推进剂的消精度随推进剂的消推进剂温度的关系恢耗而降低耗降低型精度恒压工作时可估算总的剩余推进剂量精度取决于初始剩余对于双组元推进系统推进剂质量误差、压需要混合比参数估算落压工作时可估算恒压工作时无法估力传感器精度、温度各个推进剂组元的剩每个贮箱的剩余推进 PVT法算每个贮箱的剩余推传感器精度、推进剂1%~5% 余量; 剂量物性参数模型、推进进剂量落压工作时可估算无累计误差剂饱和蒸汽压模型、各贮箱的剩余推进增压气体模型剂量; 无累计误差可估算总的推进剂消耗量,对于双组元精度取决于加速度推进系统需要混合比无法估算每个贮箱计的精度、发动机比加速度计法不适用 1% 参数估算各个推进剂内推进剂的剩余量冲数据精度和初始剩组元的剩余量余推进剂质量误差有累积误差可估算各贮箱的剩对于并联贮箱系统精度取决于流量计超声波流不适用余推进剂质量建议每个贮箱出口需测量精度和初始剩余<0.5% 量计法有累计误差要安装一台流量计推进剂质量误差可估算各贮箱内的可估算各贮箱内的可估算每个贮箱内精度取决于压力传剩余推进剂质量; 剩余推进剂质量气体注人压推进剂的剩余量,实感器、温度传感器的有带气量和次数有带气量和次数 Io.5%1% 力激励法施时需要将目标贮箱测量精度和贮箱内压限制限制隔离力激励幅度无累计误差无累计误差 12
GB/34523一2017 表C.1续) 对并联贮箱系统估算精度估算方法轨道机动期间正常姿控工作期间精度影响因素的支持参考范围适用于剩余推进剂支持并联贮箱系较少的寿命末期，精度取决于温度传剩余推统,可估算每个贮箱可估算各贮箱内的感器的测量精度和进剂的热容法不适用内推进剂的剩余量，剩余推进剂质量; 箱系统的热模型准10% 实施时需要将目标贮无累计误差,实施确度 20% 箱隔离时间较长 13

航天器剩余推进剂质量的估算方法GB/T34523-2017解析

在航天器的发射和飞行过程中，剩余推进剂的质量是一个重要的参数。为了保证航天器的安全性和任务顺利进行，需要对剩余推进剂的质量进行精确地估算。目前，我国已经制定了相应的标准，即《航天器剩余推进剂质量的估算方法GB/T34523-2017》。

剩余推进剂含量的测量

标准GB/T34523-2017规定，剩余推进剂含量的测量应该按照以下步骤进行：

将航天器中的剩余推进剂放入收集容器中；
根据密度差异，将剩余推进剂与收集容器中的液体分离；
使用气相色谱等仪器对分离后的液体进行检测，以确定剩余推进剂的含量。

剩余推进剂质量的估算

标准GB/T34523-2017规定，剩余推进剂质量的估算可以采用以下方法：

将剩余推进剂含量乘以航天器总重量，得到推进剂的质量；
根据航天器的推进系统结构和工作特点，估算剩余推进剂的质量。

计算方法

标准GB/T34523-2017对剩余推进剂质量的计算方法也做出了详细规定。具体来说，可以按照以下步骤进行：

计算航天器在运行过程中所需的推进剂总量；
根据航天器的推进系统特点和设计参数，计算每次发动机工作所需的推进剂量；
通过发射前、发射时和飞行期间的实测数据，计算已经使用掉的推进剂量；
将已经使用掉的推进剂量从总量中减去，得到剩余推进剂量。

通过以上方法，可以较为准确地估算航天器剩余推进剂的质量，为航天任务的安全和顺利进行提供重要保障。

总之，标准GB/T34523-2017规定了航天器剩余推进剂质量的测量、估算和计算方法，具有科学性和实用性，可以为航天器的研制和飞行提供重要技术支持。