丁鳳林, 魏延明

(北京控制工程研究所,北京100190)

超聲波流量計(jì)在航天器推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

丁鳳林, 魏延明

(北京控制工程研究所,北京100190)

超聲波流量計(jì)作為一種先進(jìn)的流量計(jì)量?jī)x器已經(jīng)在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用，其高精度、易安裝、不受環(huán)境因素影響等特性為航天器在軌推進(jìn)劑計(jì)量帶來(lái)了新的思路.超聲波的反射特性使得該裝置也可作為推進(jìn)劑管路內(nèi)流體狀態(tài)的監(jiān)測(cè)及故障診斷的有力工具.簡(jiǎn)介了超聲波流量計(jì)的原理及發(fā)展，分析了該裝置對(duì)航天器推進(jìn)系統(tǒng)的計(jì)量及檢測(cè)的適用性，并針對(duì)該項(xiàng)技術(shù)在中國(guó)航天器推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用提出了具體建議.

超聲波流量計(jì); 航天器推進(jìn)系統(tǒng); 剩余量測(cè)量

超聲波流量計(jì)是利用流體流動(dòng)對(duì)超聲波脈沖或超聲波束的信號(hào)起調(diào)制作用并通過(guò)檢測(cè)信號(hào)的變化來(lái)獲得體積流量的一種計(jì)量?jī)x表.超聲波流量計(jì)和傳統(tǒng)的機(jī)械式流量?jī)x表、電磁式流量?jī)x表相比，具有計(jì)量精度高、對(duì)管徑的適應(yīng)性強(qiáng)、不接觸流體、使用方便等特點(diǎn)，近年來(lái)，隨著電子器件的發(fā)展，超聲波流量計(jì)開(kāi)始普及.

目前，國(guó)內(nèi)外航天器在軌推進(jìn)劑的剩余量的計(jì)量都是通過(guò)基于氣體狀態(tài)方程的間接方法進(jìn)行估算，對(duì)航天器壽命末期的推進(jìn)劑剩余量的估算誤差較大，難以滿足現(xiàn)在工程應(yīng)用提出的航天器壽命估算誤差±3個(gè)月的要求.推進(jìn)劑剩余量計(jì)量的誤差對(duì)航天器的壽命計(jì)算及其離軌操作都有很大的影響.超聲波流量計(jì)可以在軌對(duì)推進(jìn)劑消耗量直接測(cè)量，能夠填補(bǔ)這一計(jì)量領(lǐng)域的空白.超聲波流量計(jì)的超聲波特性還可以作為航天器推進(jìn)系統(tǒng)在軌故障診斷和檢測(cè)的有效手段.

本文首先介紹時(shí)差法超聲波流量測(cè)量方法，其次結(jié)合目前航天器推進(jìn)系統(tǒng)需要解決的一些問(wèn)題，分析其在航天器推進(jìn)系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性，最后針對(duì)這種測(cè)量方法在航天器推進(jìn)系統(tǒng)中應(yīng)用所面臨的問(wèn)題及解決方案提出具體建議.

1 超聲波流量計(jì)原理與應(yīng)用發(fā)展

根據(jù)對(duì)信號(hào)檢測(cè)的原理，可將目前的超聲波流量計(jì)檢測(cè)方法大致分為多普勒法、相關(guān)法、波束偏移法、噪聲法(見(jiàn)圖1)和傳播速度差法(見(jiàn)圖2).

多普勒法利用聲學(xué)多普勒原理，通過(guò)測(cè)量不均勻流體中散射體散射的超聲波多普勒頻移來(lái)確定流體流量，適用于含懸浮顆粒、氣泡等流體的流量測(cè)量.波束偏移法利用超聲波束在流體中的傳播方向隨流體流速變化而產(chǎn)生偏移來(lái)測(cè)量流體流速，此方法在被測(cè)流體流速低時(shí)，靈敏度很低，適用性不大.相關(guān)法是利用相關(guān)技術(shù)測(cè)量流量，原理上，此法的測(cè)量準(zhǔn)確度與流體中的聲速無(wú)關(guān)，因而與流體溫度，濃度無(wú)關(guān)，所以流量準(zhǔn)確度高，適用范圍廣.但相關(guān)法儀器價(jià)格昂貴，線路比較復(fù)雜.噪聲法(又稱聽(tīng)音法)是利用通道內(nèi)流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的噪聲與流體的流速有關(guān)的原理，通過(guò)檢測(cè)噪聲表示流速或流量值，此方法簡(jiǎn)單，成本低，但準(zhǔn)確度低，適用于對(duì)流量測(cè)量精度要求不高的場(chǎng)合.

圖1 超聲波測(cè)量方法

圖2 傳播速度差法的3種配置形式

傳播速度差法包括時(shí)差法、頻差法和相位差法，它們的基本原理都是通過(guò)測(cè)量超聲波脈沖在順流和逆流傳播時(shí)的速度之差來(lái)反映流體的流速，故統(tǒng)稱傳播速度差法.其中頻差法和時(shí)差法克服了聲速隨流體溫度變化帶來(lái)的誤差，精度較高，所以被廣泛應(yīng)用.按照換能器的配置方法的不同，傳播速度差法又分為:Z法(透過(guò)法)、V法(反射法)、X法(交叉法)等.對(duì)超聲波傳感器的安裝方法的選擇原則一般是:當(dāng)流體沿管軸平行流動(dòng)時(shí)，選用Z法;當(dāng)流動(dòng)方向與管軸不平行或管路安裝地點(diǎn)使超聲波傳感器的安裝間隔受到限制時(shí)，采用V法或X法.

可見(jiàn)以上幾種方法各有特點(diǎn)，可根據(jù)被測(cè)流體性質(zhì)、流速分布情況、管路安裝地點(diǎn)及對(duì)測(cè)量精確度的要求等因素進(jìn)行選擇.一般來(lái)說(shuō)，如果流體的溫度不能保持恒定，則多采用不受溫度變化影響的頻差法和時(shí)差法.航天器推進(jìn)劑在軌溫度變化較大，且受安裝空間、重量、可靠性等限制，基于傳播速度差法中Z法配置的時(shí)差法超聲波流量計(jì)比較適用.

1.1時(shí)差法超聲波流量計(jì)原理

由于超聲波在橫向穿過(guò)流動(dòng)的液體介質(zhì)時(shí)，在其順流和逆流介質(zhì)中的傳播速度有差異而形成速度差(時(shí)間差).時(shí)差法超聲波流量計(jì)就是利用該原理對(duì)流體的流速和流量進(jìn)行測(cè)量的.

圖3所示為超聲波流量計(jì)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，A和B兩個(gè)換能器相對(duì)于管道軸線的安裝角是φ，管徑為D.

圖3 超聲波流量計(jì)測(cè)量原理簡(jiǎn)化圖

如果超聲波換能器的嵌入安裝方式如圖3形式，則可得出超聲信號(hào)在流體中向上游和向下游的傳播時(shí)間

式中S為管路橫截面積.

1.2超聲波流量計(jì)的應(yīng)用發(fā)展

利用超聲波測(cè)量流速、流量的技術(shù)在醫(yī)療、海洋觀測(cè)、河流特別是工業(yè)管道的各種測(cè)試中有著廣泛的應(yīng)用，它不但可以用于液體、液固兩相流的測(cè)量，還可用于氣體流量的測(cè)量. 利用超聲波測(cè)量液體和氣體的流量己有數(shù)十年的歷史.上世紀(jì)30年代首先研制出相位差超聲波測(cè)量計(jì)；50年代末期出現(xiàn)了用于測(cè)量航空燃料的頻差法MAXSON流量計(jì)，它標(biāo)志著超聲波流量計(jì)由理論研究階段進(jìn)入工業(yè)測(cè)量時(shí)期；上世紀(jì)60年代末又出現(xiàn)了多普勒效應(yīng)的超聲波測(cè)量計(jì)；進(jìn)入80年代后，由于IC技術(shù)的迅速發(fā)展、鎖相技術(shù)和微處理機(jī)的應(yīng)用，超聲波流量計(jì)的各項(xiàng)性能有了大大提高，使實(shí)用的超聲波流量計(jì)得以迅速發(fā)展.近10年來(lái)，基于高速數(shù)字信號(hào)的處理技術(shù)與微處理器技術(shù)的進(jìn)步、新型探頭材料與工藝的研究以及聲道配置及流體動(dòng)力學(xué)的研究，超聲波流量測(cè)量技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，顯示出它強(qiáng)勁的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，形成了迅猛發(fā)展的勢(shì)頭.

從超聲波流量計(jì)的發(fā)展史來(lái)看，美國(guó)最早著手這方面的研究，而且很快就有產(chǎn)品投入使用，到1975年全國(guó)就有1000多臺(tái)超聲波流量計(jì)在工作.前蘇聯(lián)以及西歐各國(guó)也很早就開(kāi)始從事這方面的研究.前蘇聯(lián)的科學(xué)工作者對(duì)流量測(cè)量理論進(jìn)行廣泛地研究，討論流速分布中的流量補(bǔ)償系數(shù)問(wèn)題，并且提出用多路超聲波流量計(jì)解決流場(chǎng)畸變對(duì)測(cè)量精度的影響，為進(jìn)一步提高超聲波流量計(jì)測(cè)量精度打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ).日本是超聲波流量計(jì)研究的后起之秀，在消除管外傳播時(shí)間、提高儀器精度和縮短相應(yīng)時(shí)間方面有獨(dú)到之處.在英國(guó)，由英國(guó)科學(xué)院專門撥款給Bradford大學(xué)，研究成功的相關(guān)流量計(jì)正在進(jìn)一步完善和實(shí)用化.中國(guó)的超聲波流量計(jì)研究工作雖然起步較晚，但由于廣大科技工作者的努力和引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，國(guó)產(chǎn)的超聲波流量計(jì)已開(kāi)始批量生產(chǎn)并投入使用.

在航天領(lǐng)域，Bradford公司研制了應(yīng)用于航天器推進(jìn)系統(tǒng)上的超聲波流量計(jì).此流量計(jì)進(jìn)行了推力器地面點(diǎn)火試驗(yàn)的推進(jìn)劑測(cè)量工作，地面試驗(yàn)表明該流量計(jì)設(shè)計(jì)非常成功.Bradford公司2007年完成了飛行正樣產(chǎn)品的研制，并將該流量計(jì)應(yīng)用在了AlphaSat平臺(tái)上.

表1 Bradford研制的航天器用超聲波流量計(jì)參數(shù)

2 超聲波流量計(jì)在航天器推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

2.1適應(yīng)性

除高精度、高可靠性外，超聲波流量計(jì)還具有以下特點(diǎn)：

① 超聲波裝置不需要與推進(jìn)劑相接觸，其外殼可以采用鈦合金，與管路的連接采用焊接結(jié)構(gòu)，故不存在與推進(jìn)劑不相容和漏率超標(biāo)問(wèn)題；

② 該設(shè)備可以根據(jù)星上工況在地面進(jìn)行標(biāo)定；

③ 該測(cè)量裝置可以作為管路的一部分，不影響推進(jìn)劑在管路中的流動(dòng).超聲波流量計(jì)可以選擇安裝在航天器推進(jìn)系統(tǒng)任意一處管路的主干路上，與推進(jìn)劑管路的連接可以采用焊接或螺接結(jié)構(gòu)，方式靈活；

④ 體積小、重量輕、功耗低，工作環(huán)境能夠涵蓋目前航天器環(huán)境.

綜合上述特點(diǎn)可知，超聲波流量計(jì)在星上的應(yīng)用是可行的.

2.2現(xiàn)實(shí)意義

超聲波流量計(jì)的高精度、不受環(huán)境因素影響的特性為航天器在軌推進(jìn)劑消耗計(jì)量帶來(lái)了新的思路，同時(shí)超聲波的反射特性使得該裝置也可作為推進(jìn)劑管路內(nèi)流體狀態(tài)的監(jiān)測(cè)及故障診斷的有力工具，其應(yīng)用可以解決目前困擾航天器技術(shù)的一些難題，具有重要的實(shí)際意義.

1) 航天器在軌剩余量測(cè)量

推進(jìn)劑剩余量的測(cè)量目前是空間碎片預(yù)防以及航天器在軌管理的關(guān)鍵技術(shù)之一.由于空間為微重力或零重力環(huán)境，地面上常用的依賴于重力加速度的稱重法、靜壓差法、液位計(jì)法等測(cè)量技術(shù)不能再應(yīng)用，加之微重力下液體的表面張力起主導(dǎo)作用，受容器內(nèi)部液體管理裝置的影響，箱內(nèi)氣液界面復(fù)雜，各種隨機(jī)擾動(dòng)產(chǎn)生的加速度又使得液體的位置和液氣相界面隨之變化，使用于測(cè)定液氣界面的輻射法、光學(xué)法等地面測(cè)量技術(shù)也不能在空間應(yīng)用.

目前國(guó)內(nèi)外用于微重力下推進(jìn)劑剩余量的估算和航天器壽命終了時(shí)間預(yù)測(cè)的技術(shù)大都依賴于推進(jìn)劑消耗量的簿記法(BK法)和基本的熱力學(xué)測(cè)量方法(PVT法).隨著航天器性能的不斷提高，長(zhǎng)壽命航天器用這種方法得出的飛行壽命終了時(shí)間的不確定性非常大，遠(yuǎn)不能滿足要求.2006年，北京控制工程研究所在搭載試驗(yàn)中采用目前國(guó)際上公認(rèn)的高精度氣體注入法進(jìn)行了搭載試驗(yàn)，從最終的分析結(jié)果來(lái)看，其精度雖然高于BK法和PVT法，但誤差還是達(dá)到了2%，溫度影響是其主要的誤差來(lái)源.

超聲波流量計(jì)安裝在推進(jìn)劑管路上，采用直接法對(duì)消耗的推進(jìn)劑進(jìn)行測(cè)量，不受飛行器貯箱內(nèi)液體分布狀況影響；微重力狀況使管路內(nèi)液體的流動(dòng)更加均勻，有利于對(duì)流經(jīng)的液體速率進(jìn)行修正；時(shí)差法超聲波流量計(jì)不受溫度的影響，測(cè)量精度高；這些優(yōu)點(diǎn)使之能夠精確計(jì)量消耗掉的推進(jìn)劑，這是任何一種利用氣體狀態(tài)方程計(jì)算推進(jìn)劑剩余量的方法都無(wú)法比擬的，是解決推進(jìn)劑剩余量測(cè)量的一種非常有效的方法.

2) 在軌推進(jìn)劑加注計(jì)量

空間在軌補(bǔ)給技術(shù)是航天器主要的在軌服務(wù)模式之一，它是延長(zhǎng)航天器的有效工作壽命、提高航天器經(jīng)濟(jì)效益的主要技術(shù)手段.發(fā)展航天器在軌補(bǔ)給系統(tǒng)在未來(lái)航天發(fā)展中有一定的需求，超聲波流量計(jì)可以用作未來(lái)空間在軌補(bǔ)給系統(tǒng)流量計(jì)量，為精確計(jì)量推進(jìn)劑的補(bǔ)給情況提供數(shù)據(jù).

3)故障診斷及推進(jìn)系統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)

超聲波是一種機(jī)械波，它具有方向性好，在傳輸介質(zhì)中遇到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著的反射特性，利用其這一特性，超聲波流量計(jì)還可以用作推進(jìn)劑管路內(nèi)流體狀態(tài)的監(jiān)測(cè).如果推進(jìn)劑中夾雜有氣泡或多余物等情況，超聲波流量計(jì)的測(cè)量信號(hào)會(huì)有相應(yīng)的反映，地面設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)對(duì)流量計(jì)信號(hào)的監(jiān)測(cè)判讀推進(jìn)系統(tǒng)的在軌工作情況.此外，高精度超聲波流量計(jì)結(jié)合合理配置也可以對(duì)推進(jìn)劑泄漏等狀況進(jìn)行判斷.

超聲波流量計(jì)具有瞬態(tài)流量計(jì)量功能，使得地面系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)測(cè)定工作中的在軌航天器推進(jìn)系統(tǒng)的氧化劑和燃燒劑支路內(nèi)的液體流量，進(jìn)而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)混合比進(jìn)行評(píng)判，如果出現(xiàn)偏差可以及時(shí)調(diào)整，這也能夠進(jìn)一步減少由于發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)混合比誤差導(dǎo)致航天器壽命末期某種推進(jìn)劑過(guò)量剩余而給航天器帶來(lái)的死質(zhì)量.

2.3挑戰(zhàn)

目前，國(guó)內(nèi)工業(yè)上已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用超聲波流量計(jì)，但航天領(lǐng)域尚未引進(jìn).要研制適用于航天器用的超聲波流量計(jì)，還需對(duì)以下問(wèn)題進(jìn)行深入研究：

①高精度測(cè)量設(shè)備的實(shí)現(xiàn).目前，工業(yè)上用于天然氣流量測(cè)量的超聲波流量計(jì)精度達(dá)到了公認(rèn)的0.2%，Bradford公司為歐空局研制的超聲波流量計(jì)精度達(dá)到了0.05%，但是鑒于國(guó)內(nèi)的研究情況，達(dá)到此種精度還有待進(jìn)一步研究.

②測(cè)量設(shè)備的小型化、高可靠性.星載設(shè)備要求高可靠，這是必備的特性，同時(shí)，為了節(jié)省空間，還要將其小型化、輕型化.

③信號(hào)的處理與傳輸.為了達(dá)到測(cè)量的高精度，系統(tǒng)需要高的采樣頻率，為實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑瞬時(shí)流量和累計(jì)流量的測(cè)量，需要處理大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的處理及傳輸問(wèn)題是地面測(cè)試設(shè)備所不存在的，但在軌測(cè)量需要仔細(xì)考慮，要做好與遙測(cè)遙控系統(tǒng)的接口.

④超聲波對(duì)整星的影響研究.超聲波是否會(huì)影響星上其他設(shè)備的工作還需進(jìn)一步研究；超聲波流量計(jì)的引入會(huì)帶來(lái)質(zhì)量和功耗等增加，流量計(jì)形狀及其在星上的安裝還要進(jìn)一步考慮.

2.4研究方案

目前，國(guó)內(nèi)一些科研院所及公司開(kāi)展了此類的研究工作，雖然起步較晚，但技術(shù)引進(jìn)使得這一技術(shù)得到了飛快發(fā)展.對(duì)于航天器用超聲波流量計(jì)的研究應(yīng)立足國(guó)內(nèi)，充分利用現(xiàn)有的研究成果，以盡快達(dá)到在軌應(yīng)用的目的.

航天器用超聲波流量計(jì)的研制可以分為以下兩步：

第一步：結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際，綜合考慮在軌測(cè)量精度需求，制定設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)并完成地面原理樣機(jī)研制，利用航天器姿、軌控發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)驗(yàn)證其精度；

第二步：在第一步基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)其小型化，提高可靠性，研究其在軌應(yīng)用方案，協(xié)調(diào)與航天器其他分系統(tǒng)的關(guān)系，使之實(shí)現(xiàn)在軌測(cè)量.

3 結(jié) 論

時(shí)差法超聲波流量測(cè)量技術(shù)作為一項(xiàng)成熟的工業(yè)測(cè)量技術(shù)，原理簡(jiǎn)單，具有很高的測(cè)量精度，可以用于推進(jìn)系統(tǒng)在軌推進(jìn)劑測(cè)量，同時(shí)還可以滿足地面推進(jìn)劑測(cè)量需求.同目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的推進(jìn)劑剩余量測(cè)量方法相比，此方法具有精度高，受外界因素干擾小等特點(diǎn).同時(shí)，該裝置也可用于航天器推進(jìn)系統(tǒng)在軌故障診斷，為發(fā)動(dòng)機(jī)混合比調(diào)節(jié)提供依據(jù)等，可以作為未來(lái)航天器推進(jìn)系統(tǒng)必備的設(shè)備.

用超聲波流量計(jì)實(shí)現(xiàn)航天器在軌測(cè)量的研究不僅可以提高中國(guó)航天器推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)水平，同時(shí)作為一個(gè)負(fù)責(zé)任的航天大國(guó)在解決空間碎片等領(lǐng)域所做出的努力，理應(yīng)深入開(kāi)展此類裝置的研究工作.

[1] Matthijssen R, Van P P. “State-of-the art” gauging components for improved propellant management on 3-axis stabilized spacecraft[C]. The 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, California, 2006

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ApplicationAnalysisofUltrasonicFlowmeterintheSpacecraftPropulsionSystem

DING Fenglin, WEI Yanming

(BeijingInstituteofControlEngineering,Beijing100190,China)

A kind of ultrasonic flowmeter has advantages of high accuracy, easy to use and not sensitive to the environmental factor. This kind of flowmeter is widely used in the industry. Now BK and PVT methods are used to calculate the spacecraft residual propellants in the orbit, those methods are based on the gas equation of state, and measurement error is about 2%. The ultrasonic flowmeter can be used to measure the propellant consumption directly, and it is an efficiency method to solve inaccurate gauging problem. Because of the characteristics of the ultrasonic, this kind of device can also be used to diagnose the unexpected particles or bubbles in the propellant feed lines. In this paper, the theory of ultrasonic flowmeter is introduced and its applicability in the propulsion system is analyzed. Also, some suggestions on ultrasonic flowmeter development are brought in the paper.

ultrasonic flowmeter; spacecraft propulsion system; propellant gauging

2010-10-14

丁鳳林(1980—)，男，內(nèi)蒙古人，工程師， 研究方向?yàn)楹教炱魍七M(jìn)技術(shù) (e-mail: cast_ding@yahoo.com.cn).

V448

A

1674-1579(2010)06-0047-04