在軌加注用超聲波流量計的設計與試驗

于洋 丁鳳林 宗光華

（1 北京航空航天大學機器人研究所，北京100191）（2 北京控制工程研究所，北京 100190）

1 引言

通過推進劑的在軌加注可以延長航天器的在軌時間，進而提高其機動能力和執行任務的靈活性［1－3］。俄羅斯、美國等航天大國從20世紀70年代開始在軌加注技術的研究，20世紀80年代開始在航天器上進行在軌加注試驗［4－5］。我國的在軌加注研究開展較晚，尚處于起步階段，從2007年開始在軌加注方面的研究，開展了推進劑在軌加注的數值模擬和地面試驗等相關研究［6－7］。

推進劑在軌加注系統由加注貯箱，被加注貯箱，加注管路和控制閥門等組件構成。其中加注管路中最重要的組成部分是超聲波流量計（Ultrasonic Flow Meter，UFM），它實時顯示加注管路中的推進劑流量信息，對計算加注貯箱和被加注貯箱的推進劑總量和監測在軌加注過程起著至關重要的作用。

靜止軌道衛星（GEO）和低軌道衛星（LEO）在壽命即將結束時，需要離開原來的運行軌道，這就對推進劑剩余量測量的準確性和可靠性提出了更高的要求。準確的壽命預測可以使衛星的更新換代更加經濟有效，并且能夠減少航天器的發射數量，提高經濟效益。荷蘭Bradford Engineering BV 公司為歐洲航天局研制的超聲波流量計，其在LAE 點火階段（80～150g／s）的地面精度高達全量程的0.05%，已完成歐洲大型衛星平臺AlphaBus的資格檢查測試［8］。目前國內外對于微重力條件下的推進劑剩余量測量多采用簿記法（Book Keeping）和理想狀態方程法（PVT），這兩種方法的測量誤差均大于2%，長壽命航天器使用這兩種方法得出的飛行壽命不確定性非常大，不能滿足航天器壽命精確預測的要求。因此，研制適合中國航天器使用的高精度超聲波流量計是十分必要的。

此外，超聲波流量計還可用于監視推進劑貯箱的液位，控制雙組元推進系統的推進劑混合比例，以及檢測推進劑傳輸管路中的氣泡情況。

本文針對在軌加注對超聲波流量計的要求，研制了在軌加注用超聲波流量計的原理樣機，樣機采用鈦合金材料制造，使用高精度信號處理電路，滿足航天器推進劑流量測量的地面試驗要求。

圖1 超聲波流量計原理Fig.1 Principle of ultrasonic flow meter

2 超聲波流量計

2.1 原理

超聲波流量計的原理是超聲波在流體中傳播時，其傳播速度會受流體流速影響而變化，因此可以通過測量穿過流體的超聲波信號來計算流體的流速。以圖1所示的超聲波流量計為例，換能器A 和換能器B 分別安裝在管路的兩側，且從一側換能器發射出的超聲波經過楔塊和管路傳播后恰好進入另一側換能器。管路中流體的流動方向為從左至右。由于流體的流動，超聲波順流傳播時間td總是小于逆流時間tu，他們的時間差和流體的流速u 成比例關系，如式（1）所示）

式中 c為超聲波在水中的聲速；L為超聲波在流體中的傳播距離（圖中d 點和e 點間的直線距離）；θ為傳播路徑（圖中虛線d→e）與管路的夾角。

式（1）是傳播時間法的計算公式，可以看出，流體的線速度只和超聲波在流體中的傳播距離L，傳播路徑與管路的夾角θ，以及超聲波的傳播時間有關，而與介質無關。正因為傳播時間法的介質無關性，超聲波流量計可以使用水等流體進行標定，而在更換推進劑測量流速時保證同樣的精度。通常推進劑的流量計計量的是質量流量

式中 ρ為推進劑的密度；A為管路內部的橫截面積；k為速度修正系數，應根據流量計管路內流速分布情況計算。理想湍流流動狀態下，速度修正系數公式為［9］

式（3）、（4）為計算速度修正系數的理論公式，然而為了提高流量計的測量精度，采用標定的方法，通過查表法（Look Up Table，LUT）記錄流量計在不同流速范圍的速度修正系數。

2.2 管路布局的優化設計

通過上面對傳播時間法的分析，以提高超聲波流量計精度為目的，可得到管路的設計目標：

1）超聲波在流體中的傳播距離L 盡可能長，以增加超聲波在流體中的傳播時間，減小傳播時間的測量誤差。

2）優化設計管路的內部布局，以使管路內的流場充分發展，減少管路內的擾動。

綜合以上兩方面的要求，采用超聲波換能器成直線型對射，且與流體流動方向一致的管路設計，如圖2所示。為了設計上下游管路與測量管路的接口形式（即圖2中上游管座和下游管座），采用計算流體動力學（CFD）的方法，使用Ansys Fluent軟件分析了4種不同的管路布局的流速分布情況。這4種管路接口形式分別為直角型、45°銳角型、直線型和圓弧型，其中直線型為換能器內置，其余均為換能器外置。通過分析得出45°銳角型的管路內部流速分布比較均勻，因此采用45°銳角型的管路布局設計超聲波流量計，如圖3所示。

圖2 超聲波流量計結構Fig.2 Structure of ultrasonic flow meter

圖3 超聲波流量計管座結構Fig.3 Structure of UFM base

圖4 信號處理電路Fig.4 Signal processing circuit

2.3 信號處理

為了提高系統的測量精度，需要在電路延遲、信號處理速度等方面對電路進行優化設計。信號處理電路的組成如圖4所示。系統使用1MHz的收發一體超聲波換能器，在一個測量周期內，通過模擬開關的切換，兩個超聲波換能器交替發射激勵脈沖和接收電壓信號。處理電路使用LEMO 連接器和超聲波換能器連接。當一側換能器發射激勵脈沖時，計時電路開始計時；另一側換能器接收到的信號，首先經過濾波器濾除高頻噪聲，然后通過斬波穩定比較器，經閾值比較得到停止計時時間。開始時間和停止時間的差值即為超聲波的傳播時間。計時電路的時間測量精度最高可達22ps，保證了傳播時間的測量精度。傳播時間經嵌入式微處理器（MCU）計算得到流量后，通過RS232或者RS485協議輸出，供測控系統使用。

信號處理電路采用5V 電壓供電，超聲波的激勵電壓為3.3V，電路功耗小于1W，工作溫度－20℃～＋80℃，適于在軌加注地面模擬試驗環境的使用。

2.4 標定

不同流速情況下，管路內部流場發展情況不同，根據線速度計算得到的流量通常和真實流量有誤差，因此在使用前需要對超聲波流量計進行標定。標定在中國計量科學院進行，使用水流量國家基準裝置提供穩定水流。流量測量在溫度25℃，濕度59%RH 的環境下進行，試驗介質為清水，水溫25.2℃，流量測量范圍為0～150mL／s。按照流量計檢定標準，測量點設為5 個，分別為15mL／s、40mL／s、80mL／s、120mL／s、150mL／s。標定系數曲線如圖5所示，可見超聲波流量計在大流量（80～150mL／s）測量時，線性度較好。

在取得標定系數后，流量計根據分段線性插值法進行標定。標定后再次測量流量的誤差，如圖6所示。可見超聲波流量計在全量程的測量誤差均小于0.1%，且隨著流量的增大，誤差有減小的趨勢。這一方面說明隨流量增大，超聲波傳播時間差增大，時間測量誤差減小；另一方面說明流量增大，流量充分發展，測量線速度越來越接近流體的平均流速，因此測量誤差減小。

圖5 標定系數曲線Fig.5 Calibration factor

圖6 標定后的誤差Fig.6 Error after calibration

3 在軌加注地面模擬試驗

3.1 在軌加注方案

在軌加注的方式主要有3種，推進劑直接傳輸式、推進劑模塊更換式和推進劑模塊補加式。推進劑直接傳輸式的使用最為廣泛，其操作方式有4種，分別為排氣式、壓縮機式、背壓式和貫通式。排氣式加注可以在低壓情況下使用，加注過程中產生的熱量少，不需要壓縮機等設備，是一種安全可靠的加注方法。本系統使用排氣式直接傳輸法進行推進劑的加注。

排氣式加注的工作原理是，在推進劑加注前，將加注貯箱接入恒壓氣源，然后通過卸壓閥對被加注貯箱排氣，使其卸壓到低壓閾值，這樣加注貯箱和被加注貯箱間的壓力差便促使推進劑流向被加注貯箱。隨著推進劑不斷流入被加注貯箱，被加注貯箱內部氣體體積減小，氣壓升高，當其氣壓升至卸壓閥高壓閾值時，再次排氣卸壓至低壓閾值，實現再加注。如此反復，直至被加注貯箱加注完成。

3.2 模擬試驗系統

在軌加注地面模擬試驗系統由加注貯箱，被加注貯箱，加注管路和控制閥門等組件構成，其中加注管路中使用的傳感器有超聲波流量計和壓力傳感器，如圖7所示。試驗在環境溫度25℃下進行，使用無水乙醇作為模擬推進劑，氮氣作為壓縮氣體，加注貯箱和被加注貯箱均使用容積28L的板式表面張力貯箱，貯箱外殼使用有機玻璃制造，以便于觀察加注過程的進行情況。試驗前稱重22kg的無水乙醇注入到加注貯箱中。初始狀態加注貯箱充滿推進劑，被加注貯箱有很少量剩余推進劑。

試驗流程如下：

1）加注貯箱接入恒壓氣源，使其內部氣體保持恒壓48kPa；

2）推進劑在壓力差的作用下流向被加注貯箱（記錄此過程的流量和壓力變化）；

3）隨著加注的進行，被加注貯箱氣體體積減小，壓力升高。當升至高壓閾值40kPa，卸壓閥開啟，排氣卸壓至低壓閾值30kPa后關閉；

4）重復步驟2）、3），直至加注完成。

圖7 在軌加注地面模擬系統Fig.7 Simulation system of orbital refueling

3.3 試驗結果

兩貯箱的壓力變化，以及其壓力差變化如圖8所示。可以看出，加注貯箱基本穩定在恒壓氣源的48kPa壓力值；被加注貯箱由于卸壓閥的存在，其壓力值在30kPa～40kPa之間做鋸齒狀波動。而且隨著加注的進行，被加注貯箱內部氣體體積減小，升壓和卸壓過程加速，氣壓波動頻率變大。

圖9使用雙縱坐標軸展示壓力差和管路內流量之間的關系，可見兩者的變化趨勢是一樣的，這說明了壓力差是推進劑加注的主要動力。當壓力差波動加劇時，流量變化也加快。值得注意的是，流量的變化呈整體下降的趨勢。這是由于隨著加注的進行，加注貯箱推進劑液面降低，被加注貯箱推進劑液面升高，兩者間的推進劑重量差值越來越大，壓力差要抵消這部分推進劑重量差，所以流量呈整體下降趨勢。

圖8 貯箱壓力Fig.8 Tank pressure

圖9 壓力差與流量Fig.9 Pressure difference and flow rate

兩貯箱內推進劑總量變化曲線如圖10所示，可見隨加注進行，總量曲線的斜率略有減小，說明加注過程放慢，這與圖9的流量整體下降一致。在2 280s（約38min），加注貯箱剩余2.3kg推進劑，被加注貯箱推進劑總量為19.7kg，貯箱接近加滿，這時關閉自鎖閥，停止加注。

圖10 貯箱推進劑總量Fig.10 Remaining of tanks

試驗中因空間限制沒有串聯其他的流量計進行流量對比。加注結束后，加注貯箱推進劑剩余量2.3kg和被加注貯箱推進劑剩余量19.7kg的總和為22kg，和試驗前注入貯箱的無水乙醇的質量22kg是完全相等的，證明了超聲波流量計是滿足地面模擬試驗的精度要求的。

需要注意的是，這里因為是模擬試驗，可以通過觀察貯箱內部的加注情況，人為判斷被加注貯箱加注完成，進而停止加注。然而在航天器上，加注過程的完成判斷，就要依靠流量計對貯箱推進劑總量的測量。由此可見，超聲波流量計在推進劑在軌加注系統中的應用是可行的、必要的。

4 結束語

航天器在軌加注中，使用超聲波流量計可以提高推進劑流量的測量精度，提高航天器的經濟效益。本文研制了一種滿足在軌加注要求的超聲波流量計。

1）流量計經標定后，在量程（0～150g／s）范圍內可達到0.1%的測量精度，高于傳統的推進劑流量測量方法。

2）使用計算流體動力學（CFD）的方法，比較了4種常見的管路布局（直角型、45°銳角型、直線型和圓弧型），并在45°銳角型管路布局的基礎上，優化設計了管路的布局，使得流場充分發展，流速均勻分布。

3）在處理電路方面，采用斬波穩定比較器和高精度的計時電路，保證了時間測量的準確性。

4）在軌加注地面模擬試驗表明，超聲波流量計在推進劑在軌加注中的使用是可行的，對于檢測加注過程的進行情況是十分必要的。此外，流量計對貯箱推進劑總量的測量也驗證了其作為航天器壽命估算依據的可行性。

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