基于衛星推進劑剩余量測量的熱容法數值仿真

郭 蕾，李 永，焦 焱，靳忠濤，李代偉

(1.北京控制工程研究所，北京100190；2.宇航動力學國家重點實驗室，西安710043)

0 引言

隨著航天器技術的發展及其應用前景的日益廣泛,在軌航天器壽命期間的管理和維護已成為迫切需要解決的問題[1]。衛星推進劑的精確測量能夠有效管理航天器的工作壽命,提高推進劑的使用效率,從而獲得顯著的經濟效益。

熱容法是近期提出的新的對推進劑剩余量進行測量的方法,其工作原理是使用加熱器對貯箱壁面進行加熱,利用特定功率下貯箱的溫度變化數據計算貯箱和推進劑的熱容,對比在軌實際測量結果以及不同推進劑剩余量下的模型計算結果,估算出貯箱內的推進劑剩余量。與其他測量方法相比,熱容法在衛星壽命末期的測量精度比較高[2]。此外,熱容法還具有硬件配置簡單、占有星上資源少等優點,而且不受衛星入軌初始條件的限制,可對并聯貯箱結構中任一貯箱的推進劑剩余量進行測量[3]。由于在軌貯箱的溫度場分布不均勻,且與地面的溫度分布存在很大差異,無法直接獲得貯箱在被加熱過程中的真實溫度變化情況,同時在軌試驗耗時長,實施過程比較復雜,因而仿真計算在熱容法中占據了非常重要的地位,其中的關鍵步驟是建立貯箱的詳細熱分析模型。本文對某型號1407L貯箱進行了推進劑剩余量精確測量熱容法的數值仿真,計算了不同液體充填量在不同加熱工況下、不同測溫點的溫度變化,對仿真結果進行了分析,并與地面試驗結果進行了對比,驗證了熱分析模型的有效性。

1 計算模型

1.1 傳熱的基本原理

包含熱交換的流動系統必須滿足能量守恒定律,流體的能量E通常是內能i,動能K＝(u2＋v2＋w2)/2,內能i與溫度之間存在一定的關系,即i＝CpT。其中,Cp是比熱容,由此可以得到以溫度T為變量的流體能量方程:

式中,Cp為比熱容,T為溫度,h為流體的傳熱系數,ST為源項。

將式(1)在時間步長Δt內對控制體體積CV積分,可得:

式(2)表示△t時間段體積CV內ρT的變化,加上△t時間段通過控制體表面的對流量ρuT,等于△t時間段通過控制體表面的擴散量,加上△t時間段控制體CV內源項的變化。

固體內不存在對流,因此,根據式(1),固體傳熱滿足方程:

式中,Cp為比熱容,T為溫度,h為固體的傳熱系數,ST為源項。

在傳熱過程中,傳熱系數是反映傳熱過程強弱的重要參數,記作h,單位是W/(m2·K)。傳熱系數越大,表示對流傳熱越快。傳熱系數的大小不僅和材料有關,還與具體過程有關。

傳熱系數是牛頓冷卻公式(Newton’s law of cooling)中的比例系數,即:

式中,q為熱流密度,Ts是表面溫度,Tr是表征外部環境特性的參考溫度[4]。

熱容法的數值仿真在地面條件下進行,雖然地面條件與在軌微重力條件存在差異,但熱傳導過程在地面和微重力條件下的基本原理和規律是一致的,因此可以通過地面環境下貯箱的熱分析模型確定壁面的傳熱系數,得出貯箱的傳熱規律,為后續熱容法的在軌應用和復雜條件下的仿真計算奠定基礎。

1.2 貯箱的計算模型

以1407L的網式貯箱作為研究對象,其三維模型如圖1所示。貯箱被中間底隔板分為上下兩艙,中間隔板為網式結構,下艙設置有蓄液器。

在仿真計算中,對模型進行了一定程度的簡化處理,忽略了模型中的一些細節結構,只考慮對傳熱有影響的部件,貯箱的計算模型網格如圖2所示。熱分析模型包括:貯箱外殼、中間底隔板、液體、氦氣以及加熱器。在三維模型的基礎上,將貯箱按殼體和流體2部分進行網格劃分,采用分塊拓撲結構的六面體網格單元對全體計算域劃分網格,經過網格無關性驗證檢查后,根據計算資源將網格數量控制在53萬個。在整個計算模型區域內,各相物質 (固體、液體和氣體)的界面處溫度場連續。

圖2為計算模型的網格圖。在仿真過程中,按照不同的液體充填量,設置重力條件下的體積組分初始條件。

貯箱的外殼材料為鈦合金,內部試液為無水乙醇,氣體部分為氦氣。傳熱模型涉及到的材料包括鈦合金、無水乙醇及氦氣,材料參數包括密度、比熱容及導熱系數,計算模型涉及的材料參數如表1所示。

表1 模型的材料參數Table 1 Material parameter of the model

按照地面試驗的條件,初始溫度為25℃,壓力為1.2MPa,地面重力加速度為9.8m/s2,方向為沿貯箱軸向向下。

2 熱容法的數值仿真與分析

在仿真計算中,采用雙側加熱和單側加熱2種加熱方式計算液體充填量為10L、20L和30L時貯箱的傳熱特性,并記錄各個測點的溫度變化。雙側加熱即同時打開加熱片heat1和heat2,單側加熱即同時打開加熱片heat1和heat3。每只加熱器的功率為30W,加熱片的位置如圖3所示。

測點TR1、TR2、TR3的位置如圖4所示。TR1在3種充填量下均位于液面以下；TR2在10L充填量時在液面上,在20L和30L充填量時均位于液面下；TR3在10L和20L充填量時在液面上,30L充填量時位于液面下。

2.1 仿真與地面試驗對比

為了確定仿真過程中模型的邊界參數,選取測點TR1,在3種工況下進行仿真計算,將計算結果與地面試驗結果進行對比,通過調整邊界參數可以得出如下結論:當貯箱壁面對環境的傳熱系數設為0.1W/(m2·K)時,仿真結果與地面試驗具有很好的一致性,如圖5所示。其中,test10表示在10L充填量下的地面試驗結果,simu10表示在10L充填量下的仿真結果；test 20表示在20L充填量下的地面試驗結果,simu 20表示在20L充填量下的仿真結果；test 30表示在30L充填量下的地面試驗結果,simu 30表示在30L充填量下的仿真結果。

通過分析圖5可以得出,仿真結果與地面試驗之間的誤差小于3%。在用熱容法測量推進劑剩余量的建模過程中,對模型進行了一定程度的簡化,因此仿真模型與實際地面試驗的貯箱存在一定差異,并且地面試驗受環境和條件的限制,在數據處理及分析過程中也存在一定誤差,以上因素在一定程度上會導致仿真計算和地面試驗的誤差。綜合分析可以得出,仿真計算結果和地面試驗結果一致,驗證了熱分析模型的有效性。通過將仿真結果與地面試驗進行對比,得到了地面環境下貯箱準確的熱分析模型。

2.2 仿真結果分析

在3種液體充填量下,貯箱壁面和內部液體的溫度分布基本一致,如圖6、圖7所示。

不同液體充填量下測點的溫度變化如圖8、圖9所示。

由圖8、圖9可知,測點位置有無液體對該測點的溫度影響較大。由于液體的熱容較大,而金屬的熱容較小,位于液面下的測點與液面上的測點相比,溫度變化較緩慢,并且測點位于液面下越靠近下方的位置,溫度變化越緩慢,因而可以依據不同測點的溫度變化情況,判斷此處是否存在液體,進而判斷、估算貯箱內的推進劑剩余量。

測點的溫度和液體充填量的關系如圖10所示。

定義在不同液體充填量下同一測點溫度的差異為溫度分辨率,溫度分辨率越大,不同液體充填量下溫度的區分度越好,熱容法測量的精度越高。

由圖10可以看出,隨著液體充填量的減少,溫差逐漸增大。當采用雙側加熱方式時,TR1在10L與20L液體充填狀態下的溫度分辨率為4.7℃,在20L與30L液體充填狀態下的溫度分辨率為1.2℃；TR2在20L與30L液體充填狀態下的溫度分辨率為1.9℃；TR3在10L與20L液體充填狀態下的溫度分辨率為4.2℃。在采用單側加熱方式時,TR1在10L與20L液體充填狀態下的溫度分辨率為3.0℃,在20L與30L液體充填狀態下的溫度分辨率為1.6℃；TR2在20L與30L液體充填狀態下的溫度分辨率為3.2℃；TR3在10L與20L液體充填狀態下的溫度分辨率為2.1℃。

通過以上分析可知,當測點位于液體分布處或靠近液面上方處時,熱容法精度較高,仿真計算與地面試驗得出的結論一致。

3 結論

推進劑剩余量測量是衛星在軌管理中的重要工作,對在軌衛星的液體推進劑進行準確可靠的檢測,不僅是空間推進技術發展的必然要求,更是確保衛星有效使用和航天任務全面完成的重要條件。本文對某型號1407L的網式貯箱進行了熱容法測量推進劑剩余量的數值仿真,獲得了貯箱的溫度變化數據。通過對仿真數據的深入分析,以及與地面試驗結果進行比對,驗證了熱分析模型的有效性,獲得了地面環境下準確的熱分析模型,為熱容法的后續深入研究和在軌實際應用提供了參考。