CN111256787A - 一种发射场地面加注***流量计在线高精度标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发射场地面加注***流量计在线高精度标定方法。针对国内发射场加注***流量计标定方法的不足，本发明提出了一种基于火箭贮箱标记液位的加注***流量计在线标定方法。该方法在初始K系数基础上，通过火箭贮箱标记液位对流量计进行标定，计算得到高精度的流量计K系数。本发明方法有效提高了火箭推进剂加注计量精度，这对确保火箭发射圆满成功具有重要意义。

Description

一种发射场地面加注***流量计在线高精度标定方法
技术领域
本发明涉及一种发射场地面加注***流量计在线高精度标定方法，属于航天发射场流量计校验技术领域。
背景技术
加注***是航天发射场地面设备的重要组成部分，主要完成火箭推进剂的加注、泄回、打回流、推进剂调温、转注等任务(郝龙,徐光,李蕾等.计算机控制技术在推进剂加注***中的应用[J].导弹与航天运载技术,2015,(4):58-61.，苏永芝,李俊.常规加注虚拟仿真***应用分析[J].北京信息科技大学学报,201732(3):75-79.)。流量计是加注***的关键设备，主要用于火箭推进剂加注时加注量的计量。目前，国内航天发射场火箭常规推进剂加注***中，火箭诸元计算的推进剂加注量均采用火箭贮箱液位与发射场地面加注***流量计联合的方法进行计量。推进剂加注量由基本加注量(I、II液位)和补加量构成。其中加注量的绝大部分(即基本加注量)是由箭上液位刻度决定的，箭上I、II液位是高精度的标准值，这部分的加注量是精确的。补加量由地面流量计计量获得，补加量精度受限于地面流量计计量精度。
加注量精确计量是确保火箭成功发射的关键因素。加注过量或欠量都会导致火箭动力学模型参数发生变化，进而影响到它的控制性能和精度，严重时会使发动机关机条件无法满足，从而导致发射失败(Xiang YH,Zhang P,Liu WD.Filling Accuracy Analysisof the Rocket Propellant Based on the Flowmeter Measuring Model[C].12thInternational Conference on Informatics in Control,Automation and Robotics，Colmar,France,July21-23,2015.，Xie FS,Li Y,Wang Y.Performance evaluation onground loading system of cryogenic propellant[J].Asia-Pacific journal ofchemical engineering,2017,12(6):993-1011.)。因此，必须确保加注***流量计的计量精度。为确保其计量精度，各发射场均对加注时使用的流量计K系数进行定期标定，标定方法各不相同，分别采用在线校验罐标定(通过发射场地面加注***的校验罐进行标定)、在线推进剂贮罐标定(通过发射场地面加注***的推进剂贮罐进行标定)或外标(将流量计拆下送至国内有标定资质的单位进行标定)等(苏彦勋,梁国伟,盛健.流量计量与测试[M].北京：中国计量出版社,2007.)。
这三种方法均属于容积法标定，各有其优点，但也存在一定不足。采用在线校验罐标定流量计的***，无法定期对校验罐本身进行标定，校验罐使用多年后本身的精度难以保证；采用在线推进剂贮罐标定流量计的***，贮罐具有对应的液位容积表，因贮罐容积大，连续相邻液位之间容积差别较大，使得液位容积表不够精确。采用外标法虽可以克服上述两种方法的不足，但是采用外标流量计的***管路内径、流量计安装方式等均与加注***不同，且外标***中介质为水，实际加注***中介质为推进剂，使得流量计计量存在较大的***误差。以某航天发射场加注***为例，其流量计标定采用外标方法。近年来，该加注***进行一级氧化剂加注时，流量计I液位计量值与火箭贮箱I液位理论值之间多次出现较大偏差，导致指挥员按预案判定火箭一级贮箱I液位失效。库房发出模拟I液位信号，但不久库房又收到火箭贮箱I液位信号。该现象虽然不影响火箭推进剂实际I液位的加注精度，但影响了指挥员的判断，导致在加注过程中采取了预案，造成了不好的影响。另外，火箭推进剂补加量以发射场加注***流量计计量为准，若流量计计量精度不高，会导致补加量计量不够精确，从而影响火箭推进剂的加注精度。
综上所述，现有的地面加注***流量计标定方法存在标校精度不高或不稳定的缺点。因此，本文提出了一种发射场地面加注***流量计在线高精度标定方法。该方法利用加注时高精度的火箭贮箱I液位值在线标定地面流量计，期望进一步提高火箭推进剂加注计量精度。
发明内容
本发明旨在提供一种发射场地面加注***流量计在线高精度标定方法。该方法利用加注时高精度的火箭贮箱I液位值在线标定地面流量计，以进一步提高火箭推进剂加注计量精度；解决了现有的地面加注***流量计标定方法存在标校精度不高或不稳定的缺点。
本发明提供了一种发射场地面加注***流量计在线高精度标定方法，采用火箭贮箱来标定发射场流量计。该方法在初始K系数基础上，通过火箭贮箱I液位对流量计进行标定，计算得到高精度的流量计系数，Kic。
所述方法具体包括以下步骤：
步骤一、进行火箭推进剂加注，推进剂液位达到火箭一级或者二级贮箱特殊液位时(包括但不限于I液位、II液位、III液位，IV液位)，根据火箭贮箱参数可得到精确的液体体积QiYj，读取流量计计量数据可达到测量体积Qiyj；
步骤二、对流量计K系数进行修正，得到i次加注时流量计的真实系数Ki,具体计算过程如下：
(1)首先分别计算i次加注，根据火箭贮箱一级、二级特定液位标校的流量计系数，Ki1和Ki2，计算公式如下：
Figure BDA0002401428880000021
式中：Ki-1为流量计上次标定的系数，对于新流量计首次使用时，为外标的系数；Qiyj为第i次推进剂加注时流量计测得的火箭氧化剂贮箱一级、二级特定液位计量值，下标j值为1或者2，表示火箭一级或者二级；QiYj为第i次推进剂加注时火箭氧化剂贮箱一级、二级特定液位理论值；β为推进剂在加注状态下的体膨胀系数，(℃)-1；k为推进剂在加注状态下的压缩系数，Pa-1；(θs)ij，(θm)ij为第i次推进剂加注时火箭氧化剂贮箱一级、二级和流量计处的推进剂温度，℃；(ps)ij，(pm)ij为第i次推进剂加注时火箭推进剂贮箱一级、二级和流量计处的推进剂表压力，Pa。
(2)第i次火箭推进剂加注工作，流量计的K系数按下式进行计算：
Figure BDA0002401428880000031
步骤三、利用Ki对流量计系数进行标校，Kic的计算公式如下：
Figure BDA0002401428880000032
得到Kic，用于第i+1次加注计量。
当流量计在线标定次数少于3次(含)时，采用全部K系数检定值的平均值；当流量计在线标定次数在3次以上时，采用最近3次K系数检定值的平均值。燃烧剂加注***流量计K系数标定方法同氧化剂。
流量计K系数在火箭推进剂加注时的使用：流量计新购置第一次使用时，装订外标的K系数或通过校验罐***标定的系数；流量计第二次及以后使用时，装订上一次基于公式(3)计算得到的K系数。
本发明的有益效果：
本文提出的基于火箭贮箱I液位的航天发射场加注***流量计在线标定方法，是一种高精度的流量计标定方法；该方法简单方便、高效可靠、标定及时，极大地降低了流量计计量值的偏差，弥补了国内发射场加注***流量计标定方法的不足，有效提高了火箭推进剂加注计量精度；不需要安装校验罐，标定精度比外标法高。
附图说明
图1为外标法和本发明提出的在线校验法得到的K系数比较；
图2为两种K系数下计量偏差值比较。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
以某发射场加注***连续5次推进剂加注工作为例，对基于火箭一级和二级贮箱I液位的流量计在线标定的Kic系数进行了推算，计算公式如下。
(1)首先分别计算i次加注，根据火箭贮箱一级、二级特定液位标校的流量计系数，Ki1和Ki2，计算公式如下：
Figure BDA0002401428880000041
式中：Ki-1为流量计上次标定的系数，对于新流量计首次使用时，为外标的系数；Qiyj为第i次推进剂加注时流量计测得的火箭氧化剂贮箱一级、二级特定液位计量值，下标j值为1或者2，表示火箭一级或者二级；QiYj为第i次推进剂加注时火箭氧化剂贮箱一级、二级特定液位理论值；β为推进剂在加注状态下的体膨胀系数，(℃)-1；k为推进剂在加注状态下的压缩系数，Pa-1；(θs)ij，(θm)ij为第i次推进剂加注时火箭氧化剂贮箱一级、二级和流量计处的推进剂温度，℃；(ps)ij，(pm)ij为第i次推进剂加注时火箭推进剂贮箱一级、二级和流量计处的推进剂表压力，Pa。
(2)第i次火箭推进剂加注工作，流量计的K系数按下式进行计算：
Figure BDA0002401428880000042
步骤三、利用Ki对流量计进行标校，Kic的计算公式如下：
Figure BDA0002401428880000043
得到五次加注后标校的流量计系数Kic。
图1中，横坐标为加注次数，纵坐标为K系数值；ZX_K曲线表示基于火箭贮箱I液位的流量计标定系数Kic，WB_K曲线表示外标系数K0。从图中可以看出，在线标定系数逐渐增大，且刚开始变化率比较大，越往后越趋于稳定，与外标K系数下的流量计计量偏差变化规律基本一致。
为验证基于火箭贮箱I液位的流量计在线标定方法的效果，以5次加注工作为例，以基于火箭贮箱I液位的流量计在线标定方法得到的K系数为基准，计算得到在该K系数下流量计的I液位计量值与贮箱I液位理论值之间的偏差值，并与基于外标K系数下的偏差值进行了比较，如图2所示。
图2中，横坐标为加注次数，纵坐标为I液位计量值与理论值的偏差。ZX_K直方图表示基于火箭贮箱I液位的流量计偏差，WB_K直方图表示外标系数计量偏差。从图中可以看出，本文提出的在线标定方法能够有效降低推进剂计量偏差，与基于外标系数的计量偏差相比，偏差值平均降低约70％。

Claims (7)

1.一种发射场地面加注***流量计在线高精度标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、进行火箭推进剂加注，推进剂液位达到火箭贮箱特殊液位时，根据火箭贮箱参数可得到精确的液体体积QiYj，读取流量计计量数据可达到测量体积Qiyj；
所述特殊液位包括I液位、II液位、III液位或IV液位；
步骤二、对流量计K系数进行修正，得到i次加注时流量计的真实系数Ki；
步骤三、利用Ki对流量计进行标校，Kic的计算公式如下：
Figure FDA0002401428870000011
得到Kic，用于第i+1次加注计量。
2.根据权利要求1所述的发射场地面加注***流量计在线高精度标定方法，其特征在于，步骤二的具体过程如下：
(1)首先分别计算i次加注，根据火箭贮箱一级、二级特定液位标校的流量计系数，Ki1和Ki2，计算公式如下：
Figure FDA0002401428870000012
式中：Ki-1为流量计上次标定的系数，对于新流量计首次使用时，为外标的系数；Qiyj为第i次推进剂加注时流量计测得的火箭氧化剂贮箱一级、二级特定液位计量值，下标j值为1或者2，表示火箭一级或者二级；QiYj为第i次推进剂加注时火箭氧化剂贮箱一级、二级特定液位理论值；β为推进剂在加注状态下的体膨胀系数，(℃)-1；k为推进剂在加注状态下的压缩系数，Pa-1；(θs)ij，(θm)ij为第i次推进剂加注时火箭氧化剂贮箱一级、二级和流量计处的推进剂温度，℃；(ps)ij，(pm)ij为第i次推进剂加注时火箭推进剂贮箱一级、二级和流量计处的推进剂表压力，Pa；
(2)第i次火箭推进剂加注工作，流量计的K系数按下式进行计算：
Figure FDA0002401428870000013
3.根据权利要求1所述的发射场地面加注***流量计在线高精度标定方法，其特征在于，所述流量计包括电磁流量计。
4.根据权利要求3所述的发射场地面加注***流量计在线高精度标定方法，其特征在于，所述电磁流量计包括涡轮流量计或涡街流量计。
5.根据权利要求1所述的发射场地面加注***流量计在线高精度标定方法，其特征在于，所述火箭贮箱包括火箭一级或二级贮箱。
6.根据权利要求1所述的发射场地面加注***流量计在线高精度标定方法，其特征在于，
当流量计在线标定次数为3次或少于3次时，采用全部K系数检定值的平均值；当流量计在线标定次数在3次以上时，采用最近3次K系数检定值的平均值。
7.根据权利要求1所述的发射场地面加注***流量计在线高精度标定方法，其特征在于，
流量计K系数在火箭推进剂加注时的使用：流量计新购置第一次使用时，装订外标的K系数或通过校验罐***标定的系数；流量计第二次及以后使用时，装订上一次基于公式(3)计算得到的K系数。
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