[发明专利]贮箱液体推进剂液面形貌与剂量动态测量方法和系统

说明书

技术领域

本申请涉及液体晃动测量领域，具体地说，是涉及一种贮箱液体推进剂液面形貌与剂量动态测量方法和系统。

背景技术

液体晃动的研究一直是动力学与控制及其交叉学科的重要研究方向。在海洋、船舶动力学方面，如：油气的运输、舰艇建造；在土木工程以及地震研究中，如：高位水塔、蓄水池、大型水坝；在地震响应分析以及灾难防护的研究中，车辆及交通运输中液体贮箱的晃动问题；以及在核工业、生物医药等领域，液体晃动的研究都有着重要意义。特别是在航空航天领域，现代航天器需要携带大量液体推进剂以便完成长时间、复杂的飞行任务，充液腔类系统动力学与控制始终是航天器总体设计所关心的核心问题之一，而液体推进剂的晃动一直是人们研究的热点。

很多航天器发射失败的原因就是由液体晃动造成的。随着推进剂所占航天器总重量的增加，液体晃动对于其影响也同样增加。因此对于航天器贮箱中液体晃动的研究也显得尤为重要。而针对液体非线性晃动真实自由液面的三维动态变形的测量，特别是针对航天器贮箱中液体液面形貌的相关测量研究不但能够对液体晃动的具体形式有直观的把握，能够为液体非线性晃动动力学研究、液体大幅晃动与结构运动耦合问题以及液体燃料管理的相关研究提供诸如贮箱内剩余液体推进剂体积、液体晃动的频率、模态、阻尼等重要的数据，进一步，对推进剂贮箱设计，航天器姿态调整与控制，减少因晃动问题导致的事故的发生，保证飞行器正常服役等工作具有重要指导意义。然而，由于液体具有流动性或不稳定性，以及液体晃动的非线性和复杂性，为相关的研究带来了诸多困难。

现有技术中，针对航天器贮箱中液体液面变形以及液体推进剂量测量的相关测量研究少有提及。而现有液面形貌的测量方法中，全息干涉法(K.D.Hinsch,Appl Opt,1978；17:3101-7)和剪切干涉法(J.C.Wyant,Appl Opt,1973；12:2057-60)，精度、灵敏度非常高，但是设备昂贵，受环境影响较大，难以适用于大范围以及较大变形的液面晃动中；A.K.Asundi等通过反射法测量了动态液面三维形貌(Huang L,A.K.Asundi等，Opt Express，2011；12809-14)，但是液面变形太大时反射光线会超出相机视场；刘战伟等人首次使用透射结构光对液面形貌进行了测量(Optics and Lasers in Engineering,2012；51(2)；167-171)，但是该方法适用于拥有静止参考平面的液面变形测量，对于整体发生非线性晃动三维动态变形液面的测量不再适用。专利(申请号为CN201310355784.5)的“基于数字散斑相关技术的透明液面微形貌测量方法和系统”实现了液面动态微形貌的测量，但是该方法必须有静止的参考面才能使用，对于发生较大的整体变形即无静止参考面的变形液面形貌测量均不再适用。杨洋等(北京力学会第20届学术年会论文集[C].2014；403-404)通过在储液容器上方和水平方向上分别布置的高速相机，一台高速相机用于采集透射条纹信息，另一台高速相机用于采集自由液面与容器器壁接触线部分的液位高度信息，首次实现了无静止参考面的变形液面形貌的动态测量，但是其测量方法需使用两台高速相机同时采集，设备昂贵，整个测量系统庞大，后期处理麻烦，特别是难以解决两台高速相机的高速同步问题，因同步的不一致带来了较大的测量误差；另外，该方法由于使用其中一台高速相机采集某一个方向的液位高度信息，故只能利用该方向上获得的液位高度信息做为初始值，结合另一高速相机获得的位移值进行这个方向的迭代求液面形貌，由于只能在唯一一个方向上迭代求解，导致误差沿着该迭代方向积累的问题得不到解决，最终测量的精度较低。现有的测量推进剂剂量的技术中，专利(申请号为CN201210583876.4)“贮箱液体推进剂量测量方法”通过测量贮箱和气瓶压力、温度，并结合相关数学模型计算出贮箱内的剩余推进剂剂量，提供了一种贮箱液体推进剂测量方法，但是此方法是一种间接测量贮箱液体体积的方法。同时，专利(申请号为201310241510.3，火箭贮箱推进剂量实时动态测量方法)此方法的不足也是一种间接的测量推进剂量的方法。

因此，发展一种无需高速同步，且可获得多个方向液位高度信息，可进行多个方向迭代计算以提高测量精度和灵敏度；同时减少所需设备，实现高效的对无参考面的液体液面动态变形和推进剂剂量进行全场直接测量，便成为亟待解决的技术问题。

发明内容