[发明专利]一种基于双半径解算的火箭推进剂液位光学测量方法

说明书

本发明提供一种基于双半径解算的火箭推进剂液位光学测量方法，通过在储箱顶部安装相机，使相机的视轴与储箱轴线重合，并对火箭推进剂液面进行拍摄，得到推进剂液面成像，在推进剂液面成像中首先选取半径O’A’进行液面高度的计算，再引入与半径O’A’夹角为π的半径O’B’，消除中间参数△h，最终根据O’A’、O’B’的长度R₁’、R₂’得到推进剂液面高度。本发明利用相机获得的液面成像中任意两个夹角为π的半径进行液位高度测量，得到的液位测量结果不受液面倾斜的影响，不含有角度参数θ，更加适用于真实的火箭飞行工况，可显著提高液位测量精度，有利于进一步优化火箭运载能力，提高火箭总体性能。并且该方法简便可行易于实现。

技术领域

本发明涉及测量测试技术领域，具体涉及一种基于双半径解算的火箭推进剂液位光学测量方法。

背景技术

推进剂液位精确测量技术对提高火箭的运载能力具有重要意义。在火箭发动机工作状态下精确地实时测量每个储箱中的推进剂液位，可以调节氧化剂和燃料的质量流量，最终大幅减少冗余推进剂量，优化火箭运载能力，提高火箭总体性能。并为后续发射任务优化燃烧混合比及氧化剂和燃料初始加注量提供参考。

液氢、液氧、液化天然气(LNG)凭借其洁净、高燃烧效率等优势，已广泛应用于国内外运载火箭。低温推进剂具有密度小、沸点低、易汽化等特点，液位测量条件特殊，液位监测、测量困难。目前低温液体液位监测和测量的手段很多，最常用的有电容法、差压法和电阻法，新的方法有雷达法、射频导纳法、热式测量法、超声波法、光纤法和光学测量法等。

光学测量法利用推进剂液面的光学成像对液位进行判读，具有非接触、适应性强、安装便利等特点。其基本测量原理参见附图1，利用安装于储箱顶部的光学相机对推进剂液面进行成像，根据中心透视投影规律，在推进剂加注过程中，随着液位上升，液面在相机中的成像逐渐增大；在发动机工作过程中，随着液位下降，液面在相机中的成像逐渐减小。根据液面成像的大小可以解算出对应的液位高度h：

其中，R为储箱横截面圆的半径，H为相机安装位置距离储箱底部的高度，f为相机镜头焦距，R′为液面在相机中所成圆形图像的半径。上述解算方法中仅涉及到液面在相机中所成圆形图像的一个半径R′，因此称其为“单半径”解算方法。

相比附图1所示的基本测量原理，液位光学测量系统的实际工作状态更为复杂。不管是推进剂加注过程还是箭体飞行过程，箭体姿态的改变都可能引起推进剂液面相对储箱轴线发生倾斜，使液面形状由圆形变为椭圆，并进一步导致液面在相机中的成像发生畸变，从而导致测量误差。

发明内容

本发明是为了解决火箭推进剂储箱液面倾斜时液位高度测量的问题，提供一种基于双半径解算的火箭推进剂液位光学测量方法，利用液面成像中任意两个夹角为π的半径进行液位高度解算，其优势在于，双半径解算方法得到的液位测量结果不受液面倾斜的影响，该方法对于提高箭上液位光学测量精度具有重要指导意义。

本发明提供一种基于双半径解算的火箭推进剂液位光学测量方法，包括如下步骤：

S1、组装相机：将相机安装在储箱顶部，使相机的视轴与储箱轴线重合，储箱为圆柱形；

S2、成像：相机对火箭推进剂液面进行拍摄，得到推进剂液面成像；

S3、单一半径解算：在推进剂液面成像中选取半径O’A’，其中，O’点为储箱轴线在推进剂液面成像平面上的投影点，O’A’长度为R₁’，根据成像规律得到推进剂液面高度h为：

其中，H为相机距离储箱底部的安装高度，f为相机镜头焦距，R为储箱横截面半径，A’在推进剂液面上对应点为A点，推进剂液面与储箱轴线的交点为O点，A点在储箱轴线上的垂线交点为O₁且O₁点位于O点下方，△h为OO₁的长度；