Измерение уровня жидкости в топливном баке ракеты

Введение

Топливо из резервуара окислителя и резервуара горючего поступает в камеру сгорания ракетного двигателя. Синхронная подача топлива в заданной пропорции обеспечивает эффективную работу ракетного двигателя.

Эффективная работа зависит от точного измерения уровня топлива в баке. Для этой цели топливный бак имеет систему управления топливом. Система представляет собой вертикальный измерительный канал с датчиками внутри канала для фиксации свободного уровня жидкости в канале [1]:


Рисунок. Схема топливного бака. 1- резервуар, 2- топливо, 3- измерительный канал, Po — давление газа, — уровень жидкости в канале, H — уровень жидкости в баке, r,x — координатные оси.

Вертикальный канал и топливный бак являются сообщающими сосудами. При снижении уровня топлива в баке, уменьшается и уровень топлива в измерительном канале. Когда уровень топлива в канале достигает датчика, происходит активация датчика. Сигнал поступает в систему управления топливом.

В результате расхода топлива его уровень в баке меняется. Таким образом, уровень топлива в канале должен определять уровень топлива в баке. Проблемы две. Первая методическая состоит в том, что свободная поверхность топлива в баке не совпадает с поверхностью топлива в канале.

Вторая проблема в колебаниях уровня при изменении ускорений ракеты в полёте, что приводит к ложным срабатываниям датчиков и, как следствие, к погрешностям измерения.

Ошибка измерения уровня топлива приводит к неэффективному расходу топлива. В результате ракетный двигатель работает не оптимально, а в танках может оставаться «лишнее» количество топлива.

Далее рассмотрим, как можно определить методическую погрешность от первой проблемы и уменьшить погрешность измерения от второй.

Чтобы не отправлять читателя по ссылке [1], приведу здесь вывод дифференциального уравнения движения жидкости в измерительном канале, заодно исправив математические и грамматические ошибки.

Во время полёта t уровень жидкости H в топливном баке изменяется согласно соотношения:

(1)

где: –начальный уровень топлива в баке; V– скорость изменения уровня топлива.

При введенной системе координат (смотри рисунок), уравнение для нестационарного движения вязкой несжимаемой жидкости в измерительном канале будет иметь вид:

(2)

При граничных и начальных условиях.

где: u(r,t) — скорость жидкости в канале; p — давление; ρ — плотность; время — t; v — кинематическая вязкость; g- ускорение силы тяжести.

Получим соотношение для средней скорости в измерительном канале:

Умножая левую и правую части уравнения (2) на r, запишем отдельные члены уравнения движения:

(3)

где: трение; трение стенки; динамическая вязкость; R- радиус цилиндрического канала.

Используем уравнения (3) и записываем уравнение (2) в виде (скошенные скобки со средней скоростью в дальнейшем опущены):



или

(4)

Выберем в цилиндрическом канале объем жидкости двумя поперечными сечениями на расстоянии . Запишем для выбранного объёма баланс давления и трения: , получаем соотношение:

(5)

Используем уравнение Дарси-Вейсбаха объединив его с (5) получим:, отсюда соотношение для трения жидкости о стенки измерительного канала примет вид:

(6)

где λ– коэффициент гидравлического трения.

Подставим (6) в уравнение (4) и получим следующее выражение:

(7)

Рассчитаем градиент давления при следующих условиях: давление линейно уменьшается от давления наддува над свободной поверхностью топлива до давления . Градиент давления с учётом (1) будет равен:

(8)

Подставив (8) в соотношение (7), получим окончательное дифференциальное уравнение для уровня жидкости в измерительном канале:

(9)

С начальными условиями Коши, вида:

(10)

Решим дифференциальное уравнения (9) с начальными условиями (10)[2].

Рассмотрим условия измерения уровня жидкости в топливных баках ракеты с целью выбора метода обработки измерительной информации, используя решение уравнения (9)

а) Измерение уровня в условиях отсутствия шумов в измерительном канале и колебаний топлива. Зависимость результатов измерения уровня от времени полёта ракеты определяется с использованием следующей программы:

# -*- coding: utf8 -*-    
import numpy as np
from scipy.integrate import odeint
import matplotlib.pyplot as plt 
R=0.0195 # радиус измерительного канала в м
H=8.2# начальный уровень в топливном баке, в м
g=9.8# ускорение свободного падения в м/с2
L=4.83*10**-2# коэффициент гидравлического трения
V=0.039# средняя скорость изменения уровня жидкости в м/с
def f(y,t):
         y1,y2=y
         return [y2,-g+(g*(H-V*t)/y1)+((L/(4*R))*y2**2)] 
t = np.arange(0,10,0.01)
y0=[H,0]
[y1,y2]=odeint(f,y0,t,full_output=False).T
plt.title('Измерение уровня топлива при отсутствии помех')  
plt.ylabel('H,m')
plt.xlabel('t,s')  
plt.plot(t,y1,"b",linewidth=2,label='Уровень топлива в измерительном канале ')
y=H-V*t
plt.plot(t,y,"--r",linewidth=2,label='Действительный уровень топлива в баке')
plt.grid(True)
plt.legend(loc='best')
plt.show()

Это кажущееся решение первой проблемы (за счёт градуировки) при отставании уровня в измерительном канале от уровня в баке. Поскольку в реальных условиях эксплуатации колебания уровня и шумы датчиков вносят существенную погрешность в измерение.

б) Измерение уровня в условиях нормально распределённых случайных колебаний и шумов с дисперсией 0.1. Зависимость результатов измерения уровня от времени полёта ракеты определяется с использованием следующей программы:

# -*- coding: utf8 -*-    
import numpy as np
from scipy.integrate import odeint
import matplotlib.pyplot as plt 
R=0.0195 # радиус измерительного канала в м
H=8.2# начальный уровень в топливном баке, в м
g=9.8# ускорение свободного падения в м/с2
L=4.83*10**-2# коэффициент гидравлического трения
V=0.039# средняя скорость изменения  уровня  жидкости в м/с
def f(y,t):
         y1,y2=y
         return [y2,-g+(g*(H-V*t)/y1)+((L/(4*R))*y2**2)] 
t = np.arange(0,10,0.01)
y0=[H,0]
[y1,y2]=odeint(f,y0,t,full_output=False).T
y1= np.array([np.random.normal(x,0.1) for x in y1])#наложение шума на результат измерений
plt.title('Измерение уровня в условиях нормально распределённых случайных \n колебаний и шумов с дисперсией 0.1')  
plt.ylabel('H,m')
plt.xlabel('t,s')  
plt.plot(t,y1,"b",linewidth=2,label='Уровень топлива в измерительном канале ')
y=H-V*t
plt.plot(t,y,"--r",linewidth=2,label='Действительный уровень топлива в баке')
plt.grid(True)
plt.legend(loc='best')
plt.show()

Приведенный результат подтверждает вывод о том, что измерение уровня в таких условиях с приемлемой погрешностью в несколько процентов от диапазона невозможно.

г) Измерение уровня в условиях нормально распределённых случайных колебаний и шумов с дисперсией 0.1 с использованием фильтра Калмана. Зависимость результатов измерения уровня от времени полёта ракеты определяется с использованием следующей программы:

# -*- coding: utf8 -*-    
from scipy.integrate import odeint
import matplotlib.pyplot as plt
from numpy import*
from pykalman import KalmanFilter
R=0.0195
H=8.2
g=9.8
L=4.83*10**-2
V=0.039
def f(y,t):
         y1,y2=y
         return [y2,-g+(g*(H-V*t)/y1)+((L/(4*R))*y2**2)] 
t = arange(0,10,0.01)
y0=[H,0]
[y1,y2]=odeint(f,y0,t,full_output=False).T
y=array(H-V*t)#действительный уровень топлива
measurements = array([random.normal(x,0.1) for x in y1])
kf = KalmanFilter(transition_matrices=[1] ,#матрица перехода
                  observation_matrices=[1],#матрица наблюдения
                  initial_state_mean=measurements[0],#среднее начальное состояние
                  initial_state_covariance=1,#ковариация начального состояния
                  observation_covariance=1,#ковариантность наблюдения
                  transition_covariance= 0.001) # ковариантность перехода
state_means, state_covariances = kf.filter(measurements)#среднее  начальное, начальная ковариация
state_std = sqrt(state_covariances[:,0])
plt.figure()
plt.title('Измерение уровня топлива с использованием фильтра Калмана')  
plt.ylabel('H,m')
plt.xlabel('t,s') 
plt.plot(measurements, '-r', label='измерение уровня топлива')
plt.plot(state_means, '-g', label='kalman-выход фильтра')
plt.plot(y, '-k', label='действительный уровень топлива')
plt.legend(loc='best')
plt.figure()
measurement_std = [std(measurements[:i]) for i in  arange(1,len(measurements),1)]
plt.plot(measurement_std, '-r', label='measurment std')
plt.plot(state_std, '-g', label='kalman-filter output std')
plt.legend(loc='upper left')
plt.show()

Как видно из графика, фильтр отсеял случайные составляющие и усреднил значения. Однако, фильтр Калмана «ещё умнее» и, при определенной настройке, может даже снизить методическую погрешность:

Выводы

Измерение уровня жидкости в топливных баках ракеты в условиях нормально распределённых случайных колебаний уровня и шумов датчиков с дисперсией 0.1 возможно только с использованием фильтра Калмана.

Ссылки

1. Измерение уровня жидкости в топливном баке ракеты.
2. Подвесные топливные баки для самолётов.