题目：超声波流量测量关键技术研究

在轨加注技术的研究对于延长航天器的寿命，提高航天器的经济效益具有重要意义。卫星推进剂剩余量的测量是卫星在轨加注的关键技术之一，对于预测卫星的寿命、准确下达加注指令、监控加注过程有重要作用。超声波流量计作为目前主流的流量测量方法，在工业、农业、化工、医学等领域都有广泛的应用，但在航天工程中的应用还仅限于美国、欧洲等航天大国的前沿性研究中，在我国还处于起步阶段。本文在航天五院北京控制工程研究所的资助下，开展了在轨加注用超声波流量计原理样机的研制，并围绕流量计的设计和制造、以及在轨加注技术领域的关键技术开展了相关方面的研究。论文的主要研究内容如下：1.圆管流体流速分布规律的研究和流量计内部流场的数值计算研究通过粘性流体力学理论，建立了圆管流体粘性流动的基本方程式，并根据圆管流体流动情况，通过给定圆管内流体流动的初始条件和边界条件，分别求解得到圆管层流、圆管紊流的速度分布规律。用理论分析的方法解决圆管紊流等问题在实际应用中有一些困难，计算流体力学(CFD)在计算机中通过数值方法对流体力学的基本方程进行分析和求解，从而模拟流场的流动，可以解决一些理论分析无法解决的复杂问题。本文用数值计算的方法模拟了超声波流量计测量管路的内部流场情况，分析了流量计内部的流体流速分布规律，以及压力、紊流强度分布情况。2.超声波流量计精度影响因素的研究研究超声波流量计测量精度的影响因素，对于设计和制造超声波流量计具有指导意义。首先给出了超声波流量计精度的技术评价指标：系统误差、重复精度、可再现性。然后提出了超声波流量计测量精度的六点影响因素：安装因素、管路因素、流体因素、操作因素、校准因素和流速计算方法因素。3.超声波流量测量系统的研究首先在分析超声波换能器的电路等效模型的基础上，通过分析超声波换能器的声学特性，进行了适合在轨加注使用的超声波换能器产品设计。其次分析了三种超声波传播时间的测量算法：阈值比较法、相关函数法、相位检测法。然后选择阈值比较法作为传播时间的测量算法，设计了超声波流量计的硬件电路。最后在分析超声波流量计噪声产生来源的基础上，提出了超声波流量计的滤波方法：均值―中值滤波和小波滤波相结合的方法。最后进行了超声波流量计上位机软件的设计。4.在轨加注用超声波流量计原理样机的研制和在轨加注地面模拟试验研究根据卫星在轨加注对推进剂剩余量测量的需要，开展了在轨加注用超声波流量计原理样机的研制。首先根据在轨加注的需要，制定了在轨加注用超声波流量计的技术指标，并据此进行了原理样机的设计。在原理样机研制完成后，在中国计量科学研究院进行了流量计的标定。最后通过在轨加注地面模拟试验，验证了超声波流量计在推进剂在轨加注系统中应用的可行性。