前言

近年来，我国航天事业蓬勃发展，取得了巨大成就。;十四五 期间，我国的天宫空间站完成建设并长期在轨运营。我国深空探索进一步深入，载人登月、月球科研站等国家重大型号工程也陆续启动。这些重大航天工程任务的开展将进一步提升我国航天科技水平，增强航天器自主操控、快速响应、智能管理与维护等在轨服务与维护能力。为提升我国航天器高性能的在轨服务与维护能力，航天器在轨高精度、高性能、高可靠的参数测量与状态评估是基础。

不同于一般工业测量感知技术，航天系统极端苛刻的工作环境、空间布局以及性能要求等约束了大量成熟的工业测量感知技术在航天任务中的应用。针对微重力、真空、冷热交变剧烈等航天极端苛刻环境带来的严峻挑战，研究环境适应好、影响程度低、轻质设计巧的在轨测量理论与技术具有重大应用前景。以此为基础，开展自主可控载荷研制，将解决我国航天重大工程应用中的关键测量难题。

本书将重点结合航天器管路系统流量在轨高精度测量任务，在详细阐述在轨流量测量的必要性以及难点的基础上，深入阐述基于声学传播理论的流量测量技术。针对航天器管路声学流量测量问题，本书从理论、方法、试验等方面开展系统研究，构建面向飞行器的多物理场耦合动力学模型、开展声学特性分析、创新飞行器流量测量方法、完成地面试验验证。本书系统总结提炼作者及其科研团队近 15 年来发表的论文、研究报告以及多年积累的试验结果，并参考国内外研究成果，较为全面系统地论述航天器（空间飞行器、运载飞行器）飞行阶段管路流体流量测量技术。全书共 9 章：第 1 章介绍航天器管路流量测量的国内外研究现状和发展趋势；第 2 章至第 4 章介绍航天器管道流动中声场、流场、温度场、结构应力应变等多物理场耦合动力学特征，研究在轨应用中复杂因素对流量测量性能的影响；第 5 章至第 7 章介绍三种可应用于航天器管路流量测量的理论、信号处理方法、性能分析及优缺点对比；第 8 章介绍三种不同构型的载荷研制与地面试验情况；第 9 章是对本书工作的总结与未来研究工作的展望。

本书立足于自主创新，针对我国航天科技技术的现状开展了长期的关键技术攻关，形成了具备我国自主知识产权的测量技术储备。随着我国航天探索的进一步深入，航天基础平台陆续更新，下一代航天系统陆续立项，高精度、高可靠在轨流量测量技术与手段得到了工业部门的重视，本书作者提出的测量技术也得到了相关部门的高度重视。本书的研究成果将为我国航天系统的更新换代提供可靠的具备自主知识产权的技术与手段。

本书的完成是集体智慧的结晶，总体框架设计与统稿工作由陈勇、彭新、宋新、张翔主要负责完成；参与撰写与校稿人员还包括孙严冰、綦磊、吴宗谕、杨延杰、芮小博、孙杰、杨杰、戴天阳、杨华果、吴昊天、肖紫祥、唐文友等。在此，对参与撰写本书的所有人的辛勤付出表示感谢，对本书所有文献的作者表示诚挚的谢意。感谢国防科技图书出版基金对本书的资助，这对我们是荣誉也是鞭策。最后，感谢军工集团相关单位对我们工作长久以来的支持和指导，激励我们突破工程挑战，服务国家需求！

本书是国内首次系统介绍航天器在轨管路流动流量测量的专著，由于编写时间有限、参考资料较少、作者工程经验不足等因素，书中难免有疏漏或不当之处，恳请各位专家和读者不吝指正。

作者

2025 年 9 月 1 日

本书针对航天器管路流量高精度、高可靠测量的重大需求，在详细阐述必要性与挑战性的基础上，从理论、方法、试验等方面开展系统研究，提出基于声学传播理论的非接触流量测量技术，完成多物理场机理建模与特征分析，研究复杂因素对测量性能的影响，针对不同场景构建三类声学流量测量手段，详细介绍了针对运载火箭、空间飞行器、深空探测相关载荷研制与地面试验。本书适合于航天航空领域的国防科技工作者，也可以为从事运载与空间飞行器测量技术领域的相关人员及研究生提供参考。

目录

第 1 章 概述

1.1 引言

1.2 航天器管路流动及测量

1.2.1 航天器管路结构特征

1.2.2 航天器管路流动特征

1.2.3 航天器管路流量测量方法

1.2.4 航天器管路流量测量难点

1.3 基于声学理论的管路流量在轨测量技术

1.3.1 基于声学理论的流量测量方法

1.3.2 基于声学理论的流量测量特点

1.3.3 基于声学理论的流量测量研究现状

1.3.4 管道声波传播中多场耦合理论

1.3.5 基于声学理论的流量测量技术难题

1.4 本书内容安排

第 2 章 航天器刚体管路声场耦合动力学模型

2.1 引言

2.2 无黏流体中声场耦合动力学建模

2.2.1 无黏流体假设与动力学方程

2.2.2 等熵扰动动力学模型

2.2.3 边界条件

2.3 黏性流体中声场耦合动力学建模

2.3.1 黏性流体假设与动力学方程

2.3.2 等熵扰动动力学模型

2.3.3 边界条件

2.4 热黏流体中声场耦合动力学建模

2.4.1 热黏流体假设与动力学方程

2.4.2 非等熵扰动动力学模型

2.4.3 边界条件

2.5 基于 Fourier_Bessel 级数理论的计算方法

2.5.1 Fourier_Bessel 级数的正交完备性

2.5.2 基于 Fourier_Bessel 级数的解法构建

2.5.3 均匀流场简化形式

2.5.4 截止频率分析

2.5.5 收敛性分析

2.6 本章小结

第 3 章 航天器非刚体管路声场耦合动力学模型

3.1 引言

3.2 非刚体管路模型

3.2.1 阻抗模型

3.2.2 弹性模型

3.3 非刚体管壁约束的多物理场耦合动力学建模

3.3.1 无黏模型

3.3.2 黏弹模型

3.3.3 热黏模型

3.4 数值求解方法

3.4.1 Fourier_Bessel 谱求解方法

3.4.2 基于 Chebyshev 谱方法的求解方法

3.4.3 均匀流动情况

3.5 本章小结

第 4 章 航天器声场场动力学特征分析

4.1 引言

4.2 流体模型影响分析

4.2.1 相速度

4.2.2 衰减系数

4.2.3 测量性能

4.3 流体特征影响分析

4.3.1 相速度

4.3.2 衰减速度

4.3.3 测量性能

4.4 流场分布影响分析

4.4.1 相速度

4.4.2 衰减系数

4.4.3 测量性能

4.5 温度梯度影响分析

4.5.1 相速度

4.5.2 衰减系数

4.5.3 测量性能

4.6 声波频率影响分析

4.6.1 相速度

4.6.2 衰减速度

4.6.3 测量性能

4.7 管道特征影响分析

4.7.1 波动力学的数值研究

4.7.2 理论测量性能

4.8 本章小结

第 5 章 基于脉冲波时差法的流量测量技术

5.1 引言

5.2 脉冲波时差法的数学模型

5.3 脉冲波传播时间计算方法

5.4 测量性能评估

5.4.1 评估指标介绍

5.4.2 影响因素分析

5.4.3 测量精度分析

5.5 脉冲声波时差法实例研究

5.5.1 测量系统构建

5.5.2 测量系统验证

5.6 本章小结

第 6 章 基于连续波相差法的流量测量技术

6.1 引言

6.2 连续声波相差法的数学模型

6.2.1 连续波与脉冲波区别

6.2.2 连续波测量模型

6.2.3 整周期模糊

6.3 连续波传播相位的模糊计算方法

6.3.1 整周期解模糊

6.3.2 互相关相位跟踪

6.3.3 锁相环相位跟踪

6.4 测量性能评估

6.5 连续波相差法实例研究

6.5.1 测量系统构建

6.5.2 测量系统验证

6.6 本章小结

第 7 章 基于脉冲 _ 连续波组合的流量测量技术

7.1 引言

7.2 脉冲 _ 连续波组合测量的数学模型

7.2.1 模型构建

7.2.2 粗糙测量

7.2.3 精细测量

7.3 测量性能评估

7.3.1 温度相关模型

7.3.2 温度自适应模型

7.4 实例研究

7.4.1 内径 50mm 的超声波流量计

7.4.2 内径 30mm 的超声波流量计

7.4.3 内径 25mm 的超声波流量计

7.4.4 内径 20mm 的超声波流量计

7.5 本章小结

第 8 章 载荷研制与地面试验

8.1 引言

8.2 pi; 型结构载荷

8.2.1 需求分析

8.2.2 载荷误差分配与性能评估

8.2.3 载荷工艺加工

8.2.4 载荷地面测试

8.3 夹持式结构载荷

8.3.1 需求分析

8.3.2 载荷误差分配与性能评估

8.3.3 载荷工艺加工

8.3.4 载荷地面测试

8.4 一体式结构载荷

8.4.1 需求分析

8.4.2 载荷误差分配与性能评估

8.4.3 载荷工艺加工

8.4.4 载荷地面测试

8.5 本章小结

第 9 章 总结与展望

9.1 技术总结

9.2 研究展望

参考文献