《电子技术应用》

航天器智能热控技术研究现状及展望

2017年微型机与应用第9期 作者:王瑾1,刘小旭1,李德富1,陈益1,巩萌萌2
2017/6/6 12:07:00

  王瑾1,刘小旭1,李德富1,陈益1,巩萌萌2

  (1.北京宇航系统工程研究所,北京 100076;2.中国运载火箭技术研究院 研究发展中心,北京 100076)

  摘要:随着航天器变轨、快速机动等复杂空间任务的发展,热控系统需要根据不同的要求进行智能化控制以满足航天器的高效可靠工作。文章首先介绍了航天器智能热控技术的分类及应用;然后,总结了国内外智能热控技术的发展现状;最后,提出了热控系统自主管理的进一步研究方向,为未来航天器的热控智能控制技术发展提供了参考依据。

  关键词:航天器;快速机动;智能热控;自主管理

  中图分类号:V416文献标识码:ADOI: 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.09.003

  引用格式:王瑾,刘小旭,李德富,等.航天器智能热控技术研究现状及展望[J].微型机与应用,2017,36(9):8-10,14.

0引言

  热控系统作为航天器七大子系统之一,在航天器整个任务周期中,担负着为航天器内部所有机电设备、有效载荷等空间任务单元提供安全可靠的温度环境的重要任务。随着未来航天器可能面临的变轨、快速机动等复杂空间任务,在航天器入轨后可能受到恶劣空间环境等复杂或不确定因素影响,这就要求航天器热控系统能够根据当前的工作要求自主调整[13]。传统的热控设计不能满足要求,需要寻求一种智能化热控系统使得航天器具备极高的热环境变化适应能力。国内外对于智能化热控系统进行了大量的研究,主要从流体回路智能热控入手,诸如单相流体回路[45]、环路热管[68]以及两相流体智能热控[9]等自主热控系统。

  本文基于航天器智能热控的发展趋势,介绍了智能热控技术的应用,并在此基础上总结了国内外研究现状及进展,最后提出了智能热控的研究发展方向。

1智能热控技术

  智能热控技术是一种闭环控制技术,通过消耗航天器上的能源,利用温度传感器、执行机构以及控制器组成一套完整的控制系统实现控温点的温度控制。目前研究较多的智能热控执行机构包括电加热器、机械泵、温控阀、辐射器等。其中电加热器智能热控通过调节加热功率,实现部件的定点温度控制;热控百叶窗主要通过调节覆盖在散热基面的可转叶片的角度来控制对外辐射的强度,达到控制航天器表面对外散热的目的;温控阀和机械泵是通过控制流体流量的方式实现温度控制。图1是以电加热器为控制对象的PID智能热控流程图。

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2智能热控技术研究现状

  对于智能热控技术而言,可控执行部件和控制策略是整个智能热控中最为重要的环节。可控执行部件是热控系统的受控对象,控制策略对系统的控温效果具有决定性的作用。目前工程应用较多的是电加热器控温阈值温控,选择电加热器作为可控硬件,开关控制作为控制策略,当设备温度低于温度下限时控制加热器接通,高于温度上限时控制加热器断开,此种控温方式仅能控制电气设备温度在一定范围之内,如-10℃~+20℃[10];对于控温范围要求较窄的设备,则采取PID控制策略控制电加热器电压,实现电气设备的温度自主控制[11]。

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  2.1可控执行部件

  目前航天器热控系统中的可控执行部件主要包括电加热器、机械泵、温控阀、热控百叶窗以及储液器等,其中机械泵、温控阀、储液器以及热控百叶窗等均是流体回路的可控执行部件。国内外专家学者针对流体回路控温进行了大量的研究,其中刘东晓等人进行了泵控技术研究,建立了适用于微小型航天器的单相流体回路热控地面试验平台,完成了在开环和闭环条件下的温度动态特性以及控制试验,可将温度控制在±0.5℃以内,具有良好的鲁棒性[12]。图2为泵控单相流体回路原理图。Yan等人提出了间歇式喷雾冷却通过协调喷雾频率和喷雾冷却核态沸腾换热的脉冲间隔,可以实现喷图2泵控技术单相流体回路原理图雾冷却换热热流密度的控制,维持壁面温度在25℃左右,误差在2℃之内[9]。温控阀由于结构简单、操作灵敏等特点,已经在我国“神舟”号载人飞船流体回路中用于实现辐射器支路流量的控制,能够将辐射器出口混合温度控制在设定的8℃±1℃之内;微型热控百叶窗通过静电力驱动实现低发射率可动叶片遮挡高发射率散热表面达到控温的目的。美国约翰霍普金大学、兰州空间技术物理研究所、南京理工大学以及清华大学对微型热控百叶窗进行了大量的研究[1315]。图3为美国霍普斯金大学应用物理实验室研究的ST5 试验卫星微型热控百叶窗结构图,可实现发射率在0.05~0.3范围内的调节。对于环路热管,国内外几乎全部都是通过储液器智能控温的方式实现环路热管的精密控温[68]。如美国应用于ICESAT航天器的地球科学激光测高仪(GLAS)的环路热管,通过采用储液器智能控温的方式可以实现±0.1℃的控温精度[7]。国内对于环路热管的智能控温研究尚处于地面原理样机阶段,未进行过飞行试验。

  

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  2.2控制策略

  热控系统的控制策略是航天器热控系统能够适应空间复杂热环境的保证,是实现电子设备表面精密控温的关键。传统的PID控制策略由于控制的局限性,针对空间大幅度外热流以及变轨变化的场合,调节效果不佳,鲁棒性较差。智能控制策略具有自适应能力强、鲁棒性好、学习能力以及控制能力不断增强等特点,可以自动测量被控对象的被控制量,并求出与期望值的偏差,进而根据所采集的输入信息和已有知识进行推理,得到对被控对象的输出控制,同时尽可能减小或消除偏差。一般使用的人工智能控制方法包括如神经网络、模糊逻辑、机器学习、进化计算和遗传算法等。

  目前,国外针对智能控制策略在航天器上的应用研究文献并不多,但是基于模糊智能控制理论及神经网络智能控制理论的控制策略在过程控制[1618]和机器人智能控制[1920]等领域获得了广泛的研究和应用。国内专家学者将智能控制策略与航天器热控系统相结合,进行了一系列的理论研究。杨娟等针对微型百叶窗的驱动问题,提出一种基于模糊PI混合控制的智能化控制方法,实现了纳卫星内部热环境高热流密度控制,控制原理图如图4所示[20],仿真结果显示在添加外界扰动的情况下,参数自整定PI控制器能够快速调节辐射器开度,实现舱内受控点温度快速稳定调节,误差在±1℃以内;刘佳等人以航天器MEMS热控系统为对象,将系统层次的Agent智能决策体系与热控系统自主控制任务相结合,实现系统自身依据所辨识出的外部轨道热环境及内部热负荷变化进行控制变量的自主调节,达到优化协调多个控制变量且能自适应调节控制器参数的新型智能热控系统[21];同时刘佳等人对单相流体热控系统的温控阀和微型百叶窗控制进行了研究,提出一种引入外热流协调因子与专家智能整定PID控制相结合的自主控制策略,仿真分析其动态控制效果[22],图5为外热流协调因子结合的自主控制策略原理图。李运泽等人提出并设计了一种将环路热管与变发射率辐射器相结合的热控系统方案,采用双驱动的智能热控策略实现系统的温度控制以及热流辨识[2324]。但是,国内对于智能热控策略的研究也仅限于理论分析及半物理仿真阶段,对于实际应用还有很大的改进空间。

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3智能热控技术研究展望

  近年来,随着航天器对于热控自主管理技术的需求,智能化热控技术不断向更深更广的方向发展。国内外对智能热控装置以及智能热控系统进行了大量的研究,机械泵、温控阀、热控百叶窗以及储液器均是流体回路中的部件,通过控制器不同程度地控制流体流量、压力或者是辐射器发射率的方式来实现温度控制。控制精度和控制可靠性是主动热控能够在工程上可靠应用的关键。控制精度由控制策略的优化实现。控制可靠性需要通过机械加工、工艺优化以及试验考核等进行。因此,由此引申出来的理论研究是未来智能热控技术进一步研究的方向。

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