李國(guó)強(qiáng)

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

1 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)航天器的熱設(shè)計(jì)一般采用以被動(dòng)熱控為主、電加熱主動(dòng)熱控為輔的熱控方案。這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，比較適合于溫度控制要求不高的熱控系統(tǒng)［1］。隨著技術(shù)的發(fā)展，電加熱技術(shù)的主要控制及執(zhí)行機(jī)構(gòu)——控溫儀有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，已經(jīng)從最初的開(kāi)關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)演化為具有CPU 的智能型高精度控溫儀，電加熱對(duì)星上能源的消耗可以通過(guò)CPU 靈活控制，可靠性也大為提高，因此，電加熱主動(dòng)熱控技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于一些控溫精度要求較高的航天器儀器設(shè)備的熱控制。

航天器對(duì)熱控系統(tǒng)的主動(dòng)調(diào)節(jié)能力需求大為增加，除在軌正常設(shè)計(jì)需求外，這種能力還表現(xiàn)在：熱控系統(tǒng)作為基礎(chǔ)服務(wù)系統(tǒng)，必須應(yīng)對(duì)航天器研制過(guò)程中各級(jí)別可能的技術(shù)狀態(tài)更改需求，以及在軌飛行期間突發(fā)的非正常設(shè)計(jì)狀態(tài)帶來(lái)的溫度保障需求。因此，有必要討論傳統(tǒng)熱設(shè)計(jì)以被動(dòng)熱控為主、輔以適當(dāng)主動(dòng)熱控這一首要原則在航天器是否須要做出調(diào)整，提高目前相對(duì)成熟可靠的電加熱主動(dòng)控制所占的份額，在某種程度上可以提升航天器熱控總體設(shè)計(jì)水平，實(shí)現(xiàn)熱控系統(tǒng)的系統(tǒng)性和魯棒性設(shè)計(jì)，從而在航天器系統(tǒng)工程研制中起到應(yīng)有的熱總體作用。

2 熱設(shè)計(jì)應(yīng)以系統(tǒng)總體最優(yōu)為前提

2．1 熱設(shè)計(jì)應(yīng)從總體的角度來(lái)把握

在航天器系統(tǒng)工程中，“熱控”一直作為航天器的一個(gè)重要“分系統(tǒng)”進(jìn)行研制。但是，與“分系統(tǒng)”的定義不同，在航天器實(shí)際研制過(guò)程中，無(wú)論是航天器總體設(shè)計(jì)人員，還是其他各分系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，又都普遍認(rèn)為熱控“分系統(tǒng)”具有“總體性質(zhì)”。這主要是由熱控分系統(tǒng)在航天器研制中的特殊地位決定的。

（1）航天器熱接口復(fù)雜。廣義而言，許多大總體接口，如運(yùn)載火箭的熱環(huán)境、發(fā)射塔架的熱環(huán)境及航天器在軌熱環(huán)境等，均與熱有關(guān)；單就某一航天器而言，熱控在研制中與總體及各分系統(tǒng)間都存在輸入輸出關(guān)系，如結(jié)構(gòu)、總裝、數(shù)管、電源、軌道、控制等。同時(shí)，熱控要保證航天器所有設(shè)備的工作溫度環(huán)境。

（2）熱控分系統(tǒng)研制流程涉及航天器全流程。和一般的以電或結(jié)構(gòu)為主的分系統(tǒng)不同，熱控分系統(tǒng)研制涉及到從航天器最初的單機(jī)設(shè)備研制、航天器結(jié)構(gòu)部裝到最后的航天器總裝、電性能測(cè)試及大型試驗(yàn)研制的全流程，以及航天器在軌飛行的整個(gè)壽命期間，熱控分系統(tǒng)都要提供保障。

綜上，把熱控作為分系統(tǒng)降低了熱控的職責(zé)要求，可能會(huì)造成航天器總體設(shè)計(jì)的缺陷。極端時(shí)，甚至?xí)斐伞胺窒到y(tǒng)最優(yōu)而系統(tǒng)差”的局面。這將與航天器系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)思想背道而馳。

作為分系統(tǒng)，系統(tǒng)總體會(huì)向其下達(dá)一系列的技術(shù)要求和指標(biāo)，其中質(zhì)量和功耗必不可少，這兩個(gè)指標(biāo)也是目前熱控（以及其他）分系統(tǒng)力保“最優(yōu)”的設(shè)計(jì)指標(biāo)，因此一般采取了質(zhì)量輕、耗能少的被動(dòng)熱控設(shè)計(jì)方法。這種設(shè)計(jì)方法，如果航天器在軌運(yùn)行處于預(yù)先設(shè)計(jì)條件時(shí)，可以很好地滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)；但當(dāng)航天器在軌遇到意外故障時(shí)，往往由于適應(yīng)性差，無(wú)法采取針對(duì)性補(bǔ)救措施。

如果不把質(zhì)量、功耗作為考核熱控設(shè)計(jì)的必要條件，允許熱控設(shè)計(jì)從總體的角度進(jìn)行全盤規(guī)劃，從形式上解放熱控作為“分系統(tǒng)”的限制和束縛，為航天器預(yù)留一定的主動(dòng)熱控措施，雖然表面上是“熱控分系統(tǒng)”占用了更多的資源，但整個(gè)系統(tǒng)卻能實(shí)現(xiàn)適應(yīng)性好的較優(yōu)結(jié)果。

2．2 熱設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行管理

各設(shè)備的功耗是航天器分熱控系統(tǒng)和電源分系統(tǒng)最重要的設(shè)計(jì)輸入條件。多個(gè)航天器型號(hào)工程研制經(jīng)驗(yàn)表明，航天器設(shè)計(jì)初期各研制方提供的功耗參數(shù)，大多數(shù)會(huì)比最終產(chǎn)品的實(shí)測(cè)值大，有些甚至相差非常大。表1是某有較大繼承性設(shè)計(jì)的遙感衛(wèi)星實(shí)例，在設(shè)計(jì)之初簽定的功耗與最終實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比相差了23．4%。這主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)觀念鼓勵(lì)各分系統(tǒng)在研制過(guò)程中節(jié)約星上能源，因此各設(shè)備研制方在設(shè)計(jì)之初，對(duì)自己的設(shè)備沒(méi)有足夠把握時(shí)，往往多申請(qǐng)能源需求，避免后續(xù)研制階段出現(xiàn)需求不足的情況。這種思路對(duì)電源分系統(tǒng)設(shè)計(jì)沒(méi)有問(wèn)題：只要航天器能夠滿足最大能源需求，后續(xù)研制過(guò)程出現(xiàn)能源富裕時(shí)，可將多余的能源采取分流措施。

但熱控設(shè)計(jì)不同，既要考慮功耗高時(shí)的散熱，又要考慮功耗低時(shí)的保溫，因此希望功耗輸入條件在研制過(guò)程中不出現(xiàn)大的改變，即不是前文提到的“鼓勵(lì)節(jié)約能源”。當(dāng)電源系統(tǒng)把原設(shè)計(jì)多出來(lái)的能源分流時(shí)，熱控分系統(tǒng)還要設(shè)法修改為大功耗設(shè)計(jì)的散熱面參數(shù)。

實(shí)現(xiàn)航天器廢熱的再利用，一直是航天器熱管理的目標(biāo)之一。如果熱控分系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初，就為這些能源提供可供“主動(dòng)分流”的加熱器，正常情況下這些加熱器關(guān)閉，在需要分流或航天器處于非設(shè)計(jì)狀態(tài)時(shí)開(kāi)啟，則可變能源分流為熱管理，實(shí)現(xiàn)熱控和電源分系統(tǒng)聯(lián)合設(shè)計(jì)的雙贏。

表1 某遙感衛(wèi)星功耗統(tǒng)計(jì)Table 1 Power consumption of a remote sensing satellite

3 提高熱設(shè)計(jì)的魯棒性

魯棒性設(shè)計(jì)就是回答如下問(wèn)題：尋找滿足所有限制時(shí)的最大可靠性，或者，在一定可靠性99．7%（三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差）要求前提下，找到最佳性能或最小質(zhì)量設(shè)計(jì)［2］。按照這個(gè)概念，如果完全從魯棒性設(shè)計(jì)的定義去考慮熱控分系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即單從熱控自身的角度考慮魯棒性設(shè)計(jì)，可能會(huì)陷入對(duì)熱控系統(tǒng)可靠性、質(zhì)量設(shè)計(jì)的限制中，從而導(dǎo)致“分系統(tǒng)最優(yōu)而非系統(tǒng)最優(yōu)”的局面。因此，本文所說(shuō)的提高熱設(shè)計(jì)“魯棒性”，是借用魯棒性的含義，從提高熱控分系統(tǒng)的適應(yīng)性角度來(lái)說(shuō)明問(wèn)題。

3．1 熱設(shè)計(jì)應(yīng)具有適應(yīng)航天器研制問(wèn)題的最小重構(gòu)能力

工程經(jīng)驗(yàn)表明，航天器的研制過(guò)程并不會(huì)完全按照設(shè)計(jì)的條件和狀態(tài)開(kāi)展。在遇到航天器或其分系統(tǒng)發(fā)生技術(shù)狀態(tài)更改時(shí)，熱控分系統(tǒng)可能會(huì)受到較大的影響。尤其是當(dāng)其他分系統(tǒng)遇到無(wú)法解決的熱環(huán)境問(wèn)題時(shí)（往往是在設(shè)計(jì)約定的溫度范圍內(nèi)，某設(shè)備性能下降不能滿足要求，必須在一定的、較狹窄的溫度范圍內(nèi)，設(shè)備才能正常工作），航天器總體會(huì)從全局考慮更改的影響，從而讓熱控分系統(tǒng)為出現(xiàn)問(wèn)題的設(shè)備予以更精確的溫度保障。這樣，利用散熱手段為其制造熱沉環(huán)境、再通過(guò)電加熱進(jìn)行主動(dòng)控溫是最方便的處理方式，對(duì)航天器的改動(dòng)會(huì)較小。散熱手段一般較易實(shí)施，對(duì)整星影響較??；而電加熱控制則需要航天器電源、數(shù)管、電纜網(wǎng)等多個(gè)接口資源。如果熱控分系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初只考慮本“分系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)最簡(jiǎn)單可靠，未預(yù)留出電加熱控制資源，就會(huì)陷入接口不足的被動(dòng)。

例如，某遙感衛(wèi)星平臺(tái)采取最簡(jiǎn)單可靠的被動(dòng)熱控為主完成熱設(shè)計(jì)，整星經(jīng)優(yōu)化后僅保留8路電加熱控溫回路，用于設(shè)計(jì)之初提出要求的特殊設(shè)備［3］。但是，衛(wèi)星研制后期遇到了紅外地球敏感器堵轉(zhuǎn)難題，敏感器研制單位經(jīng)過(guò)大量的分析、試驗(yàn)論證，無(wú)法通過(guò)改進(jìn)敏感器單機(jī)設(shè)計(jì)解決問(wèn)題，而好的溫度環(huán)境能夠幫助解決問(wèn)題，于是向總體部門提出了主動(dòng)控溫要求?？傮w部門在綜合評(píng)價(jià)了進(jìn)度、風(fēng)險(xiǎn)等環(huán)節(jié)后，認(rèn)為這也是解決問(wèn)題的唯一辦法，因此要求熱控分系統(tǒng)能夠完成該敏感器的主動(dòng)控溫。該星由于未預(yù)留電加熱資源，只得采取“拆借”、合并其他加熱回路、降低整個(gè)系統(tǒng)可靠性的方法來(lái)解決。在另一顆遙感衛(wèi)星上也發(fā)生了類似的問(wèn)題。

3．2 熱設(shè)計(jì)應(yīng)為解決在軌意外故障提供溫度保障手段

熱控措施的選擇與整星的設(shè)計(jì)思想有關(guān)，如在軌道上發(fā)生局部溫度過(guò)高時(shí)，常規(guī)的熱控措施是無(wú)法解決的；而溫度過(guò)低時(shí)，則可以用電加熱的方法解決。因此，應(yīng)考慮采用偏低溫的設(shè)計(jì)思路，給高溫端留有更多的設(shè)計(jì)余量，同時(shí)采用增加電加熱功率的方法保證不超過(guò)低溫限。這就需要根據(jù)具體條件對(duì)星上資源消耗和安全可靠之間進(jìn)行分析后，合理選擇。我國(guó)通信衛(wèi)星熱設(shè)計(jì)中，在載荷開(kāi)通前采用替代加熱器的做法［4］，是一種典型應(yīng)用。

航天器熱設(shè)計(jì)應(yīng)參照這些思路，在有條件的情況下設(shè)置部分“冬眠”加熱回路，為航天器在軌意外故障提供熱控保障能力：當(dāng)航天器按預(yù)先設(shè)計(jì)條件正常工作時(shí)，這些加熱回路處于“禁止工作”狀態(tài)（休眠），當(dāng)航天器在軌遇到意外，出現(xiàn)了整體或局部溫度下降，在航天器自身能源許可的條件下，通過(guò)智能型控溫儀［5］喚醒這些加熱回路，使航天器溫度能逐漸恢復(fù)正常，從而保證航天器的正常工作。

我國(guó)一些遙感衛(wèi)星的熱控設(shè)計(jì)中，已逐漸應(yīng)用了這一提高熱控設(shè)計(jì)系統(tǒng)性的思路。如某“晨昏”軌道太陽(yáng)同步衛(wèi)星有效載荷在軌長(zhǎng)期工作，但發(fā)射初期要經(jīng)過(guò)約一個(gè)月的在軌測(cè)試，期間載荷不工作，而載荷工作與否的整星功耗差異約370 W，占總功耗的34%。借鑒通信衛(wèi)星替代加熱器的設(shè)計(jì)思路，該衛(wèi)星在有效載荷艙設(shè)置了6路補(bǔ)償加熱回路，每路60 W，這樣保證在軌測(cè)試期間載荷的最低儲(chǔ)存溫度。同時(shí)，正常狀態(tài)這些回路將休眠，而其控制溫度的中心值、閾值等可根據(jù)需要在軌注入到星上。這也是電源系統(tǒng)希望的情況：補(bǔ)償加熱功率起到了對(duì)能源“削峰填谷”的作用。這個(gè)設(shè)計(jì)后來(lái)為衛(wèi)星在軌遇到問(wèn)題時(shí)的應(yīng)急處理提供了有力保障：衛(wèi)星發(fā)射后遇到了嚴(yán)重的姿態(tài)異常，載荷溫度降到-30 ℃；航天器姿態(tài)好轉(zhuǎn)時(shí)，補(bǔ)償加熱器開(kāi)啟，保證了衛(wèi)星溫度快速回升到正常范圍。

這種設(shè)計(jì)思路，不僅可用于能源充足的“晨昏”軌道衛(wèi)星熱設(shè)計(jì)中，對(duì)于一般光學(xué)成像衛(wèi)星采取的上午或下午降交點(diǎn)地方時(shí)的太陽(yáng)同步軌道也適用。在某10：30AM 降交點(diǎn)地方時(shí)太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星熱設(shè)計(jì)中，也采取了類似的載荷艙補(bǔ)償加熱的方法［6］。

4 利用電加熱提高熱設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性和魯棒性

隨著熱控技術(shù)的發(fā)展，可變發(fā)射率技術(shù)、可變熱導(dǎo)熱管、熱開(kāi)關(guān)、自主適應(yīng)的電加熱控溫等技術(shù)都成為具有強(qiáng)適應(yīng)性熱控技術(shù)的概念［7］。但是，目前為止，大部分新型熱控技術(shù)在長(zhǎng)壽命航天器實(shí)際應(yīng)用中還很少被用到。電加熱的主動(dòng)控制技術(shù)則得到大量應(yīng)用，尤其是以遙感衛(wèi)星光學(xué)相機(jī)主動(dòng)熱控制的應(yīng)用越來(lái)越多，使這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)相對(duì)簡(jiǎn)單。以往這項(xiàng)技術(shù)受困于其控制設(shè)備的可靠性，通過(guò)冗余和備份設(shè)計(jì)，則可實(shí)現(xiàn)加熱回路的高可靠性設(shè)計(jì)，使其成為實(shí)現(xiàn)熱控設(shè)計(jì)魯棒性的一種簡(jiǎn)便途徑。表2是某衛(wèi)星平臺(tái)電加熱控制器（控溫儀）的技術(shù)參數(shù)發(fā)展歷程。可見(jiàn)，控溫儀目前已經(jīng)發(fā)展的成熟、可靠［8］。

表2 控溫儀參數(shù)比較Table 2 Comparison of thermal controllers

以成熟的散熱＋電加熱設(shè)計(jì)手段為前提，航天器系統(tǒng)性和魯棒性熱設(shè)計(jì)方案和流程如下：

（1）在航天器設(shè)計(jì)初期，各分系統(tǒng)功耗不十分準(zhǔn)確的前提下，熱設(shè)計(jì)以簡(jiǎn)單、全面為主，在可以噴涂熱控涂層的外壁板上全部設(shè)計(jì)為散熱面。如果外壁板上沒(méi)有安裝儀器設(shè)備，從流程優(yōu)化的角度考慮，在航天器熱平衡試驗(yàn)前再對(duì)這些散熱措施予以實(shí)施，這時(shí)，可根據(jù)各設(shè)備實(shí)測(cè)熱耗對(duì)散熱面進(jìn)行修改，減小熱設(shè)計(jì)的不確定性。

（2）在合適的位置盡量多地布置補(bǔ)償電加熱回路，包括航天器散熱面上。部分加熱回路并非熱控正?？刂扑?，而是為研制過(guò)程和在軌運(yùn)行階段預(yù)留調(diào)控資源。

（3）使用相對(duì)而言路數(shù)更多、性價(jià)比更高的控溫儀進(jìn)行電加熱控制。

（4）根據(jù)研制過(guò)程中航天器的技術(shù)狀態(tài)變化，為發(fā)生變化的設(shè)備提供必要的電加熱控制。

（5）在航天器出廠前，確定根據(jù)出廠狀態(tài)確定的最終加熱回路路數(shù)，并將其他的回路設(shè)置為關(guān)閉的狀態(tài)，使相應(yīng)加熱回路“休眠”。

（6）航天器在軌運(yùn)行時(shí)，如遇到意外故障情況，根據(jù)需要喚醒休眠的加熱回路，為航天器溫度提升及控制提供保障。

5 結(jié)束語(yǔ)

電加熱的主動(dòng)控制方式，一直是我國(guó)航天器以被動(dòng)為主的熱控方法里最主要的輔助主動(dòng)熱控手段。技術(shù)發(fā)展到今天，這種方法也越來(lái)越成熟。在航天器的研制中，越來(lái)越要求熱控以系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)為目標(biāo)，且要求在盡量采用成熟、繼承性好的技術(shù)前提下完成設(shè)計(jì)，因此，電加熱的主動(dòng)控制方法應(yīng)該是以提升設(shè)計(jì)適應(yīng)性為主導(dǎo)的航天器熱設(shè)計(jì)研制思路之一。

用電加熱控制來(lái)提升航天器熱控設(shè)計(jì)的魯棒性，進(jìn)而提升航天器的魯棒性，其所占用的航天器資源、可靠性提升等問(wèn)題，不是熱控“分系統(tǒng)”級(jí)的問(wèn)題，而是航天器系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)最優(yōu)的問(wèn)題，應(yīng)該從系統(tǒng)總體的角度加以綜合考慮。

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