王 瑾,劉小旭,李德富,陳 益，鞏萌萌

(1．北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2．中國運載火箭技術(shù)研究院 研究發(fā)展中心，北京 100076)

航天器智能熱控技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望

王 瑾1,劉小旭1,李德富1,陳 益1，鞏萌萌2

(1．北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2．中國運載火箭技術(shù)研究院 研究發(fā)展中心，北京 100076)

隨著航天器變軌、快速機動等復(fù)雜空間任務(wù)的發(fā)展，熱控系統(tǒng)需要根據(jù)不同的要求進(jìn)行智能化控制以滿足航天器的高效可靠工作。文章首先介紹了航天器智能熱控技術(shù)的分類及應(yīng)用；然后，總結(jié)了國內(nèi)外智能熱控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀；最后，提出了熱控系統(tǒng)自主管理的進(jìn)一步研究方向，為未來航天器的熱控智能控制技術(shù)發(fā)展提供了參考依據(jù)。

航天器；快速機動；智能熱控；自主管理

0 引言

熱控系統(tǒng)作為航天器七大子系統(tǒng)之一，在航天器整個任務(wù)周期中，擔(dān)負(fù)著為航天器內(nèi)部所有機電設(shè)備、有效載荷等空間任務(wù)單元提供安全可靠的溫度環(huán)境的重要任務(wù)。隨著未來航天器可能面臨的變軌、快速機動等復(fù)雜空間任務(wù)，在航天器入軌后可能受到惡劣空間環(huán)境等復(fù)雜或不確定因素影響，這就要求航天器熱控系統(tǒng)能夠根據(jù)當(dāng)前的工作要求自主調(diào)整[1-3]。傳統(tǒng)的熱控設(shè)計不能滿足要求，需要尋求一種智能化熱控系統(tǒng)使得航天器具備極高的熱環(huán)境變化適應(yīng)能力。國內(nèi)外對于智能化熱控系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究，主要從流體回路智能熱控入手，諸如單相流體回路[4-5]、環(huán)路熱管[6-8]以及兩相流體智能熱控[9]等自主熱控系統(tǒng)。

本文基于航天器智能熱控的發(fā)展趨勢，介紹了智能熱控技術(shù)的應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及進(jìn)展，最后提出了智能熱控的研究發(fā)展方向。

1 智能熱控技術(shù)

智能熱控技術(shù)是一種閉環(huán)控制技術(shù)，通過消耗航天器上的能源，利用溫度傳感器、執(zhí)行機構(gòu)以及控制器組成一套完整的控制系統(tǒng)實現(xiàn)控溫點的溫度控制。目前研究較多的智能熱控執(zhí)行機構(gòu)包括電加熱器、機械泵、溫控閥、輻射器等。其中電加熱器智能熱控通過調(diào)節(jié)加熱功率，實現(xiàn)部件的定點溫度控制；熱控百葉窗主要通過調(diào)節(jié)覆蓋在散熱基面的可轉(zhuǎn)葉片的角度來控制對外輻射的強度，達(dá)到控制航天器表面對外散熱的目的；溫控閥和機械泵是通過控制流體流量的方式實現(xiàn)溫度控制。圖1是以電加熱器為控制對象的PID智能熱控流程圖。

圖1 以電加熱器為控制對象的PID智能熱控流程圖

2 智能熱控技術(shù)研究現(xiàn)狀

對于智能熱控技術(shù)而言，可控執(zhí)行部件和控制策略是整個智能熱控中最為重要的環(huán)節(jié)?？煽貓?zhí)行部件是熱控系統(tǒng)的受控對象，控制策略對系統(tǒng)的控溫效果具有決定性的作用。目前工程應(yīng)用較多的是電加熱器控溫閾值溫控，選擇電加熱器作為可控硬件，開關(guān)控制作為控制策略，當(dāng)設(shè)備溫度低于溫度下限時控制加熱器接通，高于溫度上限時控制加熱器斷開，此種控溫方式僅能控制電氣設(shè)備溫度在一定范圍之內(nèi)，如-10℃～+20℃[10]；對于控溫范圍要求較窄的設(shè)備，則采取PID控制策略控制電加熱器電壓，實現(xiàn)電氣設(shè)備的溫度自主控制[11]。

2.1 可控執(zhí)行部件

圖2 泵控技術(shù)單相流體回路原理圖

目前航天器熱控系統(tǒng)中的可控執(zhí)行部件主要包括電加熱器、機械泵、溫控閥、熱控百葉窗以及儲液器等，其中機械泵、溫控閥、儲液器以及熱控百葉窗等均是流體回路的可控執(zhí)行部件。國內(nèi)外專家學(xué)者針對流體回路控溫進(jìn)行了大量的研究，其中劉東曉等人進(jìn)行了泵控技術(shù)研究，建立了適用于微小型航天器的單相流體回路熱控地面試驗平臺，完成了在開環(huán)和閉環(huán)條件下的溫度動態(tài)特性以及控制試驗，可將溫度控制在±0.5℃以內(nèi)，具有良好的魯棒性[12]。圖2為泵控單相流體回路原理圖。Yan等人提出了間歇式噴霧冷卻通過協(xié)調(diào)噴霧頻率和噴霧冷卻核態(tài)沸騰換熱的脈沖間隔，可以實現(xiàn)噴霧冷卻換熱熱流密度的控制，維持壁面溫度在25℃左右，誤差在2℃之內(nèi)[9]。溫控閥由于結(jié)構(gòu)簡單、操作靈敏等特點，已經(jīng)在我國“神舟”號載人飛船流體回路中用于實現(xiàn)輻射器支路流量的控制，能夠?qū)⑤椛淦鞒隹诨旌蠝囟瓤刂圃谠O(shè)定的8℃±1℃之內(nèi)；微型熱控百葉窗通過靜電力驅(qū)動實現(xiàn)低發(fā)射率可動葉片遮擋高發(fā)射率散熱表面達(dá)到控溫的目的。美國約翰霍普金大學(xué)、蘭州空間技術(shù)物理研究所、南京理工大學(xué)以及清華大學(xué)對微型熱控百葉窗進(jìn)行了大量的研究[13-15]。圖3為美國霍普斯金大學(xué)應(yīng)用物理實驗室研究的ST5 試驗衛(wèi)星微型熱控百葉窗結(jié)構(gòu)圖，可實現(xiàn)發(fā)射率在0.05～0.3范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)。對于環(huán)路熱管，國內(nèi)外幾乎全部都是通過儲液器智能控溫的方式實現(xiàn)環(huán)路熱管的精密控溫[6-8]。如美國應(yīng)用于ICESAT航天器的地球科學(xué)激光測高儀(GLAS)的環(huán)路熱管，通過采用儲液器智能控溫的方式可以實現(xiàn)±0.1℃的控溫精度[7]。國內(nèi)對于環(huán)路熱管的智能控溫研究尚處于地面原理樣機階段，未進(jìn)行過飛行試驗。

圖3 ST5 試驗衛(wèi)星微型熱控百葉窗結(jié)構(gòu)圖

2.2 控制策略

熱控系統(tǒng)的控制策略是航天器熱控系統(tǒng)能夠適應(yīng)空間復(fù)雜熱環(huán)境的保證，是實現(xiàn)電子設(shè)備表面精密控溫的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的PID控制策略由于控制的局限性，針對空間大幅度外熱流以及變軌變化的場合，調(diào)節(jié)效果不佳，魯棒性較差。智能控制策略具有自適應(yīng)能力強、魯棒性好、學(xué)習(xí)能力以及控制能力不斷增強等特點，可以自動測量被控對象的被控制量，并求出與期望值的偏差，進(jìn)而根據(jù)所采集的輸入信息和已有知識進(jìn)行推理，得到對被控對象的輸出控制，同時盡可能減小或消除偏差。一般使用的人工智能控制方法包括如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、機器學(xué)習(xí)、進(jìn)化計算和遺傳算法等。

目前，國外針對智能控制策略在航天器上的應(yīng)用研究文獻(xiàn)并不多，但是基于模糊智能控制理論及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制理論的控制策略在過程控制[16-18]和機器人智能控制[19-20]等領(lǐng)域獲得了廣泛的研究和應(yīng)用。國內(nèi)專家學(xué)者將智能控制策略與航天器熱控系統(tǒng)相結(jié)合，進(jìn)行了一系列的理論研究。楊娟等針對微型百葉窗的驅(qū)動問題，提出一種基于模糊PI混合控制的智能化控制方法，實現(xiàn)了納衛(wèi)星內(nèi)部熱環(huán)境高熱流密度控制，控制原理圖如圖4所示[20]，仿真結(jié)果顯示在添加外界擾動的情況下，參數(shù)自整定PI控制器能夠快速調(diào)節(jié)輻射器開度，實現(xiàn)艙內(nèi)受控點溫度快速穩(wěn)定調(diào)節(jié)，誤差在±1℃以內(nèi)；劉佳等人以航天器MEMS熱控系統(tǒng)為對象，將系統(tǒng)層次的Agent智能決策體系與熱控系統(tǒng)自主控制任務(wù)相結(jié)合，實現(xiàn)系統(tǒng)自身依據(jù)所辨識出的外部軌道熱環(huán)境及內(nèi)部熱負(fù)荷變化進(jìn)行控制變量的自主調(diào)節(jié)，達(dá)到優(yōu)化協(xié)調(diào)多個控制變量且能自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制器參數(shù)的新型智能熱控系統(tǒng)[21]；同時劉佳等人對單相流體熱控系統(tǒng)的溫控閥和微型百葉窗控制進(jìn)行了研究，提出一種引入外熱流協(xié)調(diào)因子與專家智能整定PID控制相結(jié)合的自主控制策略，仿真分析其動態(tài)控制效果[22]，圖5為外熱流協(xié)調(diào)因子結(jié)合的自主控制策略原理圖。李運澤等人提出并設(shè)計了一種將環(huán)路熱管與變發(fā)射率輻射器相結(jié)合的熱控系統(tǒng)方案，采用雙驅(qū)動的智能熱控策略實現(xiàn)系統(tǒng)的溫度控制以及熱流辨識[23-24]。但是，國內(nèi)對于智能熱控策略的研究也僅限于理論分析及半物理仿真階段，對于實際應(yīng)用還有很大的改進(jìn)空間。

圖4 參數(shù)自整定模糊PI控制器

圖5 外熱流協(xié)調(diào)因子結(jié)合的自主控制策略

3 智能熱控技術(shù)研究展望

近年來，隨著航天器對于熱控自主管理技術(shù)的需求，智能化熱控技術(shù)不斷向更深更廣的方向發(fā)展。國內(nèi)外對智能熱控裝置以及智能熱控系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究，機械泵、溫控閥、熱控百葉窗以及儲液器均是流體回路中的部件，通過控制器不同程度地控制流體流量、壓力或者是輻射器發(fā)射率的方式來實現(xiàn)溫度控制?？刂凭群涂刂瓶煽啃允侵鲃訜峥啬軌蛟诠こ躺峡煽繎?yīng)用的關(guān)鍵。控制精度由控制策略的優(yōu)化實現(xiàn)?？刂瓶煽啃孕枰ㄟ^機械加工、工藝優(yōu)化以及試驗考核等進(jìn)行。因此，由此引申出來的理論研究是未來智能熱控技術(shù)進(jìn)一步研究的方向。

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Research progress for spacecraft intelligent thermal control technology

Wang Jin1, Liu Xiaoxu1, Li Defu1, Chen Yi1, Gong Mengmeng2

(1.Beijing Institute of Aerospace System Engineering,Beijing 100076, China；2．Research and Development Center, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076, China)

With the development of complex space mission like spacecraft orbit maneuver and rapid mobility, thermal control system should realize intelligent control to satisfy spacecraft operate effectively and reliability. Firstly, this paper introduces the classification and the application of spacecraft intelligent thermal control technology, and then the research advances from home and abroad in the intelligent thermal control technology are reviewed. Finally, suggestions of future research areas of thermal control autonomous management are made which can supply reference for future spacecraft intelligent thermal control.

spacecraft; rapid mobility; intelligent thermal control;autonomous management

V416

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.09.003

王瑾,劉小旭,李德富，等.航天器智能熱控技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望[J].微型機與應(yīng)用，2017,36(9)：8-10，14.

2016-12-15)

王瑾(1988-)，通信作者，女，博士研究生，工程師，主要研究方向：航天器熱控制及熱管理。E-mail:wj820buaa@163.com。

劉小旭(1982-)，男，碩士研究生，工程師，主要研究方向：航天器熱控制及空間環(huán)境設(shè)計。

李德富(1981-)，男，博士研究生，高級工程師，主要研究方向：上面級熱控設(shè)計。