劉紹然 劉正山 石明 王益紅 劉洋

(1 中國(guó)空間技術(shù)研究院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部，北京 100094)(2 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094)

當(dāng)前，高、低軌道通信衛(wèi)星在不斷更新?lián)Q代，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)下，各衛(wèi)星制造商在技術(shù)和經(jīng)營(yíng)管理上采取了各種措施，縮短周期、降低成本、提高性能，以增強(qiáng)各自衛(wèi)星平臺(tái)的競(jìng)爭(zhēng)力。目前，我國(guó)衛(wèi)星普遍存在工作軌道段熱控功率占比偏高的問(wèn)題，以通信衛(wèi)星為例，地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星熱控功率預(yù)算占平臺(tái)設(shè)備總功率的50%～72%。熱控功率全部用于電加熱器(后文簡(jiǎn)稱加熱器)的供電，因此加熱器功率優(yōu)化是提升衛(wèi)星平臺(tái)功率承載能力的措施之一[1]。

加熱器是航天器熱控制系統(tǒng)常用的主動(dòng)熱控措施，通過(guò)地面遙控或自控方式實(shí)現(xiàn)熱補(bǔ)償功能，維持被控對(duì)象需要的溫度均勻度或溫度范圍[2]。由于衛(wèi)星平臺(tái)有較多設(shè)備或部件采取獨(dú)立的加熱控溫措施，使用了大量加熱器，如10 N推力器加熱器、星敏感器加熱器等等。每顆通信衛(wèi)星雖不盡相同，但對(duì)比我國(guó)主流通信衛(wèi)星平臺(tái)與歐美通信衛(wèi)星平臺(tái)的熱控功率預(yù)算，可看出整星功率相當(dāng)?shù)那闆r下，熱控總功率高于國(guó)外衛(wèi)星。

航天器在軌飛行過(guò)程中積累的遙測(cè)數(shù)據(jù)是重大資產(chǎn)，是了解在軌運(yùn)行狀態(tài)的最直接窗口，也是開(kāi)展設(shè)計(jì)的性能與余量評(píng)估的最直接依據(jù)。我國(guó)在軌地球靜止軌道通信衛(wèi)星日益增多，積累的大量在軌溫度數(shù)據(jù)全面驗(yàn)證了熱設(shè)計(jì)、熱控產(chǎn)品和實(shí)施工藝的正確性與可靠性[3-7]。但在保證熱控系統(tǒng)功能和性能的條件下，還應(yīng)考慮航天器熱設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，使熱控系統(tǒng)功耗、質(zhì)量等資源消耗最少，研制費(fèi)用最少[8]。因此，在平臺(tái)成熟的熱控技術(shù)基礎(chǔ)上，優(yōu)化和減配非必要的熱控功率[9]，對(duì)提高衛(wèi)星平臺(tái)有效能力大有益處，但目前尚無(wú)對(duì)熱控功率經(jīng)濟(jì)性或熱控功率資源使用情況的研究。

本文結(jié)合通信衛(wèi)星熱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用飛行遙測(cè)數(shù)據(jù)分析電加熱器在軌實(shí)際使用規(guī)律，評(píng)估熱控功率余量，可為后續(xù)優(yōu)化功率預(yù)算、制定在軌功率管理策略和改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供支持。

1 在軌評(píng)估對(duì)象分析

對(duì)比我國(guó)主流通信衛(wèi)星平臺(tái)與國(guó)外空間客車-4000(Spacebus-4000)、LS-1300平臺(tái)的熱控功率預(yù)算，見(jiàn)表1，在通信衛(wèi)星A競(jìng)標(biāo)中，壽命末期的至點(diǎn)/分點(diǎn)/地影時(shí)，我國(guó)平臺(tái)熱控功率分別比Spacebus-4000C3平臺(tái)多286 W/338 W/91 W；基于LS-1300E平臺(tái)的衛(wèi)星B在至點(diǎn)/分點(diǎn)/地影時(shí)熱控功率分別為244.8 W/341.6 W/176.5 W，亦少于我國(guó)通信衛(wèi)星平臺(tái)。以上國(guó)外同類衛(wèi)星熱控功率預(yù)算占平臺(tái)設(shè)備功率的21.40%～34.02%。

表1 不同平臺(tái)衛(wèi)星熱控功率對(duì)比Table 1 Comparison of thermal control power of different platforms

選取我國(guó)主流平臺(tái)的某顆通信衛(wèi)星為研究對(duì)象，其已在軌正常運(yùn)行5年。通過(guò)遙測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星在軌運(yùn)行1～3天之后，平臺(tái)和載荷艙設(shè)備陸續(xù)達(dá)到溫度平衡，處于要求的溫度范圍內(nèi)，并有足夠的余量。

從采集到的遙測(cè)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)變量是周期變化的，例如衛(wèi)星南、北散熱面上的溫度變量是按照季節(jié)變化的，同時(shí)這些變量的變化中又存在一些局部的周期，例如一天的溫度是按照晝夜變化的，另夾雜一些細(xì)微干擾。總的來(lái)說(shuō)，在軌衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)的變化具有趨勢(shì)性、季節(jié)性和小幅隨機(jī)性。根據(jù)通信衛(wèi)星熱控制措施、地球靜止軌道外熱流的特點(diǎn)、設(shè)備溫度變化的規(guī)律，確定春分日、夏至日、秋分日和冬至日共4個(gè)極端工況進(jìn)行分析。

隨著在軌工作時(shí)間的增加，散熱面涂層和儀器設(shè)備效率在空間環(huán)境中退化，加熱器工作負(fù)荷周期將下降，因此，下面以衛(wèi)星壽命初期(第一年)的數(shù)據(jù)作為主要研究對(duì)象，得出客觀的加熱能力余量。

需要說(shuō)明的是，熱控功率預(yù)算并不是所有主份、備份加熱器設(shè)計(jì)功率的迭加，當(dāng)前是各工況中所用的平臺(tái)主份加熱器設(shè)計(jì)功率之和。后文在與“加熱器平均總功率”對(duì)比時(shí)，亦以“加熱器設(shè)計(jì)總功率”表示熱控功率預(yù)算。

2 熱控功率電流評(píng)估方法

2.1 基于電流的功率計(jì)算

從衛(wèi)星的在軌數(shù)據(jù)中查詢平臺(tái)加熱器的霍爾電流遙測(cè)參數(shù)，假設(shè)平臺(tái)共有加熱器n路，則計(jì)算來(lái)自供電母線的平臺(tái)加熱器瞬時(shí)總功率變化為

(1)

Pi=Ii×Ui/ηi，i=1,2,…,n

(2)

式中：Q為平臺(tái)加熱器的總功率；Pi為加熱器i的功率；Ii為加熱器i的霍爾電流；Ui為加熱器i的供電電壓；ηi為加熱器i的母線供電轉(zhuǎn)換效率。

對(duì)于航天器熱控制單元，其霍爾電流傳感器一般會(huì)同時(shí)處理多個(gè)加熱器通道，因此只能得到若干個(gè)加熱器的功率之和。

2.2 在軌功率評(píng)估

衛(wèi)星平臺(tái)加熱器第一年內(nèi)的各工況瞬時(shí)總功率見(jiàn)圖1～圖4，將瞬時(shí)總功率折合成衛(wèi)星供電母線提供的平臺(tái)加熱器日均總功率，見(jiàn)表2。

圖1 2015年冬至平臺(tái)加熱器總功率變化Fig.1 Total platform heaters power costs in winter solstice of 2015

圖2 2016年春分平臺(tái)加熱器總功率變化Fig.2 Total platform heaters power costs in spring equinox of 2016

圖3 2016年夏至平臺(tái)加熱器總功率變化Fig.3 Total platform heaters power costs in summer solstice of 2016

圖4 2016年秋分平臺(tái)加熱器總功率變化Fig.4 Total platform heaters power costs in autumn equinox of 2016

表2 根據(jù)霍爾電流參數(shù)計(jì)算的衛(wèi)星平臺(tái)加熱器日均總功率Table 2 Total daily average platform heaters power costs based on Hall current W

從圖1～圖4、表2可知：

(1)在地球靜止軌道，通信衛(wèi)星平臺(tái)的秋分日加熱器功率>春分日加熱器功率>夏至日加熱器功率>冬至日加熱器功率，并且二分日的加熱器功率波動(dòng)量>二至日的加熱器功率波動(dòng)量。

(2)加熱器總功率呈現(xiàn)明顯的波峰波谷。從衛(wèi)星母線中獲得的平臺(tái)加熱器最高瞬時(shí)總功率可到637.28 W，發(fā)生在2016年春分，超出分點(diǎn)566.23 W的設(shè)計(jì)總功率(加熱器最低瞬時(shí)總功率為0 W，發(fā)生在2018年夏至，低于至點(diǎn)364.28 W的設(shè)計(jì)總功率)。這是由于各個(gè)加熱器采取簡(jiǎn)單的高低溫閾值控制策略，存在設(shè)備溫度低至控溫閾值低溫限時(shí)同時(shí)開(kāi)啟加熱器，在設(shè)備溫度高至控溫閾值高溫限時(shí)同時(shí)關(guān)閉加熱器的情況。

(3)衛(wèi)星在軌第一年平均總功率余量為43.52%～51.89%，第三年平均總功率余量較穩(wěn)定，為53.11%～53.87%，熱控功率預(yù)算與在軌實(shí)際平均總功率偏差很大。應(yīng)在各加熱器高低溫閾值控制的基礎(chǔ)上，設(shè)置更高層面的統(tǒng)籌控制策略，將加熱器在軌道的工作時(shí)段盡量錯(cuò)開(kāi)，對(duì)總功率“削峰平谷”，降低總功率需求。

(4)隨著在軌時(shí)間增加，加熱器總功率降低。其中二至日的功率降幅(2年內(nèi)下降33.06～37.71 W)大于二分日(2年內(nèi)下降11.12～14.52 W)，同一年度的二分日或二至日加熱器平均總功率基本相當(dāng)。此趨勢(shì)符合前述隨著涂層和儀器設(shè)備效率在空間環(huán)境中退化，加熱器周期功耗下降的分析。

3 熱控功率開(kāi)關(guān)量評(píng)估方法

3.1 基于開(kāi)關(guān)量的占空比和功率計(jì)算

衛(wèi)星在軌飛行時(shí)可采用占空比作為表征加熱器持續(xù)工作負(fù)荷周期的方法，占空比為

φi=ton,i/t

(3)

式中：φi為加熱器i的占空比；ton,i為周期內(nèi)加熱器i的工作時(shí)間；t為周期時(shí)間。

對(duì)于航天器熱控制單元，可通過(guò)遙測(cè)通道下傳各個(gè)時(shí)間點(diǎn)每個(gè)加熱器電路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，進(jìn)而得到加熱器的開(kāi)關(guān)規(guī)律和各個(gè)時(shí)間段內(nèi)的占空比。

加熱器的占空比越高，設(shè)計(jì)功率的有效性越高，根據(jù)加熱器的占空比可進(jìn)行在軌衛(wèi)星加熱器功率使用率評(píng)價(jià)。同時(shí)，當(dāng)加熱器施加平均功率時(shí)，被控對(duì)象的溫度可維持在(TH+TL)/2附近(TH和TL分別表示加熱器控溫閾值的高溫限和低溫限)。計(jì)算單個(gè)加熱器的平均功率為

(4)

3.2 在軌占空比和功率評(píng)估

3.2.1 加熱器占空比

通過(guò)開(kāi)關(guān)量遙測(cè)數(shù)據(jù)可計(jì)算每個(gè)加熱器的占空比和平均功率，然后將若干路(設(shè)為N路)加熱器的平均功率之和除以加熱器的設(shè)計(jì)功率之和，即可得到N路加熱器的占空比。這里以衛(wèi)星的蓄電池加熱器和10 N推力器加熱器為例，給出占空比變化。

計(jì)算各工況下4路蓄電池主份加熱器的日均占空比(備份加熱器一直未啟動(dòng)，占空比為0)，見(jiàn)表3。

表3 蓄電池主份加熱器日均占空比Table 3 Daily average duty cycle of battery heaters

從表3可知：

(1)二分日占空比(放電模式)大于二至日占空比(擱置模式)，這主要由于擱置模式加熱器控溫閾值低于放電模式。

(2)同側(cè)蓄電池B模塊加熱器占空比高于A模塊，這是由于B模塊靠近其他設(shè)備的散熱面，受艙板熱傳導(dǎo)的影響，溫度低于A模塊。

(3)在壽命初期夏至(冬至)，太陽(yáng)照射衛(wèi)星的北板(南板)，對(duì)應(yīng)的北蓄電池(南蓄電池)加熱器仍然具有一定的占空比。

(4)隨在軌服務(wù)時(shí)間的增加，相同季節(jié)的占空比下降。

進(jìn)而計(jì)算2016年二分日的蓄電池主份加熱器時(shí)均占空比變化，見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 2016年春分蓄電池加熱器時(shí)均占空比變化Fig.5 Hourly average battery heaters duty cycle in spring equinox of 2016

圖6 2016年秋分蓄電池加熱器時(shí)均占空比變化Fig.6 Hourly average battery heaters duty cycle in autumn equinox of 2016

由圖5和圖6可知：同側(cè)兩模塊的外熱流相似，加熱器占空比的變化規(guī)律也相似。單個(gè)模塊加熱器的占空比最高為0.76，最低為0；4個(gè)模塊加熱器的平均占空比最高為0.67，最低為0.03。從時(shí)均角度看，如以4個(gè)模塊加熱器工作的平均功率之和268.79 W為控制目標(biāo)，在確保蓄電池溫度符合要求的同時(shí)，使功率可在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)分配給恰當(dāng)?shù)募訜崞?，可降低分點(diǎn)131.21 W的功率需求。

計(jì)算各工況下14路10 N推力器主份加熱器的總計(jì)日均占空比(備份加熱器一直未啟動(dòng)，占空比為0)，見(jiàn)表4。

表4 10 N推力器主份加熱器總計(jì)日均占空比Table 4 Total daily average duty cycle of 10N heaters

由表4可知：10 N推力器加熱器秋分占空比>春分占空比>冬至占空比>夏至占空比；隨在軌服務(wù)時(shí)間的增加，相同季節(jié)的占空比下降。計(jì)算2016年二分日的10 N推力器加熱器總計(jì)時(shí)均占空比變化，見(jiàn)圖7。

由圖7可知：10 N推力器加熱器在二分日的占空比變化規(guī)律相似；加熱器在午夜前后大于其余時(shí)段的占空比；北京時(shí)間第23 h在衛(wèi)星的地影期內(nèi)，加熱器工作時(shí)間最長(zhǎng)，春分日和秋分日在此時(shí)間段內(nèi)占空比分別高達(dá)0.64和0.70。

圖7 2016年二分日10 N主份加熱器時(shí)均占空比變化Fig.7 Total hourly average 10N heaters duty cycle in vernal and autumnal equinox of 2016

3.2.2 加熱器功率

根據(jù)衛(wèi)星平臺(tái)每個(gè)加熱器的占空比，計(jì)算每種平臺(tái)加熱器的日均功率，見(jiàn)表5。

表5 衛(wèi)星A平臺(tái)加熱器實(shí)際日均總功率Table 5 Total daily power costs of platform heaters W

由表5可知：

(1)在地球靜止軌道，10 N推力器、地球敏感器、動(dòng)量輪、管路、太陽(yáng)敏感器、蓄電池、電池板補(bǔ)償?shù)燃訜崞髌骄β什▌?dòng)不大，可以使用實(shí)際平均功率作為預(yù)算功率，并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)籌控制。

(2)除陀螺加熱器外，隨在軌服務(wù)時(shí)間的增加，其他各種加熱器在相同季節(jié)的占空比下降。為滿足陀螺在軌應(yīng)急使用的需求，在2016年春分日后將陀螺加熱器控溫閾值上調(diào)，導(dǎo)致主份加熱器在秋分前后功率不足使用，備份加熱器啟動(dòng)，陀螺加熱器總功率超出設(shè)計(jì)功率；對(duì)同樣控溫閾值、同季節(jié)的工況比較可得出，隨著在軌服務(wù)時(shí)間的增加，陀螺加熱器占空比亦下降。

然后根據(jù)每個(gè)加熱器的日均功率，計(jì)算得到衛(wèi)星供電母線提供的平臺(tái)加熱器日均總功率，見(jiàn)表6。

表6 根據(jù)加熱器開(kāi)關(guān)量計(jì)算的衛(wèi)星平臺(tái)加熱器日均總功率Table 6 Total daily average platform heaters power costs based on switching value W

從表6同樣可以得出，衛(wèi)星在軌第一年平臺(tái)加熱器總功率余量為48.20%～55.02%，第三年總功率余量為56.51%～58.19%，平臺(tái)加熱器具有較大的功率統(tǒng)籌優(yōu)化空間。

根據(jù)表6的加熱器總功率數(shù)據(jù)，在后續(xù)的國(guó)內(nèi)同類衛(wèi)星設(shè)計(jì)中，對(duì)于主動(dòng)式熱控部件，如嚴(yán)格按照國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)[10-11]，將平臺(tái)加熱器預(yù)留25%的多余控制能力作為熱不確定余量，即僅保持0.80的占空比，則熱控設(shè)計(jì)功率與LS-1300E平臺(tái)相當(dāng)。

比較表2和表6可知，根據(jù)霍爾電流參數(shù)統(tǒng)計(jì)的平臺(tái)加熱器總功率大于根據(jù)開(kāi)關(guān)量統(tǒng)計(jì)的平臺(tái)加熱器總功率，日均差值在15. 10～23.72 W之間，僅占設(shè)計(jì)總功率的3.10%～4.90%。這是由于加熱器電纜功率損耗、霍爾電流測(cè)量誤差和供電效率偏差綜合導(dǎo)致。

4 結(jié)束語(yǔ)

在軌熱控功率評(píng)估情況表明，目前國(guó)內(nèi)通信衛(wèi)星加熱器總功率余量大于48%，具有較大的優(yōu)化空間。衛(wèi)星在設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮加熱器工作占空比，以平均功率制定熱控功率預(yù)算，釋放峰值功率與平均功率之間的差值。以加熱器的平均功率進(jìn)行熱控功率預(yù)算，可節(jié)約整星功率資源。但需在熱控軟件中增加加熱器的功率統(tǒng)籌控制策略，以應(yīng)對(duì)在軌功率峰值需求。采用開(kāi)關(guān)量評(píng)估方法，利用遙測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算加熱器的占空比和平均功率，可以指導(dǎo)熱控系統(tǒng)性能改進(jìn)，合理設(shè)置加熱器，減少資源消耗。

本文的評(píng)估結(jié)果基于在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)，有著一定的使用約束，數(shù)據(jù)的選取時(shí)機(jī)、時(shí)間段的長(zhǎng)短影響著分析結(jié)果，在軌分析對(duì)象越多，熱控功率余量就越逼近實(shí)際情況。本文分析的熱控功率是基于衛(wèi)星正常工作狀態(tài)下的，當(dāng)其處于異常狀態(tài)時(shí)，載荷將釋放出大量的功率供給加熱器使用。因此使用本文提出的熱控功率評(píng)估方法，得出在軌平均功率，用于衛(wèi)星的熱控功率預(yù)算，不會(huì)出現(xiàn)異常狀態(tài)下的整星功率“缺口”。