李 君

(1.浙江長征職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能技術(shù)學(xué)院，杭州 310000; 2.浙江工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，杭州 310000)

0 引言

隨著全球各大國深空探測(cè)活動(dòng)的深入，探測(cè)范圍已擴(kuò)張到距離地球更遠(yuǎn)的土星，在探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)過程中，所處的環(huán)境復(fù)雜多變，對(duì)人類的熱控系統(tǒng)研究提出了更高的要求[1-3]。深空探測(cè)的主引力場(chǎng)已脫離地球，目前我國主要以月球和火星微深空探測(cè)對(duì)象，展開繞月探測(cè)、火星探測(cè)及空間探測(cè)等研究[4-5]。為了提升探測(cè)器對(duì)于深空環(huán)境適應(yīng)能力，需要保證在真空狀態(tài)內(nèi)，深空探測(cè)器能夠利用輻射完成與深空環(huán)境之間的熱交換，這樣極易導(dǎo)致探測(cè)器本身熱量累積過高導(dǎo)致其中斷工作[6-7]。

面對(duì)日益棘手的問題，很多專家展開了探測(cè)器相關(guān)的空間模擬研究，韓嘯等人基于參數(shù)化設(shè)計(jì)研究的空間環(huán)境模擬器集成設(shè)計(jì)，在空間環(huán)境模擬器模擬的實(shí)際需求基礎(chǔ)上，根據(jù)容器、熱沉等子系統(tǒng)的特點(diǎn)結(jié)合數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)，對(duì)所有子系統(tǒng)進(jìn)行相互協(xié)同的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)空間模擬的設(shè)計(jì)目的[8]；丘丙林等人根據(jù)地面標(biāo)定設(shè)計(jì)探測(cè)分析器系統(tǒng)，根據(jù)空間等離子體環(huán)境，利用真空室內(nèi)部要求需求對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)置，結(jié)合粒子束流衰減等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能齊全的模擬系統(tǒng)[9]。

雖然上述方法都能有效模擬出真空環(huán)境，但是對(duì)于要求更高的真空熱環(huán)境，系統(tǒng)需要進(jìn)一步升華，對(duì)此，本文設(shè)計(jì)了基于GIS的深空探測(cè)器真空熱環(huán)境模擬測(cè)試系統(tǒng)，滿足對(duì)月球進(jìn)行探測(cè)的熱環(huán)境測(cè)試要求。GIS是一種特定的地理信息系統(tǒng)，能夠針對(duì)環(huán)境進(jìn)行相關(guān)屬性、空間及缺陷等數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)可視化環(huán)境分析。由于月球表面最高溫和最低溫之間存在著310 ℃的溫差，系統(tǒng)在真空系統(tǒng)中的熱沉和紅外加熱籠部分進(jìn)行了更優(yōu)化的設(shè)計(jì)，并且通過實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)具備良好運(yùn)行的能力。

1 基于GIS的深空探測(cè)器真空熱環(huán)境模擬系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 深空探測(cè)器真空熱環(huán)境模擬系統(tǒng)組成

深空探測(cè)器真空熱環(huán)境測(cè)試系統(tǒng)主要由基于GIS的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、真空容器、真空抽氣系統(tǒng)、外熱流模擬系統(tǒng)及一些輔助系統(tǒng)構(gòu)成，深空探測(cè)器真空熱環(huán)境測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，深空探測(cè)器真空熱環(huán)境模擬系統(tǒng)由遠(yuǎn)程監(jiān)控站對(duì)深空環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至本地測(cè)控層，由外熱流系統(tǒng)及控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星及輻照環(huán)境的模擬，通過真空容器設(shè)計(jì)GIS環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、真空抽氣系統(tǒng)及外熱流模擬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)深空探測(cè)器真空熱環(huán)境的模擬。以下分別對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.2 真空抽氣系統(tǒng)

通過高真空抽氣、真空度測(cè)量及粗抽3個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)建成真空抽氣系統(tǒng)，為了確保旋片泵中的油蒸汽不發(fā)生返流現(xiàn)象，在粗抽管路中利用由羅茨泵和大抽速旋片泵組成的機(jī)組進(jìn)行液氮冷阱的設(shè)置，其中2臺(tái)主抽泵為低溫泵，抽速為30×103L/s；過渡泵為分子泵，同時(shí)具備檢漏作用，泵組與各組件之間采用高真空啟動(dòng)閥門進(jìn)行相互之間的連接，用以切斷或接通真空抽氣系統(tǒng)的抽氣過程[10]。該系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 真空抽氣系統(tǒng)原理示意圖

1.3 基于GIS的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

GIS系統(tǒng)的主要功能是針對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)到的屬性、空間、缺陷等數(shù)據(jù)空間特征的分析和展示，以及電子地圖平臺(tái)的操控。分3個(gè)步驟完成GIS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：

1)利用MapInfo設(shè)計(jì)工具對(duì)空間數(shù)據(jù)庫進(jìn)行設(shè)計(jì)，在VB系統(tǒng)中嵌入GIS控件MapX；

2)確定關(guān)系數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫的軟件；

3)傳感器與終端之間利用MSComm進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[11]。GIS環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 GIS環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 外熱流模擬系統(tǒng)

外熱流模擬系統(tǒng)的作用是對(duì)衛(wèi)星和輻照環(huán)境進(jìn)行模擬。該系統(tǒng)的主要構(gòu)件分別為加熱籠、數(shù)據(jù)采集組件、電源、控制系統(tǒng)等[12]。預(yù)設(shè)溫度與熱流計(jì)顯示溫度通過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行相互比較，然后針對(duì)電源的輸出功率通過單神經(jīng)自適應(yīng)PID控制算法展開實(shí)時(shí)控制，最后將加熱籠中的輻照熱流密度進(jìn)行調(diào)控，滿足溫度閉環(huán)控制的需求。

根據(jù)測(cè)試需求，定制的加熱籠加熱方式為紅外加熱，對(duì)于加熱區(qū)的溫度控制精度具有較高的要求，同時(shí)防輻射屏采用不銹鋼遮擋板，該遮擋板需要進(jìn)行鏡面拋光處理[13]。

2 基于GIS的深空探測(cè)器真空熱環(huán)境模擬系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在硬件結(jié)構(gòu)框架的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)深空探測(cè)器真空熱環(huán)境模擬系統(tǒng)的軟件流程。引入單神經(jīng)自適應(yīng)PID控制算法，控制紅外加熱籠的溫度變化，將溫控?cái)?shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控站，聯(lián)合真空抽氣系統(tǒng)、基于GIS的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及外熱流模擬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)探測(cè)器真空熱環(huán)境模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 單神經(jīng)自適應(yīng)PID控制算法

在深空探測(cè)器真空熱環(huán)境模擬測(cè)試系統(tǒng)中，對(duì)真空熱環(huán)境的模擬是研究重點(diǎn)。選擇紅外加熱籠作為加熱手段模擬真空熱環(huán)境，引入單神經(jīng)自適應(yīng)PID控制算法控制紅外加熱籠的溫度變化。

單神經(jīng)元的功率輸入信號(hào)分別設(shè)置為X1(k)、X2(k)和X3(k)，則功率輸入信號(hào)與誤差信號(hào)關(guān)系為：

X1(k)=e(k)

X2(k)=e(k)-e(k-1)

(1)

X3(k)=e(k)-2e(k-1)+e(k-2)

其中:e(k)表示誤差信號(hào)。

利用關(guān)聯(lián)搜索生成神經(jīng)元的控制信號(hào)，即：

uc(k)=uc(k-1)+Δuc(k)

(2)

(3)

其中:K為系數(shù)，用于表示神經(jīng)元的比例，且大于零，wi(k)和xi(k)為相互之間呈對(duì)應(yīng)關(guān)系的加權(quán)系數(shù)。

在PID控制過程中通過對(duì)3個(gè)加權(quán)系數(shù)的調(diào)整[14-15]，促使紅外加熱籠控制溫度隨著環(huán)境的變化而自適應(yīng)的調(diào)整，修正權(quán)值的公式為：

wi(k+1)=(1-C)wi(k)+ηe(k)uc(k)xi(k)

(4)

其中:C表示常數(shù)，取值區(qū)間為[0,1]，但在實(shí)際應(yīng)用中通常取值為0，η表示學(xué)習(xí)步長，且大于零。

根據(jù)式(4)可得:

Δwi(k)=wi(k+1)-wi(k)=

(5)

若wi(k)有函數(shù)對(duì)其進(jìn)行偏微分的求解，則：

(6)

將公式(6)代入公式(5)中，則：

(7)

其中:函數(shù)fi(·)與加權(quán)系數(shù)wi(k)呈相對(duì)應(yīng)關(guān)系，加權(quán)系數(shù)通過函數(shù)負(fù)梯度方向展開搜索修正，根據(jù)隨機(jī)逼近原理[16-18]顯示，當(dāng)常數(shù)C無限小的時(shí)候，加權(quán)系數(shù)則能收斂到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值，且保證與預(yù)期值相差很小，保持在允許誤差范圍之內(nèi)[19-20]。

采用規(guī)范化處理式(1)～(4)，依次確保算法具備更好的收斂性和魯棒性，處理公式為：

(8)

(9)

w1(k+1)=w1(k)+ηIe(k)uc(k)x1(k)

w2(k+1)=w2(k)+ηPe(k)uc(k)x2(k)

(10)

w3(k+1)=w3(k)+ηDe(k)uc(k)x3(k)

其中:ηI表示加權(quán)系數(shù)對(duì)應(yīng)的比例系數(shù)學(xué)習(xí)速率，ηP表示積分系數(shù)學(xué)習(xí)速率，ηD表示微分系數(shù)學(xué)習(xí)速率。根據(jù)式(10)調(diào)節(jié)PID參數(shù)，實(shí)現(xiàn)溫度隨環(huán)境的變化而自適應(yīng)調(diào)整。

2.2 深空探測(cè)器真空熱環(huán)境模擬流程

根據(jù)單神經(jīng)自適應(yīng)PID控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外加熱籠的溫度變化的控制，將控制輸出值與硬件結(jié)構(gòu)相連接，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)深空探測(cè)器真空熱環(huán)境的模擬，其流程如圖4所示。

圖4 異常數(shù)據(jù)分析試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比示意圖

如圖4所示，通過PID算法確定加熱籠的溫度變化并對(duì)其進(jìn)行控制，將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控站模擬深空探測(cè)器真空熱環(huán)境，根據(jù)GIS技術(shù)對(duì)深空探測(cè)器真空熱環(huán)境進(jìn)行模擬，通過真空抽氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)真空環(huán)境的模擬。據(jù)此，實(shí)現(xiàn)基于GIS的深空探測(cè)器真空熱環(huán)境模擬測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

以模擬的深空探測(cè)真空熱環(huán)境系統(tǒng)為試驗(yàn)對(duì)象，熱沉加工合格率最重要的指標(biāo)為漏檢率，利用氦質(zhì)譜檢漏儀針對(duì)系統(tǒng)的熱沉系統(tǒng)的機(jī)械泵機(jī)組進(jìn)行檢漏試驗(yàn)，采用噴吹法檢驗(yàn)焊縫漏率，氦罩法檢驗(yàn)總漏率。試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

在表1所示的試驗(yàn)參數(shù)下進(jìn)行深空探測(cè)器真空熱環(huán)境模擬測(cè)試，流程如圖5所示。

圖5 深空探測(cè)器真空熱環(huán)境模擬測(cè)試流程圖

為確保真空熱環(huán)境的可靠性，共設(shè)計(jì)了6組機(jī)械泵機(jī)組，通過漏檢率試驗(yàn)選取最優(yōu)機(jī)組作為真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部分，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 機(jī)械泵機(jī)組漏率結(jié)果示意圖

由圖6可知，設(shè)計(jì)的6組機(jī)械泵機(jī)組，焊縫漏率最低的為4號(hào)機(jī)組，總漏率最低的為5號(hào)機(jī)組，從綜合角度考量，5號(hào)機(jī)組為最優(yōu)機(jī)組，焊縫漏率和總漏率分別為0.78×10-10Pa·m3/s和4.82×10-10Pa·m3/s，漏率值在真空試驗(yàn)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，故整體系統(tǒng)采用5號(hào)泵組為系統(tǒng)組成部分。

采用復(fù)合真空機(jī)和真空規(guī)進(jìn)行真空抽氣試驗(yàn)，真空度測(cè)量值在105～10-6Pa范圍內(nèi)，采用載荷條件下展開試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 真空度變化示意圖

液氮輸入真空容器輔助子系統(tǒng)熱沉內(nèi)部靜置12小時(shí)后，熱沉內(nèi)部真空度值為3.3×10-5Pa，該結(jié)果與設(shè)計(jì)目標(biāo)值相比高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，表明真空抽氣系統(tǒng)具備良好抽氣效果。

在不同溫度工作狀態(tài)下進(jìn)行加熱籠的輻照熱流密度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 輻照熱流密度試驗(yàn)結(jié)果示意圖

由圖8可知，當(dāng)工作狀態(tài)處于1 800 ℃的極高溫度時(shí)，紅外加熱籠中各加熱區(qū)的輻照熱流密度平均為586 W/m2，當(dāng)?shù)陀?00 ℃的極低溫度時(shí)，加熱區(qū)的輻照熱流密度平均僅為27 W/m2，該結(jié)果完全滿足設(shè)計(jì)需求。

各支管內(nèi)的液氮流量分布直接影響著整體的制冷性能及各子系統(tǒng)溫度的均勻性，而影響液氮流量是否能夠分布均勻的關(guān)鍵因素為支管之間的距離和支管自身尺寸，支管距離對(duì)液氮流量的影響如圖9所示。

圖9 支管流速分布分析示意圖

圖9中的距離是指各支管與主管之間的間距，從分布結(jié)果可以看出，所有支管的流速均保持在0.26～0.40 m/s之內(nèi)，與主管之間的間距越小則支管流速越大，液氮流量分布不均會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)制冷能力下降。為此降低各支管與主管之間的間距，本系統(tǒng)將熱沉管路中各支管之間的距離設(shè)為0.15 m，采用靜壓分布和流量分布的方式進(jìn)行真空系統(tǒng)中的液氮流量流動(dòng)分布均勻性的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 支管流速分布結(jié)果示意圖

由圖10可知，采用本系統(tǒng)的支管配置后，各支管的流速均保持在0.356～0.374 m/s以內(nèi)，所有支管液氮流量分布較均勻，表明該設(shè)計(jì)方式能夠有效提高系統(tǒng)的制冷能力，保證各子系統(tǒng)的溫度均衡，間接提升系統(tǒng)的可靠性和有效性。

采用本文系統(tǒng)和文獻(xiàn)[8]基于參數(shù)化設(shè)計(jì)的空間環(huán)境模擬器系統(tǒng)和文獻(xiàn)[9]離子探測(cè)分析器地面標(biāo)定系統(tǒng)進(jìn)行異常數(shù)據(jù)的檢測(cè)率和誤報(bào)率的對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11 異常數(shù)據(jù)分析試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比示意圖

由圖11可知，本文系統(tǒng)的異常數(shù)據(jù)分析效果相對(duì)最好，平均檢測(cè)率為98.73%，比文獻(xiàn)[8]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[9]系統(tǒng)的平均檢測(cè)率分別高1.41%和2.87%；本文系統(tǒng)誤報(bào)率為0.18%，比文獻(xiàn)[8]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[9]系統(tǒng)的平均誤報(bào)率分別低1.41%和2.87%；表明本文基于GIS的深空探測(cè)器真空熱環(huán)境模擬測(cè)試系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)過程中，具備較好的異常數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)能力，能夠有效提升系統(tǒng)的有效性。

由于本文系統(tǒng)應(yīng)用GIS 對(duì)深空探測(cè)器真空熱環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并優(yōu)化設(shè)計(jì)了真空系統(tǒng)中的熱沉和紅外加熱籠部分，并一一優(yōu)化設(shè)計(jì)了環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、真空容器、真空抽氣系統(tǒng)、外熱流模擬系統(tǒng)及一些輔助系統(tǒng)，因此對(duì)深空探測(cè)器真空熱環(huán)境的模擬測(cè)試較為準(zhǔn)確。

4 結(jié)束語

基于GIS構(gòu)建的深孔探測(cè)器真空熱環(huán)境模擬測(cè)試系統(tǒng)，可解決大熱流對(duì)真空容器系統(tǒng)中的熱沉子系統(tǒng)產(chǎn)生的溫度和流量分布不均等問題，設(shè)計(jì)中對(duì)其采取了結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略，采用提升紅外加熱籠的溫度控制能力的方法，并結(jié)合地理信息系統(tǒng)GIS，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬深空熱環(huán)境的實(shí)時(shí)檢測(cè)和分析，該真空熱環(huán)境模擬測(cè)試系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。