大功率通信衛(wèi)星熱真空試驗(yàn)閉環(huán)控溫方法

劉 剛，李正舉，朱 熙，謝偉華，李向陽(yáng)

（1. 中國(guó)空間技術(shù)研究院 通信衛(wèi)星事業(yè)部； 2. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所：北京 100094）

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星技術(shù)的迅猛發(fā)展，衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量激增，軌位資源越來(lái)越緊張，使得地球同步軌道通信衛(wèi)星趨向大容量、大功率發(fā)展，大功率衛(wèi)星的功率已經(jīng)普遍達(dá)到或超過(guò)10 kW量級(jí)[1]。歐美正在發(fā)展15、20 kW級(jí)的衛(wèi)星平臺(tái)，未來(lái)還可能增加到25 kW；下一代GEO通信衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣的末期分點(diǎn)功率將達(dá)到30 kW以上[2]。大功率通信衛(wèi)星發(fā)熱量大、真空狀態(tài)下只能依靠輻射散熱，因此星上設(shè)備的溫度安全余量較?。患又l(wèi)星熱真空試驗(yàn)通常要求對(duì)星上設(shè)備溫度進(jìn)行拉偏考核，而星上大功率設(shè)備進(jìn)行開(kāi)/關(guān)機(jī)操作時(shí)會(huì)造成較大的溫度波動(dòng)[3]，因此大功率通信衛(wèi)星熱真空試驗(yàn)的控溫具有較大風(fēng)險(xiǎn)，特別是進(jìn)行手動(dòng)操作時(shí)容易出現(xiàn)失誤。為解決上述難題，必須發(fā)展穩(wěn)定、可靠的衛(wèi)星熱真空試驗(yàn)自動(dòng)控溫技術(shù)。

本文利用PID控制原理，成功在某大功率通信衛(wèi)星整星熱真空試驗(yàn)中進(jìn)行閉環(huán)自動(dòng)控溫，控溫精度達(dá)到±0.5 ℃，圓滿完成了試驗(yàn)任務(wù)。

1 通信衛(wèi)星熱真空試驗(yàn)控溫原理

通信衛(wèi)星進(jìn)行熱真空試驗(yàn)時(shí)處于高真空低溫冷黑環(huán)境，其每一艙段將自身產(chǎn)生的熱量、吸收的外熱流以及吸收其他艙段的導(dǎo)熱和輻射熱流轉(zhuǎn)換成自身的內(nèi)能或者通過(guò)散熱面輻射到熱沉中。因依據(jù)能量守恒原理可得到每一分區(qū)的熱力學(xué)方程[4-5]

式中：M、C、T、A分別為該分區(qū)的質(zhì)量、比熱容、溫度、散熱面面積；σ、ε、t分別為 Stefan-Boltzmann 常數(shù)、發(fā)射率、時(shí)間；Tsh為熱沉溫度；αs、S分別為外熱流吸收率和外熱流密度；Pw、Pλ、Pr分別為該分區(qū)的熱耗、吸收相鄰分區(qū)導(dǎo)熱的功率、吸收相鄰分區(qū)熱流輻射的功率。

在衛(wèi)星進(jìn)行熱真空試驗(yàn)時(shí)，需要依據(jù)式(1)調(diào)整每一分區(qū)的外熱流密度S和熱耗Pw來(lái)達(dá)到控制該分區(qū)溫度或者升/降溫速率的目的。

2 大功率通信衛(wèi)星熱真空試驗(yàn)閉環(huán)控溫方法

通信衛(wèi)星整星熱真空試驗(yàn)通常要求衛(wèi)星在真空環(huán)境下經(jīng)歷至少4次高/低溫循環(huán)，試驗(yàn)的主要階段包括升溫或降溫階段、高/低溫停留階段和回溫復(fù)壓階段[6]。在升溫或降溫階段，星上儀器設(shè)備開(kāi)/關(guān)機(jī)狀態(tài)保持不變；隨著衛(wèi)星溫度的變化，熱沉溫度會(huì)有小幅變化，各分區(qū)升/降溫速率不同會(huì)導(dǎo)致Pλ和Pr發(fā)生小幅波動(dòng)。在高/低溫停留階段，需要進(jìn)行大量的儀器設(shè)備開(kāi)/關(guān)機(jī)操作，因而各分區(qū)熱耗Pw會(huì)有較大波動(dòng)。在回溫復(fù)壓階段，熱沉溫度需要從80 K左右升到約280K，如此大幅的溫度變化會(huì)對(duì)衛(wèi)星控溫造成較大影響[7]。為了應(yīng)對(duì)上述各種擾動(dòng)因素，使衛(wèi)星溫度按照提前設(shè)定的控溫曲線變化，需要合理安排各階段各分區(qū)加熱器的開(kāi)/關(guān)狀態(tài)以控制各分區(qū)溫度場(chǎng)和熱耗。大功率通信衛(wèi)星通常會(huì)設(shè)計(jì)熱管網(wǎng)絡(luò)將星上設(shè)備連接成不同的熱分區(qū)，熱管網(wǎng)絡(luò)的溫度是星上設(shè)備的基礎(chǔ)溫度。星上大功率設(shè)備開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī)狀態(tài)間存在較大的溫度差，因此直接以星上大功率設(shè)備的溫度作為控溫目標(biāo)很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控溫，目前常用的做法是利用紅外加熱裝置對(duì)星上熱管網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行閉環(huán)自動(dòng)控溫，通過(guò)合理設(shè)置熱管網(wǎng)絡(luò)的控溫參數(shù)來(lái)控制星上設(shè)備溫度。

2.1 熱管網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)控溫

紅外加熱裝置輸出熱流變化范圍大并且可以連續(xù)調(diào)節(jié)，比較適合作為閉環(huán)控溫的手段。利用紅外加熱裝置進(jìn)行通信衛(wèi)星熱真空試驗(yàn)閉環(huán)控溫的原理如圖1所示[8-10]。

圖1 溫度閉環(huán)控制原理Fig.1 Flowchart for closed-loop temperature control

圖1 中，由控制器依據(jù)采集到的溫度TN與目標(biāo)溫度Tr的差值e，利用PID算法計(jì)算控制量u[11]：

式中：Kp、Ti、Td分別為比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)。利用式(3)計(jì)算出控制量u后即可確定所需施加給紅外加熱裝置的輸入電流I的改變量，進(jìn)而達(dá)到控制衛(wèi)星對(duì)應(yīng)分區(qū)所需外熱流S的目的?？刂屏縰與紅外加熱裝置輸入電流I間以及電流I與輸出熱流密度S間的關(guān)系均由紅外加熱裝置的自身特性決定。

為了降低溫度超調(diào)量，在升/降溫過(guò)程中使衛(wèi)星按照某一設(shè)定曲線逐步逼近最終目標(biāo)溫度。該曲線主要包括溫度的直線上升段（或下降段）與逼近段，在直線上升段（或下降段）衛(wèi)星溫度按照設(shè)定區(qū)間的升/降溫速率變化；在逼近段衛(wèi)星升/降溫速率按指數(shù)衰減。升/降溫過(guò)程控制溫度曲線如圖2所示，逼近段曲線方程為

圖2 升/降溫過(guò)程溫度曲線Fig.2 Curve of temperature changes in the control process

2.2 星上設(shè)備控溫

在整星熱真空試驗(yàn)的高溫段，大功率通信衛(wèi)星的控溫風(fēng)險(xiǎn)主要是星內(nèi)大功率設(shè)備開(kāi)機(jī)時(shí)的溫度容易超過(guò)其驗(yàn)收高溫或者準(zhǔn)鑒定級(jí)高溫。大功率設(shè)備的溫度比分區(qū)內(nèi)其他設(shè)備的溫度更高，其熱耗主要通過(guò)2種路徑傳遞到熱管網(wǎng)絡(luò)：一是通過(guò)導(dǎo)熱將大部分熱量直接傳遞到熱管網(wǎng)絡(luò)；二是通過(guò)輻射換熱將部分熱量傳遞到其他溫度較低的設(shè)備上，然后由其他設(shè)備將此部分熱量再傳遞到熱管網(wǎng)絡(luò)。大功率設(shè)備的特征點(diǎn)溫度與熱管網(wǎng)絡(luò)溫度間的差值取決于導(dǎo)熱傳遞的熱量和導(dǎo)熱路徑上的熱阻，因此用每臺(tái)大功率設(shè)備的最大熱耗除以熱阻即可得到該設(shè)備特征點(diǎn)溫度與熱管網(wǎng)絡(luò)溫度差的上限值，用每臺(tái)設(shè)備所能允許的最高溫度減去其與熱管網(wǎng)絡(luò)的溫差上限值即可得到該設(shè)備所能承受的熱管網(wǎng)絡(luò)最高溫度。大功率設(shè)備與熱管網(wǎng)絡(luò)之間的導(dǎo)熱功率不可能超過(guò)其最大熱耗，因此依據(jù)上述算法計(jì)算出的熱管網(wǎng)絡(luò)最高溫度是保守的、安全的。實(shí)際試驗(yàn)中，再考慮不同設(shè)備的溫度拉偏量和安全余量即可確定每一分區(qū)的高溫段的熱管網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)溫度；也可依據(jù)以往型號(hào)同類設(shè)備的工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或者整星熱分析結(jié)果來(lái)確定大功率設(shè)備與熱管網(wǎng)絡(luò)溫差的上限值。如此，在整星熱真空試驗(yàn)高溫段嚴(yán)格控制熱管網(wǎng)絡(luò)的最高溫度即可達(dá)到控制星上設(shè)備溫度的目的，并且能夠確保安全。

在整星熱真空試驗(yàn)的低溫段，星上設(shè)備溫度通常都高于熱管網(wǎng)絡(luò)溫度，因此可以通過(guò)控制每一熱分區(qū)的熱管網(wǎng)絡(luò)的最低溫度來(lái)達(dá)到控制該分區(qū)設(shè)備溫度的目的。

3 某大功率通信衛(wèi)星熱真空試驗(yàn)閉環(huán)控溫

某大功率通信衛(wèi)星整星熱真空試驗(yàn)在北京航天城KM7A真空模擬器中進(jìn)行，試驗(yàn)全程通過(guò)閉環(huán)控溫完成熱真空下溫度自動(dòng)控制。試驗(yàn)中用到的PID閉環(huán)控溫軟件由北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所提供，所需PID控制參數(shù)通過(guò)自整定試驗(yàn)獲取。

3.1 閉環(huán)控溫參數(shù)自整定試驗(yàn)

為更加合理地設(shè)置熱管網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)控溫參數(shù)，選定星上部分典型的熱分區(qū)進(jìn)行閉環(huán)控溫自整定試驗(yàn)，各分區(qū)的自整定試驗(yàn)均可在1 h內(nèi)完成。通過(guò)自整定試驗(yàn)確定的各分區(qū)在目標(biāo)溫度附近最優(yōu)PID控制參數(shù)如表1所示，其中分區(qū)1的自整定試驗(yàn)過(guò)程中的熱管網(wǎng)絡(luò)溫度曲線見(jiàn)圖3。由于最優(yōu)PID控制參數(shù)會(huì)隨溫度、熱容、熱耗等參數(shù)發(fā)生變化，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中都以最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行控制是難以實(shí)現(xiàn)的。為降低控制程序的復(fù)雜性，提高通用性，依據(jù)表1結(jié)果將各分區(qū)的PID參數(shù)統(tǒng)一調(diào)整為Kp=4.5、Ti=8 min、Td=2 min。

表1 PID 控溫參數(shù)自整定試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of the PID self-tuning tests

圖3 自整定試驗(yàn)過(guò)程中熱管網(wǎng)絡(luò)溫度曲線Fig.3 Temperatures of the heat pipes during self-tuning test

3.2 整星閉環(huán)控溫?zé)嵴婵赵囼?yàn)

利用第2章所述方法進(jìn)行整星閉環(huán)控溫試驗(yàn)，PID控溫參數(shù)設(shè)置如3.1節(jié)所述，升/降溫過(guò)程逼近段的ΔT設(shè)置為0.2 ℃。依據(jù)衛(wèi)星熱管網(wǎng)絡(luò)布局、星內(nèi)電子設(shè)備布局及衛(wèi)星散熱面設(shè)置情況進(jìn)行熱分區(qū)劃分。為了降低不同熱分區(qū)之間的耦合，盡量將同一熱管連通的區(qū)域劃分為同一熱分區(qū)。在升溫段和高溫停留段，PID控制程序依據(jù)每個(gè)熱分區(qū)內(nèi)熱管網(wǎng)絡(luò)溫度的最大值進(jìn)行控溫；在降溫段和低溫停留段，PID控制程序依據(jù)每個(gè)熱分區(qū)內(nèi)熱管網(wǎng)絡(luò)溫度的最低值進(jìn)行控溫。為了防止出現(xiàn)控溫計(jì)算機(jī)或者控制程序停止工作，溫度數(shù)據(jù)采集器停止工作或者出現(xiàn)假值等各種意外情況，各個(gè)熱分區(qū)均單獨(dú)設(shè)置1個(gè)紅外加熱裝置電流安全限制值。對(duì)星上重點(diǎn)設(shè)備的溫度拉偏情況和安全余量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并設(shè)置了安全余量過(guò)小時(shí)監(jiān)控程序自動(dòng)報(bào)警功能，制定了詳細(xì)的意外情況應(yīng)急預(yù)案。衛(wèi)星典型分區(qū)的熱管網(wǎng)絡(luò)溫度曲線如圖4所示，星上主要熱分區(qū)的熱管網(wǎng)絡(luò)溫度超調(diào)量見(jiàn)表2。表中的高溫段和低溫段為包含溫度穩(wěn)定、溫度保持、高/低溫性能測(cè)試在內(nèi)的完整的高/低溫階段。由圖4和表2可以看出，熱管網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)控溫效果良好，各分區(qū)熱管溫度曲線光滑平整、波動(dòng)較小，主要熱分區(qū)的溫度超調(diào)量均在±0.5 ℃以內(nèi)，星上所有設(shè)備控溫均達(dá)到預(yù)期效果，圓滿完成了試驗(yàn)控溫任務(wù)。

圖4 典型分區(qū)熱管網(wǎng)絡(luò)溫度曲線Fig.4 Temperatures in typical partitions of the heat pipes

表2 主要分區(qū)的熱管網(wǎng)絡(luò)溫度超調(diào)量Table 2 Temperature overshoot in the main partitions of the heat pipes℃

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了大功率通信衛(wèi)星熱真空試驗(yàn)閉環(huán)控溫原理，應(yīng)用PID閉環(huán)控制方法完成了某大功率通信衛(wèi)星熱真空試驗(yàn)的自動(dòng)控溫任務(wù)，控溫效果滿足試驗(yàn)要求，精度達(dá)到±0.5 ℃。

本文的試驗(yàn)控溫方法與相關(guān)的閉環(huán)控溫參數(shù)可為同類衛(wèi)星熱真空試驗(yàn)的控溫工作提供參考，具備一定的推廣價(jià)值。