小衛(wèi)星高精度熱控方法研究.pdf

1、維持航天器在軌正常工作，需要熱控系統(tǒng)為它提供良好的工作環(huán)境。隨著航天技術(shù)發(fā)展，星載電子技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)控溫精度的要求也越來越高，有些達(dá)到了毫K級(jí)，甚至更高。近年來，隨著小衛(wèi)星及微納衛(wèi)星的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的利用熱控技術(shù)結(jié)合輔助結(jié)構(gòu)的機(jī)熱一體化設(shè)計(jì)方法，已經(jīng)不能適應(yīng)小衛(wèi)星及微納衛(wèi)星對(duì)熱控系統(tǒng)高精度、高可靠性、輕重量和低成本的苛刻要求。
　　為了解決當(dāng)前微納衛(wèi)星星上熱控資源和小衛(wèi)星高精度控溫所面臨的問題，本文對(duì)新型低成本高精度測(cè)溫方法、某星

2、敏感器系統(tǒng)高精度熱控方案和高精度熱控系統(tǒng)總體分級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法等三個(gè)方面進(jìn)行了系統(tǒng)的理論、仿真和實(shí)驗(yàn)研究，由局部到整體，為小衛(wèi)星高精度熱控方法提供解決思路。
　　首先，為了解決微納衛(wèi)星星上測(cè)溫路數(shù)不足問題及減輕測(cè)溫電纜網(wǎng)重量，本文首先探討了利用數(shù)字溫度傳感器代替熱敏電阻測(cè)溫的新型低成本測(cè)溫方案，搭建了空間環(huán)境多點(diǎn)測(cè)溫的適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用該平臺(tái)研究了基于1-Wire商用數(shù)字測(cè)溫傳感器DS18B20在空間環(huán)境下的測(cè)溫性能及空間適應(yīng)性，

3、并將DS18B20測(cè)溫方法應(yīng)用于XW-2微納衛(wèi)星，開展了基于微納衛(wèi)星的星載接口、硬件和軟件設(shè)計(jì)，對(duì)該測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行了地面和在軌實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，真空條件下，基于1-Wire商用數(shù)字測(cè)溫器件DS18B20在-50℃～100℃溫度范圍內(nèi)與熱電偶的測(cè)溫結(jié)果一致，測(cè)溫精度高，穩(wěn)定性能好;通過地面和在軌實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，該低成本測(cè)溫技術(shù)可以滿足星上測(cè)溫要求;并且相對(duì)于傳統(tǒng)熱敏電阻，該測(cè)溫方法節(jié)省了近32％的測(cè)溫電纜網(wǎng)重量。本文的研究為星上設(shè)備

4、測(cè)溫提供一種新的測(cè)溫手段，為數(shù)字溫度傳感器在衛(wèi)星的精確測(cè)溫奠定了基礎(chǔ)。
　　針對(duì)某一具體星敏感器組合體系統(tǒng)，本文通過對(duì)所提出的三種熱控設(shè)計(jì)方案分析和比較，得到了基于高熱導(dǎo)率結(jié)構(gòu)一體化星敏感器組合體系統(tǒng)熱控設(shè)計(jì)方案為最優(yōu)熱控設(shè)計(jì)方案。針對(duì)最優(yōu)熱控設(shè)計(jì)方案，從多層隔熱材料當(dāng)量輻射率、高導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)厚度和高熱導(dǎo)率材料熱導(dǎo)率大小三方面開展了熱控參數(shù)影響分析，分析結(jié)果表明多層當(dāng)量輻射率影響較小，而結(jié)構(gòu)厚度和熱導(dǎo)率影響較大;進(jìn)一步分析表明采用4m

5、m厚的C-C石墨材料代替銅條，可使得星敏支架上兩點(diǎn)最大溫差由3.18℃減少到2.43℃，控溫效果得到較大改善的同時(shí)使得導(dǎo)熱材料重量也由2.5Kg降到0.7Kg。因此，本文提出選擇采用4mm厚的C-C石墨材料作為高熱導(dǎo)率結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)材料，仿真結(jié)果表明采用該熱控設(shè)計(jì)方案，可實(shí)現(xiàn)星敏支架在軌預(yù)示溫差不大于2.43℃，星敏安裝法蘭在軌預(yù)示溫度為7.47℃～8.93℃，能很好地滿足星敏感器組合件系統(tǒng)溫度指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)方案合理可行。該熱控設(shè)計(jì)方案可以為

6、同類具有較高控溫精度的設(shè)備熱控設(shè)計(jì)提供參考。
　　為了滿足未來小衛(wèi)星高精度熱控的需求，本文提出了基于分級(jí)結(jié)構(gòu)和PID控溫算法相結(jié)合的高精度熱控方法，并通過建立虛擬衛(wèi)星模型對(duì)該方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證研究。該方法的基本原理是將衛(wèi)星熱控區(qū)域劃分為外圍熱控區(qū)、過渡熱控區(qū)和核心熱控區(qū)，根據(jù)不同的熱控指標(biāo)要求將設(shè)備放置在對(duì)應(yīng)熱控區(qū)域，將具有高精度指標(biāo)的設(shè)備放置在核心熱控區(qū)，各熱控區(qū)采用隔熱設(shè)計(jì)相互獨(dú)立;在上述分級(jí)結(jié)構(gòu)熱控基礎(chǔ)上結(jié)合PID控溫算法實(shí)現(xiàn)

7、核心區(qū)敏感單元的精確控溫。基于上述原理建立了虛擬衛(wèi)星中敏感單元分級(jí)結(jié)構(gòu)和PID控溫算法相結(jié)合的高精度控溫局部模型，對(duì)其開展了理論和仿真分析，對(duì)影響分級(jí)熱控的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了影響分析。研究結(jié)果表明采用基于分級(jí)結(jié)構(gòu)和PID算法相結(jié)合的高精度熱控方法可以實(shí)現(xiàn)的敏感單元控溫精度優(yōu)于±0.01℃。影響控溫精度的關(guān)鍵參數(shù)包括過渡熱控區(qū)內(nèi)表面發(fā)射率εt、核心熱控區(qū)外表面發(fā)射率εc、核心熱控區(qū)內(nèi)表面發(fā)射率εi、核心熱控區(qū)內(nèi)部等效發(fā)射率εi/o、設(shè)備表面發(fā)

8、射率εeq、安裝底板發(fā)射率εd、設(shè)備安裝隔熱墊熱導(dǎo)率λ、設(shè)備質(zhì)量m、設(shè)備熱耗Pe以及帶PID控溫算法補(bǔ)償加熱功率u（t)(KP/TI(s）/TD(s））。其中參數(shù)εt，εeq和εd越大，溫度水平越低，平衡時(shí)間越短;參數(shù)εi/o越大，平衡時(shí)間越長，控溫精度越差，溫度水平越低，參數(shù)εi/o對(duì)控溫精度影響最大;參數(shù)εt和εc越大，溫度水平越低;熱導(dǎo)率λ越大，控溫精度越差，溫度水平低;參數(shù)Pe越大，溫度水平更高，平衡時(shí)間越長;參數(shù)m越大能，平衡

9、時(shí)間越長;帶PID控溫算法補(bǔ)償加熱功率u(t)(KP/TI(s)/TD(s))僅僅影響控溫精度，合理選取其參數(shù)可獲得更好的控制精度。
　　為了更進(jìn)一步驗(yàn)證分級(jí)結(jié)構(gòu)和PID控溫算法相結(jié)合的高精度控溫方法的有效性，本文研制了高精度溫控單元原理樣機(jī)，并用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)基于分級(jí)結(jié)構(gòu)和PID控溫算法相結(jié)合的高精度控溫方法進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明采用基于分級(jí)結(jié)構(gòu)和PID控溫算法相結(jié)合的高精度控溫方法可實(shí)現(xiàn)控溫精度優(yōu)于±0.025℃，高精度溫控單元原