神舟載人飛船流體回路動態(tài)仿真研究

付 楊，范宇峰，于新剛，曹劍峰

(北京空間飛行器總體設(shè)計部空間熱控技術(shù)北京市重點實驗室，北京100094)

1 引言

流體回路系統(tǒng)在現(xiàn)今的大型航天器上得到了廣泛的應(yīng)用，例如國際空間站，我國的神舟飛船和天宮一號飛行器［1］。整個流體回路是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，包括散熱、流動、補(bǔ)償?shù)榷喾N功能。在實際飛行過程中，整個系統(tǒng)會受到多方面的影響，比如飛行姿態(tài)的變化造成外熱流的變化，并對輻射器的散熱能力造成影響;大功耗設(shè)備的開關(guān)會使系統(tǒng)散熱能力突然增加或減小;溫度控制點的變化影響系統(tǒng)運行狀態(tài)等。這就需要流體回路系統(tǒng)具有較好的控制穩(wěn)定性，對系統(tǒng)的控制策略和算法有較高的要求。

國內(nèi)，張立等［2］對單相流體回路的熱性能和流動性能等進(jìn)行了研究，并在SINDA/FLUINT下建立了仿真模型。付仕明等［3］使用 SINDA/FLUINT模型對大型航天器的回路系統(tǒng)進(jìn)行建模。徐向華等［4］對流體回路進(jìn)行了建模，并分析了系統(tǒng)重量與設(shè)計流量的關(guān)系。趙亮等［5］對航天器的流體回路系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并比較了多種控制方法的控制性能。上述建模中主要對系統(tǒng)部件進(jìn)行數(shù)學(xué)理論建模，并主要用于系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析，由于數(shù)學(xué)模型與實際有差異，較難應(yīng)用于動態(tài)分析，國內(nèi)的動態(tài)建模仿真數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)的比較還未見報道。

對于實際控制算法和策略的優(yōu)化，較為精確、和實際部件吻合較好的仿真模型顯得尤為重要。本文以我國神舟飛船流體回路系統(tǒng)為物理模型，在Flowmaster軟件下對部件進(jìn)行建模，并通過部件的實際性能進(jìn)行修正，得到與實際相吻合的部件的動態(tài)模型，在此基礎(chǔ)上建立流體回路仿真模型，并對仿真結(jié)果與實際數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較。

2 神舟飛船流體回路部件建模與仿真

流體回路部件眾多，各個部件功能不同。流體回路系統(tǒng)通常由泵、補(bǔ)償器、液-液換熱器、氣液換熱器、冷板、溫控閥和輻射器等組成。典型的流體回路原理如圖1所示。［6］

圖1 典型流體回路原理圖Fig.1 The schematic diagram of a typical liquid loo p

在建模過程中，需要考慮每個部件傳熱和流動的特性。輻射器是唯一的散熱設(shè)備，其動態(tài)特性決定了系統(tǒng)的散熱特性;溫控閥為主要的控溫作動部件，其流體調(diào)節(jié)特性決定了系統(tǒng)的控制特性;補(bǔ)償器作為系統(tǒng)壓力補(bǔ)償部件，同時決定了流體回路的工作壓力。泵為系統(tǒng)動力提供部件，其工作狀態(tài)決定了系統(tǒng)的壓力和流量。其余的部件為熱量的輸入輸出部件，如換熱器和冷板，其他無傳熱特性的部件可以作為流動阻力部件進(jìn)行模擬。下面對流體回路中輻射器、補(bǔ)償器、溫控閥、泵、冷板和換熱器的建模進(jìn)行具體分析。

2.1 輻射器

流體回路輻射器主要結(jié)構(gòu)由管路與其相連接的蒙皮構(gòu)成，管路相間分布［7］?？梢院喕椛淦鱾鳠釂卧鐖D2所示［8］。

圖2 輻射器單元傳熱過程示意圖Fig.2 The schematic diagram of the heat transfer in the radiator unit

輻射器工作原理為:流體回路收集飛行器設(shè)備的散熱，并通過流體回路工質(zhì)與輻射器管壁的對流換熱傳遞到輻射器管壁，再通過輻射器結(jié)構(gòu)的熱量傳導(dǎo)分散到輻射器表面，最后通過輻射器表面輻射到外層空間。輻射器傳熱過程是對流、導(dǎo)熱和輻射的綜合過程，輻射器傳熱的性能由這三種形式?jīng)Q定。

對輻射器蒙皮散熱進(jìn)行分析，從輻射器蒙皮與流體管連接處向兩側(cè)進(jìn)行傳熱單元的劃分，其散熱示意圖如圖3所示。

圖3 輻射器蒙皮換熱示意圖Fig.3 The schematic diagram of the heat transfer in the radiator plate

以第n個傳熱單元為例，當(dāng)熱平衡時，翅片溫度不變，熱容不變，遵循公式(1)。

式中:dQn－1為第n－1個單元向第n個單元傳遞的熱量，dQn為第n個單元向第n+1個單元傳出的熱量。dQ外熱流為單元所受的外熱流熱量。dQ輻射散熱為第n單元外表面輻射散熱量，其遵循斯蒂芬-波爾茲曼定律。

輻射器散熱動態(tài)模型必須考慮輻射器的熱容，包括輻射器管路內(nèi)工質(zhì)的熱容和輻射器本身的熱容。我們使用Flowmaster提供的熱橋部件中設(shè)置液體體積對工質(zhì)的熱容進(jìn)行模擬，使用附件質(zhì)量部件來對輻射器結(jié)構(gòu)熱容進(jìn)行模擬。附加質(zhì)量的傳熱特性可以表示為公式(2)［9］。

式中，Qmass為輻射器輻射散熱量，h為換熱系數(shù)，Tmass為輻射器溫度，T工質(zhì)為工質(zhì)溫度，Cp為輻射器材料的比熱容，Mmass為輻射器質(zhì)量，ΔTmass為輻射器溫度變化。

2.2 補(bǔ)償器

補(bǔ)償器工作原理為:在一密封容器中充入一部分氣體，當(dāng)管路內(nèi)工質(zhì)由于溫度升高而體積膨脹時，工質(zhì)流入補(bǔ)償器，壓縮氣體，氣體體積減小;當(dāng)管路內(nèi)工質(zhì)由于溫度降低而體積縮小時，工質(zhì)流出補(bǔ)償器，氣體體積增大。利用氣體的體積變化補(bǔ)償流體回路工質(zhì)體積的變化，從而維持管路內(nèi)壓力在一定合適范圍。其工作原理圖如圖4所示［10］。

圖4 補(bǔ)償器工作原理圖Fig.4 The working principle of the accumulator

補(bǔ)償器工作時，各個時刻(0…n)其氣體部分遵循公式(3)［9］。

式中:P0…Pn和V0…Vn分別代表不同時刻氣體的壓力和體積。

通過建立流體工質(zhì)的物性曲線，在仿真的過程中根據(jù)工質(zhì)溫度實時計算工質(zhì)的物性參數(shù)，可以模擬工質(zhì)由于熱脹冷縮造成的體積變化，反應(yīng)在模型部件進(jìn)出口體積流量的不同。例如輻射器出口溫度低于入口溫度，其出口的體積流量小于入口體積流量。流體回路模型各部件中體積變化最終反映在補(bǔ)償器液位隨環(huán)境溫度的周期性變化上。

2.3 溫控閥

溫控閥為流體回路的控溫部件。為了使泵在一個合理的范圍內(nèi)工作，神舟飛船流體回路溫控閥采用三通設(shè)計，通過調(diào)節(jié)溫控閥去往輻射器流量的大小，來實現(xiàn)溫度的調(diào)節(jié)。

對溫控閥的建模主要是模擬溫控閥對流量的分配，本文通過對系統(tǒng)流阻進(jìn)行匹配建模來實現(xiàn)溫控閥對流量的分配。實際溫控閥的轉(zhuǎn)動受電機(jī)轉(zhuǎn)速的限制，在溫控閥仿真中，對每時刻的開度編寫程序進(jìn)行模擬，以達(dá)到與實際情況相吻合。

2.4 泵

泵為系統(tǒng)工質(zhì)流動提供動力，驅(qū)動流體在系統(tǒng)中循環(huán)流動。對泵的建模需要構(gòu)建泵的實際工作狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)中閥門動作時，系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化，流動阻力也發(fā)生相應(yīng)變化。泵的流量與壓頭需要與系統(tǒng)阻力相匹配［1］。為了模擬泵隨系統(tǒng)阻力變化輸出流量和壓頭的不同，通過分析泵試驗數(shù)據(jù)，建立泵壓頭與流量曲線，泵轉(zhuǎn)矩與流量曲線。在系統(tǒng)模擬運算中，根據(jù)系統(tǒng)阻力與流量對泵狀態(tài)進(jìn)行求解，從而得到泵實際運行狀態(tài)。

2.5 冷板和換熱器

冷板主要為飛船大功耗設(shè)備提供散熱。冷板構(gòu)型為薄型的單層換熱器，設(shè)備安裝于其表面，冷卻流體工質(zhì)流動于其內(nèi)部，通過冷板結(jié)構(gòu)與設(shè)備的導(dǎo)熱和冷板內(nèi)部流體的流動換熱，設(shè)備的熱量被傳遞到流體中，從而使設(shè)備的溫度降低。［1］在實際建模中，可以考慮成一個熱流輸入。

換熱器的建模利用Flowmaster提供的板翅式換熱器模型，可以方便的對換熱器進(jìn)行模擬。

3 流體回路建模

對上述輻射器、補(bǔ)償器、溫控閥、泵、冷板和換熱器的部件建模的基礎(chǔ)上，對神舟飛船流體回路整體進(jìn)行建模，如圖5所示。系統(tǒng)為內(nèi)外兩個回路，內(nèi)外回路通過一個液-液換熱器進(jìn)行熱量的耦合，其中控制部件主要在外回路，內(nèi)回路主要模擬內(nèi)回路收集的熱量、流量和系統(tǒng)的熱容［9］。

圖5 流體回路系統(tǒng)模型圖Fig.5 The model of the liquid loop system

神舟飛船流體回路控制采用閉環(huán)控制，為典型的負(fù)反饋系統(tǒng)和典型的定值控制系統(tǒng)。系統(tǒng)將溫度控制點采集的溫度信號經(jīng)過控制算法的處理直接反饋到溫控閥輸入端，從而形成閉環(huán)控制。由于存在設(shè)備散熱量的變化，以及外部空間外熱流的變化等干擾的存在，使得系統(tǒng)實際輸出偏離溫度設(shè)定點，系統(tǒng)自身便利用負(fù)反饋產(chǎn)生的偏差所取得的控制作用去消除偏差，使系統(tǒng)溫度恢復(fù)到控溫設(shè)定點上［5］。本文模型中采用神舟飛船應(yīng)用的成熟控制算法，此算法經(jīng)過多次飛行驗證。神舟飛船流體回路控制采用模糊控制方法，通過控溫點采集數(shù)據(jù)與設(shè)定值比較，根據(jù)偏差量以及偏差量的變化，查詢模糊控制矩陣，從而得到反饋值。

4 神舟飛船流體回路仿真結(jié)果及評價

使用動態(tài)模型，仿真模擬神舟飛船地面熱平衡試驗工況。

圖6為3個工況下輻射器出口仿真溫度與實際出口溫度對比，其中B和C圖的系統(tǒng)散熱量不同。可以看出仿真數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)吻合較好。

圖6 輻射器出口溫度仿真結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)對比(點數(shù)據(jù)為試驗數(shù)據(jù))Fig.6 Comparison of the simulation result and the experimental data of the temperature on the radiator exit(the experimental data is shown by dots)

圖7 為泵和溫控閥聯(lián)合建模之后系統(tǒng)流量匹配和分配結(jié)果，可以看出，泵與溫控閥的建?？梢暂^好的模擬系統(tǒng)真實的流量分配和流量的變化。

圖7 溫度閥開度與流量模擬數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)曲線(點數(shù)據(jù)為試驗數(shù)據(jù))Fig.7 Comparison of the simulation result and the experimental data of the valve position(the experimental data is shown by dots)

圖8 為溫控閥開度仿真數(shù)據(jù)，模型中設(shè)置系統(tǒng)初始狀態(tài)為發(fā)射狀態(tài)，離控溫點差距較大，故當(dāng)入軌控制啟動后，為了快速達(dá)到控溫點，溫控閥開度達(dá)到最大，并隨著系統(tǒng)溫度水平降低逐步關(guān)小，最后達(dá)到平衡。平衡后由于陽照區(qū)和陰影區(qū)外熱流不同而周期波動。此過程和飛行器發(fā)射后入軌狀態(tài)一致，仿真結(jié)果反映實際趨勢。圖9為溫控閥開度熱平衡試驗(平衡后)實際數(shù)據(jù)?？梢钥闯霾捎脤嶋H控制算法的仿真模型可以較好的模擬溫控閥實際的開度狀態(tài)。

圖8 溫控閥開度模擬仿真結(jié)果Fig.8 The simulation result of the valve position

圖10 為神舟飛船流體回路控溫點仿真結(jié)果，模型中初始為發(fā)射狀態(tài)，當(dāng)模擬入軌控制啟動后，溫度快速下降，最后達(dá)到平衡，在整個陽照區(qū)和陰影區(qū)交替循環(huán)的工況中，控溫點穩(wěn)定在8±0.3℃。

圖9 溫控閥開度試驗結(jié)果(平衡后)Fig.9 The experimental data of the valve position(balanced)

圖10 流體管路溫度控制點模擬仿真結(jié)果Fig.10 The simulation result on the temperature control point

圖11 為補(bǔ)償器液位仿真數(shù)據(jù)，初始數(shù)據(jù)與發(fā)射時數(shù)據(jù)一致，在入軌后控制啟動，液位隨著溫度的下降而下降，平衡后隨著陽照區(qū)和陰影區(qū)不同而周期波動。圖12為熱平衡試驗(平衡后)數(shù)據(jù)，可以看出仿真模型可以較好的模擬回路內(nèi)工質(zhì)隨環(huán)境溫度改變而造成的熱脹冷縮現(xiàn)象。

圖11 補(bǔ)償器液位模擬仿真結(jié)果Fig.11 The simulation result of the accumulator

圖12 補(bǔ)償器液位試驗結(jié)果(平衡后)Fig.12 The experimental data of the accumulator(balanced)

5 結(jié)論

通過神舟飛船流體回路仿真模型數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)的比較，仿真模型能較好地動態(tài)模擬流體回路系統(tǒng)各點的溫度、壓力和流量狀態(tài)，并對飛行器流體由于溫度變化造成其體積的變化進(jìn)行較好的模擬，把實際控制策略與仿真模型相結(jié)合，較好的模擬系統(tǒng)控制策略的動態(tài)執(zhí)行情況。應(yīng)用此模型可以對流體回路系統(tǒng)的控制算法和策略的優(yōu)化進(jìn)行進(jìn)一步的分析優(yōu)化。也能應(yīng)用于諸如系統(tǒng)工質(zhì)泄漏分析、壓力波動分析和系統(tǒng)控溫點選取等相關(guān)分析。

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