航天器自主熱控功率波動(dòng)抑制方法

蘭天 穆強(qiáng) 江利鋒 于俊慧 楊柳青

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

為確保航天器中各項(xiàng)儀器設(shè)備正常工作，需對(duì)航天器內(nèi)部溫度變化、熱量傳遞方向和航天器內(nèi)外熱交換過(guò)程等進(jìn)行嚴(yán)格的熱控制。熱控制通常分為被動(dòng)熱控和主動(dòng)熱控兩種：被動(dòng)熱控是指通過(guò)熱控涂層、熱管、多層熱絕緣材料、相變材料等手段，合理組織航天器內(nèi)外、航天器不同部分間的熱交換過(guò)程；主動(dòng)熱控是指通過(guò)百葉窗、電加熱器、風(fēng)機(jī)、流體回路泵等手段，依據(jù)航天器熱模型，根據(jù)各控溫點(diǎn)溫度遙測(cè)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)相關(guān)熱控設(shè)備的工作狀態(tài)，從而保持熱平衡的過(guò)程[1]。在對(duì)地觀測(cè)、載人航天、深空探測(cè)等國(guó)家重大專項(xiàng)的牽引下，我國(guó)航天器熱控制技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展[2-3]。在被動(dòng)控溫基礎(chǔ)上的主動(dòng)控溫，成為滿足各領(lǐng)域復(fù)雜任務(wù)需求的關(guān)鍵手段[4-6]。隨著航天器智能化水平的提高，現(xiàn)有航天器一般不再為自主熱控單設(shè)控溫儀，而是選擇將其整合在數(shù)管分系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)[7]。

隨著天基信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，航天器的性能提升催生了對(duì)精密控溫的迫切需求，傳統(tǒng)的數(shù)管分系統(tǒng)難堪重任[8]。另一方面，新任務(wù)要求推動(dòng)航天器電子信息系統(tǒng)向以信息處理為中心、多航天器協(xié)同工作的方向發(fā)展[9]。航天器綜合電子系統(tǒng)正是在這種對(duì)航天器系統(tǒng)智能化、網(wǎng)絡(luò)化的迫切需求下得到了迅猛的發(fā)展。國(guó)內(nèi)綜合電子系統(tǒng)經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，建立了選擇性應(yīng)用CCSDS標(biāo)準(zhǔn)和ECSS標(biāo)準(zhǔn)的業(yè)務(wù)及協(xié)議框架體系，完成了需求分析和總體設(shè)計(jì)[10-12]。在需求分析和總體設(shè)計(jì)的指引下，針對(duì)微小型航天器設(shè)計(jì)了集中式綜合電子系統(tǒng)[13]，針對(duì)中大型航天器設(shè)計(jì)了分布式綜合電子系統(tǒng)[14]。在智能化綜合電子系統(tǒng)基礎(chǔ)上，按照通用化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的設(shè)計(jì)原則，推進(jìn)基于構(gòu)件的綜合電子軟件開(kāi)發(fā)[15-16]。

得益于智能化的綜合電子系統(tǒng)，航天器自主熱控技術(shù)向精密化、智能化方向不斷進(jìn)步，并體現(xiàn)出與航天器其他領(lǐng)域自主管理相互融合的發(fā)展趨勢(shì)，例如熱控、能源聯(lián)合自主管理。在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有熱控、能源聯(lián)合自主管理方法中，能源對(duì)熱控的約束主要體現(xiàn)在能源平衡、峰值功率上，當(dāng)預(yù)期航天器能源失衡時(shí)，會(huì)將熱控轉(zhuǎn)入最小工作模式，減少參與自主控溫的回路數(shù)量；當(dāng)熱控總功率有超出峰值功率的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，會(huì)采用分時(shí)切換參與自主控溫的加熱器組合的方式，降低峰值功率。

上述方法的特點(diǎn)是從能源不足的工況出發(fā)，通過(guò)調(diào)整參與控溫的加熱器通道數(shù)量，使熱控峰值功率滿足能源約束條件。蓄電池負(fù)載功率的急劇波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電壓、電流失穩(wěn)，進(jìn)而可能影響航天器上電子設(shè)備的正常工作。受制于加熱器開(kāi)關(guān)能力，傳統(tǒng)熱控方法中難以實(shí)現(xiàn)在控溫周期內(nèi)對(duì)加熱器功率的靈活分配，因此沒(méi)有考慮能源充裕條件下熱控功率波動(dòng)的影響。

本文針對(duì)自主熱控加熱功率波動(dòng)對(duì)航天器電壓、電流造成的消極影響，提出了一種抑制加熱功率波動(dòng)的航天器自主熱控方法。該方法通過(guò)合理排布控溫周期內(nèi)部各個(gè)控溫時(shí)隙的加熱器開(kāi)關(guān)組合，減小了控溫周期內(nèi)部各控溫時(shí)隙間、相鄰控溫周期間的加熱功率波動(dòng)。已經(jīng)在某智能化遙感衛(wèi)星的綜合電子系統(tǒng)上得到了成功應(yīng)用。

1 影響功率波動(dòng)的熱控控制要素分析

要實(shí)現(xiàn)精密控溫，一方面需要從被控對(duì)象的熱容、被控對(duì)象所處的熱環(huán)境出發(fā)，減少內(nèi)、外熱源擾動(dòng)并增加熱容；另一方面需要優(yōu)化主動(dòng)熱控設(shè)備的溫度精度、控溫周期、控溫時(shí)隙、加熱器開(kāi)關(guān)方式等各項(xiàng)控制要素，以確保熱控策略的有效實(shí)施。在主動(dòng)熱控的各項(xiàng)控制要素中，影響功率波動(dòng)控制的要素包括控溫周期、控溫時(shí)隙和加熱器開(kāi)關(guān)方式，本節(jié)主要對(duì)各要素對(duì)功率波動(dòng)的影響和要素間制約關(guān)系進(jìn)行分析。

控溫周期是指相鄰兩次對(duì)同一回路運(yùn)行相應(yīng)控溫策略，決定下一周期內(nèi)回路通斷狀態(tài)、占空比的時(shí)間間隔。控溫時(shí)隙是指一個(gè)控溫周期內(nèi)，根據(jù)回路占空比切換加熱器通斷狀態(tài)的最短時(shí)間間隔?？販刂芷诘拈L(zhǎng)短決定了控溫算法響應(yīng)溫度變化進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整的快慢，控溫時(shí)隙的多少?zèng)Q定了加熱器通斷控制的次數(shù)，即進(jìn)行占空比控溫的顆粒度。對(duì)特定航天器，控溫周期時(shí)長(zhǎng)、控溫時(shí)隙數(shù)量是固定的配置參數(shù)，和加熱器接通功率一樣，在控制過(guò)程中不會(huì)變化。

航天器內(nèi)第i路加熱器在控溫周期內(nèi)的占空比為

(1)

式中：di是熱控算法輸出加熱器i的占空比，sij是di的離散化表現(xiàn)，為加熱器i在控溫時(shí)隙j的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，sij∈{0，1}，Tcontrol是控溫周期時(shí)長(zhǎng)，Tswitch是控溫時(shí)隙時(shí)間長(zhǎng)度。

一個(gè)控溫周期內(nèi)自主控溫的加熱功耗分布可描述為矩陣

(2)

式中：pcontrol為一個(gè)控溫周期內(nèi)航天器所有加熱回路在各控溫時(shí)隙上開(kāi)關(guān)狀態(tài)矩陣，pij為第i路加熱器在第j個(gè)加熱時(shí)隙的加熱功耗。

根據(jù)上面的開(kāi)關(guān)矩陣，得到第i路加熱器在整個(gè)控溫周期內(nèi)的總功耗為

(3)

式中：wch_i是第i路加熱器在本控溫周期內(nèi)的總功耗，Pi為加熱器i的接通功率，該參數(shù)與硬件屬性有關(guān)，pij的值等于Pi與sij的乘積。

各路加熱器第j個(gè)控溫時(shí)隙的總功耗為

(4)

式中：wt_j為各路加熱器在第j個(gè)控溫時(shí)隙的總功耗。

相鄰控溫周期的占空比di變化越小，對(duì)控制周期間功率波動(dòng)越有利，因此控溫周期Tcontrol應(yīng)盡量小。占空比di的分辨率越高，即一個(gè)控溫周期中包含的控溫時(shí)隙個(gè)數(shù)N越大時(shí)，調(diào)整矩陣pcontrol內(nèi)排布的靈活性就越大，因此N應(yīng)盡量大。而較小的控溫周期、較多的控溫時(shí)隙有對(duì)星載計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力提出了更高需求。

航天器還需具備足夠強(qiáng)的加熱器開(kāi)關(guān)矩陣排布能力，即在短時(shí)間內(nèi)大量切換加熱器開(kāi)關(guān)狀態(tài)的能力。傳統(tǒng)自主熱控一般采用ON/OFF指令控制加熱器開(kāi)關(guān)。由于ON/OFF指令需要80 ms脈寬，同一設(shè)備同一時(shí)段只能發(fā)送一條指令。因此，傳統(tǒng)熱控方法中只能以連續(xù)方式實(shí)現(xiàn)占空比控溫，即一個(gè)控溫周期內(nèi)發(fā)送一條加熱器接通指令和一條加熱器斷開(kāi)指令。

綜上所述，由于傳統(tǒng)數(shù)管星載計(jì)算機(jī)的算力限制和指令發(fā)送能力限制，傳統(tǒng)數(shù)管分系統(tǒng)進(jìn)行自主熱控時(shí)無(wú)法有效調(diào)整加熱器開(kāi)關(guān)矩陣的排布，無(wú)法有效調(diào)節(jié)加熱功率的波動(dòng)。

2 抑制加熱功率波動(dòng)的航天器主動(dòng)熱控方法

2.1 智能化衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)數(shù)管分系統(tǒng)的兩方面能力限制，某智能化衛(wèi)星的綜合電子系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。如圖1所示，該綜合電子系統(tǒng)包含系統(tǒng)管理單元和數(shù)據(jù)接口單元。各設(shè)備采用通用化模塊設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)接口單元具備與系統(tǒng)管理單元相同的計(jì)算能力。設(shè)備內(nèi)模塊間通過(guò)底板上的內(nèi)總線通信，設(shè)備間通過(guò)星內(nèi)數(shù)據(jù)總線通信。

自主熱控功能通過(guò)數(shù)據(jù)接口單元實(shí)現(xiàn)，在通用計(jì)算機(jī)模塊上運(yùn)行自主熱控邏輯，通過(guò)遙測(cè)模塊采集溫度量和同源校準(zhǔn)電壓，通過(guò)功率驅(qū)動(dòng)模塊控制加熱器開(kāi)關(guān)，通過(guò)指令模塊控制安全開(kāi)關(guān)通斷。其中，功率驅(qū)動(dòng)模塊能在極短時(shí)間內(nèi)完成模塊上全部加熱器開(kāi)關(guān)狀態(tài)的切換。

在該綜合電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，通過(guò)采用通用計(jì)算機(jī)模塊提升了數(shù)據(jù)接口單元的計(jì)算能力，通過(guò)系統(tǒng)管理單元與數(shù)據(jù)接口單元的任務(wù)分工確保了數(shù)據(jù)接口單元有足夠的算力支撐更復(fù)雜的控制算法，通過(guò)獨(dú)立的功率驅(qū)動(dòng)模塊確保設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)算法控制下的開(kāi)關(guān)矩陣。在以上三方面系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步在自主熱控中引入了一種功率波動(dòng)抑制算法。

圖1 智能化衛(wèi)星的一種綜合電子系統(tǒng)組成示意Fig.1 Diagram of an avionics system constitution for intelligent satellites

2.2 用于航天器自主熱控的功率波動(dòng)抑制算法

傳統(tǒng)熱控方法周期性依據(jù)控溫點(diǎn)溫度計(jì)算加熱回路占空比，以連續(xù)方式切換加熱回路通斷狀態(tài)，在一個(gè)控溫周期內(nèi)加熱回路最多通、斷各一次。這種連續(xù)控制方式的效果如圖2所示，由于加熱回路通、斷切換次數(shù)少，各控溫時(shí)隙加熱器接通狀態(tài)分布不均衡，自主熱控功率波動(dòng)明顯。

圖2 傳統(tǒng)熱控方法控制下的加熱器開(kāi)關(guān)矩陣Fig.2 Switch matrix of traditional thermal control method

抑制功率波動(dòng)的關(guān)鍵，在于對(duì)各加熱回路在各控溫時(shí)隙的通斷狀態(tài)進(jìn)行合理排布，減小時(shí)隙間熱控總功耗的變化?；谥悄芑l(wèi)星綜合電子系統(tǒng)，在傳統(tǒng)自主熱控算法完成回路占空比計(jì)算后，引入了一種功率波動(dòng)抑制算法。算法流程如圖3所示，該算法實(shí)施步驟如下。

(1)按照加熱器的接通功率，按照回路接通功率從大到小的順序，對(duì)加熱器進(jìn)行降序排列。

(2)按照排序后的“加熱器-占空比”關(guān)系表，逐個(gè)加熱器向開(kāi)關(guān)矩陣中填充占空比。每填充完一路占空比后，更新各控溫時(shí)隙總功率，并按總功率對(duì)“加熱器-控溫時(shí)隙”開(kāi)關(guān)矩陣進(jìn)行升序排列。

(3)重復(fù)步驟(2)，直至遍歷所有加熱器。

(4)將加熱器順序恢復(fù)至按功率排序之前的狀態(tài)，得到本控溫周期對(duì)應(yīng)的“加熱器-控溫時(shí)隙”開(kāi)關(guān)矩陣。

(5)為改善控溫周期交替時(shí)的功率波動(dòng)，按照控溫周期的奇、偶調(diào)整開(kāi)關(guān)矩陣。在奇數(shù)控溫周期，保持矩陣狀態(tài)不變；在偶數(shù)控溫周期，按總功率對(duì)各時(shí)隙開(kāi)關(guān)組合做降序排列。

本文所提的降低功率波動(dòng)算法的控制效果如圖4所示。比較圖2與圖4可見(jiàn)，采用本文所提算法后，各控溫時(shí)隙加熱回路接通狀態(tài)分布均勻，時(shí)隙間功率波動(dòng)得到了有效控制。

圖4 功率波動(dòng)控制方法控制下的加熱器開(kāi)關(guān)矩陣Fig.4 Switch matrix of power fluctuation suppression method

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在綜合電子系統(tǒng)硬件平臺(tái)上，對(duì)本文提出的降低功率波動(dòng)的主動(dòng)熱控方法進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。從加熱器中選出10路相鄰的加熱器，將其他的加熱器設(shè)為常斷狀態(tài)。將控溫周期設(shè)為10 s，控溫時(shí)隙設(shè)為1 s，使能10路加熱器的自主控溫功能。通過(guò)調(diào)節(jié)熱控電阻的方式，使熱控比例積分(PI)算法的輸出占空比分別為100%～10%的降序排列(工況1)、10%～100%的升序排列(工況2)、各回路占空比都為50%等共3種工況，分別采用傳統(tǒng)數(shù)管的連續(xù)式控溫和本文所提功率波動(dòng)抑制算法進(jìn)行控制，控制效果如表1所示。

表1 傳統(tǒng)自主熱控與采用功率波動(dòng)抑制算法的自主熱控性能比較Table 1 Performance comparison between traditional method and proposed power fluctuation suppression algorithm W

由表1可知，采用本文所提的功率波動(dòng)抑制算法后，控溫峰值功率、控制周期內(nèi)功率波動(dòng)和控制周期切換間功率波動(dòng)均得到了良好的控制。

各工況下的加熱功率波動(dòng)如圖5～圖7所示，圖中顯示了連續(xù)4個(gè)控溫周期的加熱功率波動(dòng)。從圖5～圖7可見(jiàn)，和傳統(tǒng)數(shù)管連續(xù)控制方法相比，采用本文所提方法控制下的控溫周期內(nèi)、控溫周期間的功率波動(dòng)均得到了有效控制，同時(shí)峰值加熱功率下降明顯。

圖5 工況1下熱控功率波動(dòng)比較Fig.5 Comparison of thermal control power fluctuation under working condition 1

圖6 工況2下熱控功率波動(dòng)比較Fig.6 Comparison of thermal control power fluctuation under working condition 2

圖7 工況3下熱控功率波動(dòng)比較Fig.7 Comparison of thermal control power' fluctuation under working condition 3

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著綜合電子系統(tǒng)的發(fā)展，航天器智能化水平顯著提高，融合多領(lǐng)域控制需求實(shí)現(xiàn)航天器綜合智能自主管理成為了可能。本文從改善航天器實(shí)施自主熱控時(shí)對(duì)電壓、電流的影響出發(fā)，進(jìn)行“熱控-能源-綜合電子”跨系統(tǒng)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，針對(duì)傳統(tǒng)熱控中連續(xù)式控制加熱回路通斷導(dǎo)致的功率波動(dòng)問(wèn)題，提出了一種航天器自主熱控功率波動(dòng)抑制方法。在該方法中，通過(guò)功率波動(dòng)抑制算法在各控溫時(shí)隙間均衡排布加熱回路開(kāi)關(guān)矩陣，通過(guò)獨(dú)立的功率控制模塊實(shí)現(xiàn)加熱回路通斷狀態(tài)批量切換。該方法在某智能化衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)中得到實(shí)施，且取得了以下良好效果：①在確保自主熱控效果的同時(shí)，降低了控溫周期內(nèi)部和控溫周期之間的功率波動(dòng)和峰值功率，有利于穩(wěn)定航天器內(nèi)部電壓波動(dòng)，從而減少電壓波動(dòng)給電子設(shè)備帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)；②通過(guò)矩陣式的加熱器開(kāi)關(guān)切換方式，使各加熱器的加熱狀態(tài)從連續(xù)式分布變?yōu)殡x散式分布，改善了相應(yīng)控溫點(diǎn)的溫度波動(dòng)。

本文所提方法不改變熱控控溫邏輯，可推廣應(yīng)用在具備加熱回路敏捷開(kāi)關(guān)能力的航天器上。在后續(xù)研究中，應(yīng)進(jìn)一步發(fā)掘綜合電子系統(tǒng)潛力，從智能化、網(wǎng)絡(luò)化、通用化的需求出發(fā)，打破傳統(tǒng)分系統(tǒng)條框限制，推進(jìn)跨系統(tǒng)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升航天器整體業(yè)務(wù)能力。