王瑾1,劉小旭1,李德富1,陳益1，鞏萌萌2

　　（1．北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2．中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 研究發(fā)展中心，北京 100076）

　　摘要：隨著航天器變軌、快速機(jī)動(dòng)等復(fù)雜空間任務(wù)的發(fā)展，熱控系統(tǒng)需要根據(jù)不同的要求進(jìn)行智能化控制以滿足航天器的高效可靠工作。文章首先介紹了航天器智能熱控技術(shù)的分類及應(yīng)用；然后，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外智能熱控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀；最后，提出了熱控系統(tǒng)自主管理的進(jìn)一步研究方向，為未來(lái)航天器的熱控智能控制技術(shù)發(fā)展提供了參考依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞：航天器；快速機(jī)動(dòng)；智能熱控；自主管理

　　中圖分類號(hào)：V416文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.09.003

　　引用格式：王瑾,劉小旭,李德富，等.航天器智能熱控技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（9）：8-10，14.

0引言

　　熱控系統(tǒng)作為航天器七大子系統(tǒng)之一，在航天器整個(gè)任務(wù)周期中，擔(dān)負(fù)著為航天器內(nèi)部所有機(jī)電設(shè)備、有效載荷等空間任務(wù)單元提供安全可靠的溫度環(huán)境的重要任務(wù)。隨著未來(lái)航天器可能面臨的變軌、快速機(jī)動(dòng)等復(fù)雜空間任務(wù)，在航天器入軌后可能受到惡劣空間環(huán)境等復(fù)雜或不確定因素影響，這就要求航天器熱控系統(tǒng)能夠根據(jù)當(dāng)前的工作要求自主調(diào)整［13］。傳統(tǒng)的熱控設(shè)計(jì)不能滿足要求，需要尋求一種智能化熱控系統(tǒng)使得航天器具備極高的熱環(huán)境變化適應(yīng)能力。國(guó)內(nèi)外對(duì)于智能化熱控系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究，主要從流體回路智能熱控入手，諸如單相流體回路［45］、環(huán)路熱管［68］以及兩相流體智能熱控［9］等自主熱控系統(tǒng)。

　　本文基于航天器智能熱控的發(fā)展趨勢(shì)，介紹了智能熱控技術(shù)的應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)了國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及進(jìn)展，最后提出了智能熱控的研究發(fā)展方向。

1智能熱控技術(shù)

　　智能熱控技術(shù)是一種閉環(huán)控制技術(shù)，通過(guò)消耗航天器上的能源，利用溫度傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及控制器組成一套完整的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控溫點(diǎn)的溫度控制。目前研究較多的智能熱控執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括電加熱器、機(jī)械泵、溫控閥、輻射器等。其中電加熱器智能熱控通過(guò)調(diào)節(jié)加熱功率，實(shí)現(xiàn)部件的定點(diǎn)溫度控制；熱控百葉窗主要通過(guò)調(diào)節(jié)覆蓋在散熱基面的可轉(zhuǎn)葉片的角度來(lái)控制對(duì)外輻射的強(qiáng)度，達(dá)到控制航天器表面對(duì)外散熱的目的；溫控閥和機(jī)械泵是通過(guò)控制流體流量的方式實(shí)現(xiàn)溫度控制。圖1是以電加熱器為控制對(duì)象的PID智能熱控流程圖。

2智能熱控技術(shù)研究現(xiàn)狀

　　對(duì)于智能熱控技術(shù)而言，可控執(zhí)行部件和控制策略是整個(gè)智能熱控中最為重要的環(huán)節(jié)。可控執(zhí)行部件是熱控系統(tǒng)的受控對(duì)象，控制策略對(duì)系統(tǒng)的控溫效果具有決定性的作用。目前工程應(yīng)用較多的是電加熱器控溫閾值溫控，選擇電加熱器作為可控硬件，開(kāi)關(guān)控制作為控制策略，當(dāng)設(shè)備溫度低于溫度下限時(shí)控制加熱器接通，高于溫度上限時(shí)控制加熱器斷開(kāi)，此種控溫方式僅能控制電氣設(shè)備溫度在一定范圍之內(nèi)，如-10℃~+20℃［10］；對(duì)于控溫范圍要求較窄的設(shè)備，則采取PID控制策略控制電加熱器電壓，實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的溫度自主控制［11］。

　　2.1可控執(zhí)行部件

　　目前航天器熱控系統(tǒng)中的可控執(zhí)行部件主要包括電加熱器、機(jī)械泵、溫控閥、熱控百葉窗以及儲(chǔ)液器等，其中機(jī)械泵、溫控閥、儲(chǔ)液器以及熱控百葉窗等均是流體回路的可控執(zhí)行部件。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者針對(duì)流體回路控溫進(jìn)行了大量的研究，其中劉東曉等人進(jìn)行了泵控技術(shù)研究，建立了適用于微小型航天器的單相流體回路熱控地面試驗(yàn)平臺(tái)，完成了在開(kāi)環(huán)和閉環(huán)條件下的溫度動(dòng)態(tài)特性以及控制試驗(yàn)，可將溫度控制在±0.5℃以內(nèi)，具有良好的魯棒性［12］。圖2為泵控單相流體回路原理圖。Yan等人提出了間歇式噴霧冷卻通過(guò)協(xié)調(diào)噴霧頻率和噴霧冷卻核態(tài)沸騰換熱的脈沖間隔，可以實(shí)現(xiàn)噴圖2泵控技術(shù)單相流體回路原理圖霧冷卻換熱熱流密度的控制，維持壁面溫度在25℃左右，誤差在2℃之內(nèi)［9］。溫控閥由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作靈敏等特點(diǎn)，已經(jīng)在我國(guó)“神舟”號(hào)載人飛船流體回路中用于實(shí)現(xiàn)輻射器支路流量的控制，能夠?qū)⑤椛淦鞒隹诨旌蠝囟瓤刂圃谠O(shè)定的8℃±1℃之內(nèi)；微型熱控百葉窗通過(guò)靜電力驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)低發(fā)射率可動(dòng)葉片遮擋高發(fā)射率散熱表面達(dá)到控溫的目的。美國(guó)約翰霍普金大學(xué)、蘭州空間技術(shù)物理研究所、南京理工大學(xué)以及清華大學(xué)對(duì)微型熱控百葉窗進(jìn)行了大量的研究［1315］。圖3為美國(guó)霍普斯金大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室研究的ST5 試驗(yàn)衛(wèi)星微型熱控百葉窗結(jié)構(gòu)圖，可實(shí)現(xiàn)發(fā)射率在0.05~0.3范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)。對(duì)于環(huán)路熱管，國(guó)內(nèi)外幾乎全部都是通過(guò)儲(chǔ)液器智能控溫的方式實(shí)現(xiàn)環(huán)路熱管的精密控溫［68］。如美國(guó)應(yīng)用于ICESAT航天器的地球科學(xué)激光測(cè)高儀(GLAS)的環(huán)路熱管，通過(guò)采用儲(chǔ)液器智能控溫的方式可以實(shí)現(xiàn)±0.1℃的控溫精度［7］。國(guó)內(nèi)對(duì)于環(huán)路熱管的智能控溫研究尚處于地面原理樣機(jī)階段，未進(jìn)行過(guò)飛行試驗(yàn)。

　　2.2控制策略

　　熱控系統(tǒng)的控制策略是航天器熱控系統(tǒng)能夠適應(yīng)空間復(fù)雜熱環(huán)境的保證，是實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備表面精密控溫的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的PID控制策略由于控制的局限性，針對(duì)空間大幅度外熱流以及變軌變化的場(chǎng)合，調(diào)節(jié)效果不佳，魯棒性較差。智能控制策略具有自適應(yīng)能力強(qiáng)、魯棒性好、學(xué)習(xí)能力以及控制能力不斷增強(qiáng)等特點(diǎn)，可以自動(dòng)測(cè)量被控對(duì)象的被控制量，并求出與期望值的偏差，進(jìn)而根據(jù)所采集的輸入信息和已有知識(shí)進(jìn)行推理，得到對(duì)被控對(duì)象的輸出控制，同時(shí)盡可能減小或消除偏差。一般使用的人工智能控制方法包括如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、機(jī)器學(xué)習(xí)、進(jìn)化計(jì)算和遺傳算法等。

　　目前，國(guó)外針對(duì)智能控制策略在航天器上的應(yīng)用研究文獻(xiàn)并不多，但是基于模糊智能控制理論及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制理論的控制策略在過(guò)程控制［1618］和機(jī)器人智能控制［1920］等領(lǐng)域獲得了廣泛的研究和應(yīng)用。國(guó)內(nèi)專家學(xué)者將智能控制策略與航天器熱控系統(tǒng)相結(jié)合，進(jìn)行了一系列的理論研究。楊娟等針對(duì)微型百葉窗的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，提出一種基于模糊PI混合控制的智能化控制方法，實(shí)現(xiàn)了納衛(wèi)星內(nèi)部熱環(huán)境高熱流密度控制，控制原理圖如圖4所示［20］，仿真結(jié)果顯示在添加外界擾動(dòng)的情況下，參數(shù)自整定PI控制器能夠快速調(diào)節(jié)輻射器開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)受控點(diǎn)溫度快速穩(wěn)定調(diào)節(jié)，誤差在±1℃以內(nèi)；劉佳等人以航天器MEMS熱控系統(tǒng)為對(duì)象，將系統(tǒng)層次的Agent智能決策體系與熱控系統(tǒng)自主控制任務(wù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自身依據(jù)所辨識(shí)出的外部軌道熱環(huán)境及內(nèi)部熱負(fù)荷變化進(jìn)行控制變量的自主調(diào)節(jié)，達(dá)到優(yōu)化協(xié)調(diào)多個(gè)控制變量且能自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制器參數(shù)的新型智能熱控系統(tǒng)［21］；同時(shí)劉佳等人對(duì)單相流體熱控系統(tǒng)的溫控閥和微型百葉窗控制進(jìn)行了研究，提出一種引入外熱流協(xié)調(diào)因子與專家智能整定PID控制相結(jié)合的自主控制策略，仿真分析其動(dòng)態(tài)控制效果［22］，圖5為外熱流協(xié)調(diào)因子結(jié)合的自主控制策略原理圖。李運(yùn)澤等人提出并設(shè)計(jì)了一種將環(huán)路熱管與變發(fā)射率輻射器相結(jié)合的熱控系統(tǒng)方案，采用雙驅(qū)動(dòng)的智能熱控策略實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的溫度控制以及熱流辨識(shí)［2324］。但是，國(guó)內(nèi)對(duì)于智能熱控策略的研究也僅限于理論分析及半物理仿真階段，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用還有很大的改進(jìn)空間。

3智能熱控技術(shù)研究展望

　　近年來(lái)，隨著航天器對(duì)于熱控自主管理技術(shù)的需求，智能化熱控技術(shù)不斷向更深更廣的方向發(fā)展。國(guó)內(nèi)外對(duì)智能熱控裝置以及智能熱控系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究，機(jī)械泵、溫控閥、熱控百葉窗以及儲(chǔ)液器均是流體回路中的部件，通過(guò)控制器不同程度地控制流體流量、壓力或者是輻射器發(fā)射率的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制。控制精度和控制可靠性是主動(dòng)熱控能夠在工程上可靠應(yīng)用的關(guān)鍵。控制精度由控制策略的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)。控制可靠性需要通過(guò)機(jī)械加工、工藝優(yōu)化以及試驗(yàn)考核等進(jìn)行。因此，由此引申出來(lái)的理論研究是未來(lái)智能熱控技術(shù)進(jìn)一步研究的方向。

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