关于精密控温方法的比较研究

综述了近十年来在精密控温方面采用的两种典型控制方式:PID控制、模糊控制,以及基于这两者演化结合的方式.通过对其各自基本原理、应用前景的比较,得出了各种温控方式的优缺点,并对精密温控的发展方向作了初步预测.

外热流扰动下航天器精密控温系统的设计及参数优化

对于航天器精密控温系统,外热流的周期性波动是影响被控对象温度稳定性的主要扰动来源。文章以一个典型的航天器精密控温系统为研究对象,建立了融合空间外热流扰动、系统热设计状态和控温算法的系统统一数学模型。经简化实现模型的线性化后,采用频率响应法对系统进行分析,获得了系统稳态输出的理论解。文章从航天器热控设计实际出发,分析了各热物理参数和控制参数对系统输出温度稳定性的影响,提出了以降低外热流扰动引起的温度波动为目标的热设计和控温参数优化原则和方向。文章还以海洋盐度探测卫星综合孔径辐射计天线接收机的高稳定度控温设计为实例,展示了按照上述优化原则和思路调整热控措施和控温参数,经仿真计算对比不同参数的输出效果,最终获得理想控温效果的过程。该实例验证了文章理论解和优化设计指导思路的正确有效性。

GEO高精度星敏感器精密控温技术研究及试验验证

根据地球静止轨道高精度星敏感器温控系统对象的特性,提出了一种基于开关+增量式比例积分(PI)控制算法的精密控温方法。基于Matlab,TMG软件,验证了不同工况下控制器对被控温度的调节性能,分析了控制算法的准确性、稳定性和抗干扰能力,讨论了控制周期选择,用地面试验验证提出的精密控温技术对星敏感器温度的控制性能。仿真分析和地面验证试验结果表明:提出的控温技术具较好的稳定性和抗干扰能力,可满足星敏感器的长期精密控温要求。

精密控温箱内腔温度稳定性的理论研究

针对精密控温箱内腔温度难以达到稳定的问题,提出利用Laplace方程对精密控温箱绝热层与均温层的厚度比进行理论研究,结合非稳态热传导方程,求解得到:当绝热层与均温层的厚度比近似为1:1时,精密控温箱内腔温度的稳定性最好。

面向非均匀不连续X射线望远镜的最优化精密温控方法与试验验证

本文旨在实现EP卫星X射线望远镜的精密控温,通过建立Wolter-I型掠入射X射线望远镜数学传热模型,揭示了热量在聚焦镜组中的传递规律,并设计了两类主动控温加热器。针对望远镜非均匀、不连续构型导致的热场调控难题,提出了最优化精密控温方法,兼顾控温指标与工艺研制难度,构建了关于热量补偿如何分区调配的代价函数。通过设置关于平均偏差、最大偏差、区域个数、最小区域长度的权重参数,获得了第一类加热器最优化设计方案。整星级真空试验结果表明:54个镜片温度范围为19.1~20.9℃,且时域温度稳定性较好,波动小于0.2℃,满足X射线望远镜(20±1)℃的指标要求,权重参数设计合理。本研究提出的方法,成功应对了非均匀、不连续X射线望远镜精密控温难题,为温度要求较高的空间科学探测器提供了技术支持。

两相控温型储液器进出流量的瞬态数值模拟

两相控温型储液器是泵驱两相流体回路(MPTL)系统中的一个重要部件,承担着工质存储、供给、气液分离及精密控温的作用。采用Navier-Stokes方程建立了MPTL系统瞬态模拟的仿真模型,可用于研究热源功率变化时储液器与主回路的动态传热和传质特性。通过仿真与试验对比发现,数值模型的流量误差在±10%以内,验证了模型的有效性和准确度。数值模拟结果表明:热源开关机时,储液器与主回路发生工质交换,气液两相的温度和压力受到影响,系统的流阻也受到影响;随着热源功率的增加,工质交换速率和交换总量随之增加,储液器内气液两相的温度和压力变化趋势随之增大。该模型可用于研究不同工作条件下的流量、温度和干度的变化特性,指导MPTL设计,并在系统搭建前预测系统特性。

DFB激光器饱和吸收稳频的精密温控系统设计

相对于外腔半导体激光器,分布式反馈(Distributed Feedback Laser,DFB)激光器的温调率较高,为实现饱和吸收稳频,需要对激光器温度进行精密控制。分析了饱和吸收稳频系统的控温需求,基于MAX1978芯片设计了精密温控系统;利用恒流源对测温电桥电路进行了线性优化,利用遗传算法对模拟PID电路参数进行快速整定,系统最终实现0.2mK的控温稳定度,比同类设计的稳定度高1~2个数量级,解决了饱和吸收谱线明显晃动的问题,具有广阔的应用前景。

红外遥感相机多负载制冷控制器的设计与实现

制冷控制器是红外遥感相机的重要部组件,其温控精度直接影响着相机成像质量。随着控温性能指标要求越来越高,相机部组件的制冷需求也越来越多,多功能、高性能、低重量、少成本的新型制冷控制器的研制变得越来越迫切。针对这些问题,本文设计集中型多负载红外遥感相机制冷控制器,采用电路模块复用与测控温分离的方法实现多负载控制。硬件上,在传统制冷控制器的基础上进行模块复用小型化设计,实现由“单电源、单主控、多驱动”组成的集中型硬件产品;提出“控制器+测温盒”的测控温分离方法,就近采集温度数据以保证测温精度,从而提高控温精度。软件上,配合硬件方案完成软件架构设计、测控温匹配设计、多负载驱动独立设计、温度数据可靠性设计。以此设计方案为基础,“一带三”制冷控制器的实验数据显示,该设计满足测控温匹配、驱动独立、精密控温的功能性能要求,同时±8mK的制冷控温精度完全满足了高质量成像要求,该方案可行。

空间遥感器用环路热管瞬态数值模拟与在轨验证

为满足空间遥感器环路热管(LHP)在轨应用需求,建立了高分九号卫星电荷耦合器件(CCD)用LHP瞬态数值模型。模型采用了节点-网络法和流动与传热关系式耦合的方法,考虑了蒸发器与储液器之间的传热传质过程。通过仿真与在轨数据的对比,发现LHP内部组件温度偏差为0.2~0.4℃,冷凝器测点温度偏差为0.5~2.0℃;预热器通过干度的变化调节了冷凝器外热流和热源工作模式的影响;热源的工作模式对蒸发器向储液器漏热、回路流阻及两相段长度均有影响。所提模型可用于不同轨道外热流及热源工作模式下,研究LHP内部各参数的变化规律,预测LHP系统的瞬态工作特性,并指导后续产品的设计与研发。

高分辨率立体测绘相机系统热控设计及验证

高分辨率立体测绘相机的光学系统及探测器的温度稳定性影响测绘相机的测绘精度。针对透射式光学系统,采用多级外热流抑制技术,使星相机透镜的温度稳定性提高了6倍;针对反射式光学系统,采用间接辐射式控温等热控技术,使主镜、次镜的温度稳定性达到±0.3℃;针对大功率电荷耦合元件(CCD),采用基于环路热管(LHP)的节能型控温技术,在满足温度指标的前提下使环路热管驱动功率的周期平均值由60 W降低至33.8 W,同时节省约40%的主冷凝器面积及质量;针对CMOS,采用两级温度波动抑制技术,使其温度稳定性达到±0.3℃。研究了地面热试验的方法,报告了测绘相机系统关键部组件在极端空间环境下的在轨数据,全面验证了热控设计方法的正确性。

CCD器件用机械泵驱动两相流体回路仿真与试验

电荷耦合元件(CCD)作为航天光学遥感器的核心部件之一,其工作性能受温度影响很大,传统的热控产品难以满足大功率CCD的精密控温需求。通过仿真与试验系统研究了机械泵驱动两相流体回路(MPTL)用于CCD控温时的启动特性、运行状态、内部工质的流动及传热特性。结果表明:MPTL可以通过干度的调节来吸收冷凝器外热流和CCD工作模式的影响; MPTL的控温精度可以达到±1℃,蒸发器并联支路、蒸发器负载和冷凝器温度在一定范围内变化等均不会对系统运行稳定性产生影响,其仍可将CCD器件控制在所需温度;通过仿真与试验对比,发现仿真模型的误差在±1℃以内,验证了模型的有效性和准确度。MPTL可以很好地满足航天光学遥感器CCD的控温要求,能够保证CCD始终具有较好的温度稳定性和均匀性,且系统具有良好的运行特性和鲁棒性,其在CCD精密控温方面具有很好的应用前景。

基于空间环境预判的航天器智能自主热控方法

传统热控技术在空间探测任务确定后,基于特定输入条件设计的控制方案,其自适应能力不足,且存在一定的时滞性。文章从系统工程学的角度,提出了基于空间热环境预判的航天器智能自主热控方法,采用航天器姿态规划实时预测外热流,开展相应的控制措施,实现对温度的前馈控制,并进行了仿真验证,结果表明:该方法可有效弥补传统热控技术在空间探测任务中调温能力的不足。在航天器高精度控温和大功率散热领域,能有效抑制低频噪声,节约热补偿功率,具有广泛的应用前景。

航艇相机光学系统热设计及验证

为了保证飞行在平流层复杂环境中的航艇相机具有高成像品质,需要对航艇相机光学系统进行高精度控温设计。文章首先分析航艇相机结构布局、飞行方式及20km高空平流层环境特点,对相机光学系统在平流层的保温措施展开研究,通过试验测试多层隔热组件与二氧化硅气凝胶保温效果,试验结果显示,常压下多层隔热组件与二氧化硅气凝胶的等效发射率分别为0.34、0.30,等效导热系数分别为0.0099W/mK、0.0088W/mK。然后进行航艇相机光学系统详细热设计,建立热分析有限元模型并完成了热仿真计算。最后开展航艇相机的低气压(5000Pa)热平衡试验,验证热设计方案正确性。热试验结果表明,航艇相机光学系统采用多层隔热组件保温设计合理可行,相机主体结构温度处于6~10℃,平均加热功率为58W,满足航艇相机光学系统的控温指标与成像需求,为航艇相机光学系统的热控技术研究提供参考。

激光测距望远镜光学组件的热控设计与技术验证

空间望远镜光学组件的温度稳定性对其分辨率的提高起到至关重要的作用,温度变化过大会使光学部件之间的相对位置发生变化,导致光学主轴倾斜,改变光学部件的面形。根据激光测距望远镜热控设计的特点和难点,基于光机热一体化的设计理念,以“被动热控为主,主动热控为辅”思想为指导,实现了望远镜光学组件的精密控温;参与了整星热平衡试验,验证了单机热设计的准确性和可靠性。

用于微重力下两相控温型储液器性能研究

针对航天器用机械泵驱动两相流体回路的使用需求,本文设计了一种可以满足微重力下应用的两相控温型储液器。为验证储液器的工作性能,搭建了测试系统,对不同姿态下的控温特性和流体管理功能进行了研究。结果表明储液器内部毛细结构具备液体输运和气体隔离功能。为检验微重力下的气液分离功能,本文通过数值模拟对两相流体的运动特性进行了研究。结果表明液相在毛细力作用下被有效固定在储液器的下方,气相位于上方,气液分离功能得到验证。