航天器高精度控温系统设计的稳定性条件

航天器热控设计中普遍采用时间离散型控温系统,其自身稳定性将影响控温效果,尤其是高精度控温系统的稳定性更直接影响控温精度指标的达成。文章以某典型航天器高精度主动控温系统为研究对象,首先建立融合其热物理模型和控制算法的统一控温系统模型,并结合航天器热控领域的工程实际,通过合理简化实现了模型的线性化;然后基于上述线性化模型,对离散控温系统的稳定性进行研究,应用数学分析及经典控制理论方法对航天器热控设计中实际采用的基于比例和PI算法的控温系统进行理论求解,获得了保持系统稳定的充要条件;最后采用仿真分析的方法验证了上述约束条件的正确性。

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。

星上大功率电缆发热对热设计的影响分析

在目前的整星热设计中,通常不考虑电缆发热的影响,但随着设计实践的深入,发现在一些特定场合下,电缆发热对设计结果的影响十分明显,有时甚至是决定性的。文章以"海洋二号"卫星某大功率电缆为例,通过电缆所在舱段内设备温度计算结果与在轨实测数据的对比,分析了电缆发热对其所在舱段热设计结果的影响。并以此为基础,研究了电缆发热量与其带来的设计偏差之间的关系,提出了热设计中估算电缆发热对设备温度影响的方法,以及热设计中能否忽略电缆发热影响的判据。

星载大型旋转部件的热平衡试验方法

星载大型旋转部件因其构型复杂和相对星体其他部分转动的特性,给热设计的验证带来诸多难题。文章以"海洋二号"卫星的微波散射计为例,分别采用通过地面试验直接获取在轨预示温度的直接验证方法,以及验证热分析模型、再由热分析模型预示在轨温度的间接验证方法进行热平衡试验。通过对试验结果、热分析结果和在轨飞行结果的对比,验证了这2种试验方法正确、有效。

圆柱形容器内液体横向晃动的有限元法求解

提出了用变分有限元方法计算容器内液体晃动谐振频率的方法和步骤 ,这种方法可适用于各种形状复杂的容器内液体晃动问题 ,其正确性已经得到验证。按照这一方法计算了卧式圆柱形容器内液体的横向晃动问题 ,并对相关结果进行了总结 ,得出了该类型容器内液体晃动的一般规律。

红外笼模拟外热流方法对空间相机温度的影响分析

空间相机的热平衡试验中,一般采用红外笼—热流计的闭环控制系统来模拟相机进光口处的外热流。为研究该种热流模拟方法对相机温度场的影响,建立了简化的模型进行分析。分析结果表明,红外热流模拟对相机温度场的影响体现在相机整体温度水平和光学件温度均匀性两个方面。对于有精密控温要求的空间相机来说,这一影响产生的误差是必须考虑的。

相机真空热试验的红外笼模拟方法研究

空间相机的热平衡/热真空试验中,一般采用红外笼-热流计的闭环控制系统来模拟相机进光口处的外热流。由于对相机光路的遮挡,通用的平板式红外笼难以满足热真空试验中相机的成像要求。文章在分析的基础上设计了一种圆筒式红外笼,同时满足了热平衡试验的外热流模拟要求和热真空试验相机的成像要求;对同一台相机采用两种红外笼的试验结果进行了对比分析。

迭代法求解航天器热网络方程的收敛条件与时间步长优化

热分析计算是航天器热设计验证和在轨温度预示的重要手段,其实质是对描述航天器在轨状态的能量平衡方程即热网络方程的求解。作为典型的非线性问题,航天器热网络方程通常采用迭代法求解,且目前尚无完善的理论可以判断迭代过程的收敛性和收敛条件。文章根据航天器热控设计的工程实际,提出一种可行的近似方法,实现了热网络方程的线性化;在此基础上对迭代法求解过程中的收敛性进行分析,确定了收敛条件下对节点热参数和时间步长的约束关系;并进一步分析时间步长与计算效率的关系,提出了以计算效率为优化目标的最优时间步长确定方法。最后通过某典型航天器热物理模型的计算验证了上述方法的正确性。

容器内液体晃动的变分有限元方法

提出了用变分有限元方法计算容器内液体晃动谐振频率的方法和步骤,这种方法可适用于各种形状复杂的容器内液体晃动问题。按照此方法对二维矩形容器问题进行了实际计算。对计算结果和解析方法获得的解进行了比较。

航天器精密控温技术研究现状

航天器精密控温技术是目前航天器热控制的重要组成部分,航天器、尤其是光学遥感卫星对精密热控的需求极为迫切。文章通过简明扼要的机理分析,获取了影响航天器控温性能的主要因素:热控设计、控温周期、可分辨的加热时间、加热控制方式、测温精度、控温算法。在此基础上,着重调研和综述了国际上航天器控温算法选用及控温系统设计方法的研究现状,并进行了对比分析,从控温系统设计方法、控温算法、控温策略及控温系统性能验证方面指出了中国在该领域存在的不足,对中国航天器精密控温技术的发展提出如下建议:积极开展PI控制在航天器精密控温上的应用、基于被控对象热特性的控温系统设计方法及体现高精度控温策略的精确热分析技术等研究。

高热流CCD器件散热与精密控温技术

为保证空间相机CCD器件处于较小的温度波动范围,根据焦面组件的结构特点,通过仿真分析的方法,对空间相机大功率CCD器件的散热方法和精密温度控制策略作了初步研究。首先介绍了大功率CCD器件的热设计要求,分析了大功率CCD器件热控设计特点,提出了采用微型热管的技术途径解决小空间、高热流密度器件的热量收集与排散方案,采用了基于积分分离式PI控制的电加热主动控温策略。热分析结果表明,热控方案可以满足CCD器件的散热需求以及±0.2℃的高精度、高稳定度温度控制要求。

航天器铷钟的一种精密控温系统

研究了一种应用于航天器的高精度、高稳定度的温度控制系统:使用热敏电阻作为温度传感器;采用多级控温策略,核心级采用基于径向基函数(Radial Basis Function,RBF)神经网络比例、积分、微分(PID)控制算法,非核心级采用积分分离式PID算法;采用脉宽调制(PWM)控制作为控制方式。以航天器铷钟作为控制对象,通过铷钟模拟件的热平衡试验,验证了高精度控温系统的控制效果。试验结果表明:核心级施加RBF神经网络PID控制时,稳态控温精度优于±0.08℃;内热源阶跃冲击或外热流正弦扰动下,其温度波动小于±0.1℃,控温稳定度优于0.1℃/d。此精密控温系统可应用于有高精度控温需求的航天器星钟和高分辨率光学相机。

激光通信器热设计与热试验

激光通信器作为一种先进的光通信的设备,通信容量大,传输速度快,具有广泛的应用前景。其对设备温度均匀性和稳定性要求高来保证通信质量,且转动关节在两个方位上转动来更大范围地获取信号,转动关节裸露在外空间,都给热设计带来挑战。针对激光通信器的工作特性和外部空间环境规律,采用主动和被动热控方法开展热设计,对转动关节热设计、大功率密度光学器件散热技术、散热面和高精度控温设计方面进行了介绍。并根据热设计状态,设计了单机的热平衡试验,通过高低温热平衡试验对热设计方案进行验证。试验结果表明,设计方案合理可行,为后续转动高热流密度的载荷热设计提供借鉴思路。

激光通信终端主体热设计与热分析

激光通信终端主体作为一种新兴的信号传输载体,工作时光学器件发热量大,对温度均匀性和稳定性要求高,给热设计带来挑战.针对载荷的工作特性和外部空间环境规律,对单机产品进行热设计:针对大功率发热元器件散热采用导热板+热管的途径进行散热,并对关键部件实现高精度控温措施.通过Thermal Desktop热分析软件对极端工况进行数值模拟,计算结果表明,激光通信终端主体温度场满足设计要求,热设计方案合理可行.

PI控制在空间相机精密控温上的应用

以某空间相机镜筒作为控制对象,建立了热分析模型,提出了基于积分分离式比例积分(PI)主动热控制的温度控制方法。积分分离式PI算法采用增量式计算、位置式输出,将输出的加热功率值转换为一个控温周期内的加热时间。以相机镜筒的热分析模型为基础,通过Ziegler-nichols参数整定方法获取积分分离式PI算法的比例参数和积分参数,利用热分析软件Thermal Desktop对空间相机镜筒进行了热分析,获取控温算法的控温性能。结果表明:积分分离式PI控制方法响应快,消除了稳态误差,较比例(P)控制具有更好的动、静态特性,适用于有高精度控温需求的主动控温设计。

一种基于遥测温度的航天器在轨故障分析方法

分析设备在轨温度异常变化的3个原因:遥测数据错误、设备周边热边界异常变化和设备内部热状态异常变化,提出用故障树来确定温度异常变化原因的分析方法,并进行实例分析。以某卫星寿命末期蓄电池故障时的遥测温度数据为基础,通过热分析模型进行了多工况的模拟,排除了遥测温度异常、卫星姿态异常、主动控温异常等因素,得出故障是由于电池内部热耗异常增加的结论。

试验电缆发热对热设计验证的影响分析

试验电缆发热是航天器热平衡试验中一个难以消除的附加影响因素,常对热设计的正常验证造成很大干扰,分析其影响是保证热平衡试验验证正确有效的一项重要措施。针对试验电缆发热对试验结果及热设计验证的影响,文章以我国海洋-2(HY-2)卫星散射计探测头部热平衡试验为例,提出了一种定量分析的方法,并描述了对其影响进行分析和予以消除的具体过程。通过讨论散射计探测头部热平衡试验的特点,以及具有类似特点的系统级和部件级热平衡试验的情形,归纳了试验电缆发热定量分析的具体实施方式,并总结了适用于定量分析的热设计验证试验的特点。在轨遥测数据表明,定量分析的方式可正确有效地评估试验电缆发热的影响,修正后的计算模型可对在轨温度进行准确的预示。

星外快旋部件的热设计方法

文章分析了星外快旋部件的热设计特点和难点,包括整体散热能力较小、热管工作条件苛刻、散热面外热流复杂、加热回路资源有限等多个方面;结合HY-2卫星散射计探测头部和辐射计探测头部的热设计方案,描述了星外快旋部件的热设计方法和热设计要点;最后对散射计探测头部和辐射计探测头部,采用"机-电-热"一体化的设计方法,得出了合理可行的星外快旋部件的热设计方案。

预估太阳电池阵在轨最高温度的经验公式

针对距地高度为300～1000km的太阳同步轨道，分析了一维转动展开式太阳电池阵的温度影响因素，给出了计算太阳电池阵最高温度的经验公式。此公式同样适用于低地球轨道的卫星，且计算结果可包络卫星热控状态变化带来的影响，在太阳电池阵设计阶段可为电源分系统提供太阳电池阵最高温度的初步数据。

聚酰亚胺薄膜型电加热回路耐高温试验研究

文章以镀锡铜芯导线焊连的聚酰亚胺薄膜型电加热回路为对象,研究了真空环境中不同高温条件下加热回路各组成部分的耐高温能力及其与安装面之间的绝缘性能。试验结果表明:高温条件下加热回路自身不会发生短路现象且回路的耐温上限为350℃,耐温薄弱环节为导线和焊点。最后文章针对加热回路的薄弱环节提出了改进措施,可以使加热回路的耐温上限提升到450℃以上。