王瑾1,劉小旭1,李德富1,陳益1，鞏萌萌2

　?。?．北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2．中國運載火箭技術(shù)研究院 研究發(fā)展中心，北京 100076）

　　摘要：隨著航天器變軌、快速機動等復(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)自主管理的進一步研究方向，為未來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；快速機動；智能熱控；自主管理

　　中圖分類號：V416文獻標識碼：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，在航天器整個任務(wù)周期中，擔(dān)負著為航天器內(nèi)部所有機電設(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)。隨著未來航天器可能面臨的變軌、快速機動等復(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)當前的工作要求自主調(diào)整［13］。傳統(tǒng)的熱控設(shè)計不能滿足要求，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。國內(nèi)外對于智能化熱控系統(tǒng)進行了大量的研究，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，介紹了智能熱控技術(shù)的應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及進展，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)，通過消耗航天器上的能源，利用溫度傳感器、執(zhí)行機構(gòu)以及控制器組成一套完整的控制系統(tǒng)實現(xiàn)控溫點的溫度控制。目前研究較多的智能熱控執(zhí)行機構(gòu)包括電加熱器、機械泵、溫控閥、輻射器等。其中電加熱器智能熱控通過調(diào)節(jié)加熱功率，實現(xiàn)部件的定點溫度控制；熱控百葉窗主要通過調(diào)節(jié)覆蓋在散熱基面的可轉(zhuǎn)葉片的角度來控制對外輻射的強度，達到控制航天器表面對外散熱的目的；溫控閥和機械泵是通過控制流體流量的方式實現(xiàn)溫度控制。圖1是以電加熱器為控制對象的PID智能熱控流程圖。

2智能熱控技術(shù)研究現(xiàn)狀

　　對于智能熱控技術(shù)而言，可控執(zhí)行部件和控制策略是整個智能熱控中最為重要的環(huán)節(jié)?？煽貓?zhí)行部件是熱控系統(tǒng)的受控對象，控制策略對系統(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，開關(guān)控制作為控制策略，當設(shè)備溫度低于溫度下限時控制加熱器接通，高于溫度上限時控制加熱器斷開，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、機械泵、溫控閥、熱控百葉窗以及儲液器等，其中機械泵、溫控閥、儲液器以及熱控百葉窗等均是流體回路的可控執(zhí)行部件。國內(nèi)外專家學(xué)者針對流體回路控溫進行了大量的研究，其中劉東曉等人進行了泵控技術(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平臺，完成了在開環(huán)和閉環(huán)條件下的溫度動態(tài)特性以及控制試驗，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)簡單、操作靈敏等特點，已經(jīng)在我國“神舟”號載人飛船流體回路中用于實現(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靜電力驅(qū)動實現(xiàn)低發(fā)射率可動葉片遮擋高發(fā)射率散熱表面達到控溫的目的。美國約翰霍普金大學(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)對微型熱控百葉窗進行了大量的研究［1315］。圖3為美國霍普斯金大學(xué)應(yīng)用物理實驗室研究的ST5 試驗衛(wèi)星微型熱控百葉窗結(jié)構(gòu)圖，可實現(xiàn)發(fā)射率在0.05~0.3范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)。對于環(huán)路熱管，國內(nèi)外幾乎全部都是通過儲液器智能控溫的方式實現(xiàn)環(huán)路熱管的精密控溫［68］。如美國應(yīng)用于ICESAT航天器的地球科學(xué)激光測高儀(GLAS)的環(huán)路熱管，通過采用儲液器智能控溫的方式可以實現(xiàn)±0.1℃的控溫精度［7］。國內(nèi)對于環(huán)路熱管的智能控溫研究尚處于地面原理樣機階段，未進行過飛行試驗。

　　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，針對空間大幅度外熱流以及變軌變化的場合，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、魯棒性好、學(xué)習(xí)能力以及控制能力不斷增強等特點，可以自動測量被控對象的被控制量，并求出與期望值的偏差，進而根據(jù)所采集的輸入信息和已有知識進行推理，得到對被控對象的輸出控制，同時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、機器學(xué)習(xí)、進化計算和遺傳算法等。

　　目前，國外針對智能控制策略在航天器上的應(yīng)用研究文獻并不多，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程控制［1618］和機器人智能控制［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，進行了一系列的理論研究。楊娟等針對微型百葉窗的驅(qū)動問題，提出一種基于模糊PI混合控制的智能化控制方法，實現(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)輻射器開度，實現(xiàn)艙內(nèi)受控點溫度快速穩(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，實現(xiàn)系統(tǒng)自身依據(jù)所辨識出的外部軌道熱環(huán)境及內(nèi)部熱負荷變化進行控制變量的自主調(diào)節(jié)，達到優(yōu)化協(xié)調(diào)多個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］；同時劉佳等人對單相流體熱控系統(tǒng)的溫控閥和微型百葉窗控制進行了研究，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。李運澤等人提出并設(shè)計了一種將環(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)動的智能熱控策略實現(xiàn)系統(tǒng)的溫度控制以及熱流辨識［2324］。但是，國內(nèi)對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，對于實際應(yīng)用還有很大的改進空間。

3智能熱控技術(shù)研究展望

　　近年來，隨著航天器對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。國內(nèi)外對智能熱控裝置以及智能熱控系統(tǒng)進行了大量的研究，機械泵、溫控閥、熱控百葉窗以及儲液器均是流體回路中的部件，通過控制器不同程度地控制流體流量、壓力或者是輻射器發(fā)射率的方式來實現(xiàn)溫度控制?？刂凭群涂刂瓶煽啃允侵鲃訜峥啬軌蛟诠こ躺峡煽繎?yīng)用的關(guān)鍵?？刂凭扔煽刂撇呗缘膬?yōu)化實現(xiàn)?？刂瓶煽啃孕枰ㄟ^機械加工、工藝優(yōu)化以及試驗考核等進行。因此，由此引申出來的理論研究是未來智能熱控技術(shù)進一步研究的方向。

參考文獻

　?。?］ 侯增祺，胡金剛. 航天器熱控技術(shù)原理及其應(yīng)用［M］. 北京: 中國科學(xué)技術(shù)出版社, 2007.

　　［2］ GILMORE D G. Spacecraft thermal control handbook［M］.California: The Aerospace Press,2002.

　?。?］ SWANSON T D, BIRUR G C. NASA thermal control technologic for robotic spacecraft［J］.Applied Thermal Engineering, 2003, 23（9）:1055-1065.

　?。?］ 寧獻文,張加旭.基于泵變頻調(diào)速的航天器熱控制技術(shù)［J］.中國空間科學(xué)技術(shù),2011,31(2):47-52.

　?。?］ 寧獻文,張加迅,趙欣.衛(wèi)星單相流體回路熱控系統(tǒng)前饋PID控制［J］.中國空間科學(xué)技術(shù),2008,28(4)：1-6.

　?。?］ 丁汀, 邵興國, 崔麗萍, 等.兩相流體回路系統(tǒng)控溫研究［C］.貴陽:第十屆全國熱管會議論文, 2006：403412.

　?。?］ BAKER C, GROB E, McCARTHY T, et al. Geosciences Laser Altimetry System (GLAS) onorbit flight report on the propylene Loop Heat Pipes (LHPs)［C］. New Mexico,Albuquerque:Space Technology and Applications International Forum, American Institute of Physics, 2004.

　?。?］ FRANK B, REINHARD S, OLIVER B. Emerging loop heat pipe applications for smallsat［C］. Texas USA,San Antonio:International Conference On Environmental Systems,2002.

　?。?］ YAN Z B, TOH K C, DUAN F, et al. Experimental study of impingement spray cooling for high power devices［J］. Applied Thermal Engineering, 2010, 30(10): 1225-1230.

　?。?0］ 郭堅,陳燕,邵興國.航天器熱控自主管理中的智能控制技術(shù)［J］.航天器工程,2012,21(6):49-53.

　?。?1］ 童葉龍,李國強,余雷,等.高熱流CCD器件散熱與精密控溫技術(shù)［J］.航天返回與遙感,2014,35(5):46-53.

　?。?2］ 劉東曉, 李運澤, 李淼,等. 微小航天器單相流體回路自主熱控地面實驗研究［J］. 宇航學(xué)報, 2012, 33(3): 392-398.

　?。?3］ CARLISLE C W, EVAN H. Space technology 5a successful microsatellite constellation mission［J］.IEEE Sensors, 2004, 4(4):525-531.

　?。?4］ 萬凱,任建勛.微熱控百葉窗驅(qū)動器的分析與模擬［J］.工程熱物理學(xué)報,2007,28(1):125127.

　?。?5］ 鄧德喜.MEMS熱控百葉窗仿真與實驗研宄 ［D］.南京:南京理工大學(xué),2007.

　　［16］ SALEHI S, SHAHROKHI M. Adaptive fuzzy backstopping approach for temperature control of continuous stirred tank reactors［J］.Fuzzy Sets and Systems,2009,160(12): 1804-1818.

　?。?7］ 孫友增,鄒海榮.基于3D激光掃描系統(tǒng)的模糊自整定PID控制的研究［J］.微型機與應(yīng)用, 2016,35(11):48-50.

　?。?8］ KHALID M, OMATU S. A neural network controller for a temperature control system［J］.IEEE Control Systems,1992, 12(3): 58-64.

　?。?9］ WU S J, CHIANG H H, LINET H T, et al. Neturalnetworkbased optimal fuzzy controller design for nonlinear system［J］.Fuzzy Sets and System,2005, 154(2): 182207.

　?。?0］ 楊娟, 李運澤. 參數(shù)自整定模糊PI控制在納衛(wèi)星熱控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］. 空間科學(xué)學(xué)報, 2009,29(4): 438-442.

　?。?1］ 劉佳, 李運澤, 張加迅, 等.基于智能Agent的航天器MEMS自主熱控系統(tǒng)研究［J］. 航天器環(huán)境工程, 2009,26(6): 1423-1427.

　?。?2］ 劉佳, 李運澤, 劉東曉, 等. 衛(wèi)星MEMS熱控系統(tǒng)的動態(tài)特性及自主控制策略［J］. 航空學(xué)報, 2010, 31(4): 671-678.