CN101519127A - 一种基于lhp被动散热的微小卫星主动热控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LHP被动散热的微小卫星主动热控系统，包括有热流温度数据处理模块和主动热控装置，该主动热控装置为：是在LHP冷凝器与LHP蒸发器之间分别安装有LHP回流通道、LHP蒸汽通道；发热设备与LHP蒸发器之间粘接有热流传感器，发热设备上安装有A温度传感器；LHP冷凝器安装在散热面辐射器的内表面上；散热面辐射器的外表面上设有A沟槽、B沟槽；A沟槽、B沟槽内分别安装有温度传感器。所述热流温度数据处理模块包括有温度通道偏差产生单元、热流通道偏差产生单元、双通道偏差信号融合单元和热流－温度控制转换单元。该主动热控系统实现了温度和热流的双通道数据融合，在保证热控系统稳态性能良好的前提下，提高了微小卫星的热控系统的响应速度，消除了热控百叶窗的频繁振动，延长了热控百叶窗机械结构的使用寿命。

Description

一种基于LHP被动散热的微小卫星主动热控系统

技术领域

本发明涉及一种热控系统，更特别地说，是指一种基于LHP被动散热的微小卫星主动热控系统。

背景技术

微小卫星是指质量在100Kg以下的微型卫星，由于采用大规模集成电路的设计思想和制造工艺，因而微小卫星具有体积小、质量轻、制造和发射成本低的优点，在通信、军事、地质勘探、环境与灾害监测、交通运输、气象服务、科学实验、深空探测等方面有着广泛应用。

在微小卫星平台中，热控系统扮演着重要角色，在轨飞行时，微小卫星处于严酷的外部热环境下工作，如果不加任何热控措施，大幅度的热环境变化会导致舱内设备及部件故障。为了保证舱内设备及部件的正常工作，热控系统需要对微小卫星内外热量交换进行控制，为舱内提供一个稳定的热环境。

传统的卫星热控系统以被动方式为主，其中针对微小卫星的LHP(Loop heatpipe，回路热管)被动换热技术在国内外有诸多学者进行了研究，其特点是利用自身的工质相变特性，将热量从发热设备传送到微小卫星的散热面辐射器上，但是被动热控方法本身不具有自动热控制能力，当存在较强外热流干扰时，舱内热环境也会发生大范围波动，很难保持舱内热环境的稳定。

近年来，为了实现卫星内热环境的自动调控，主动热控技术得到了迅速发展。主动热控制方法是在变化的内、外热环境条件下，利用自动热控技术，使舱内设备及部件工作在特定的热环境中。在微小卫星热控系统常用的一种主动热控部件是热控百叶窗，热控百叶窗安装于微小卫星散热辐射器的外部，通过热控百叶窗开度调整实现对微小卫星辐射散热面的遮挡，最终实现对微小卫星内外热交换热量的控制。早期主动热控制系统是以温度作为控制参考量，稳态时具有较好控制特性，但当外部热流扰动存在时，动态过程存在长时间震荡，从而导致百叶窗频繁动作，造成器机械结构过度磨损，导致其寿命和可靠性受到限制，不利于其长期使用。

发明内容

为了提高微小卫星热控制系统的反应速度，延长热控百叶窗的使用寿命，本发明提出一种基于LHP被动散热的微小卫星主动热控系统。该主动热控系统利用LHP被动热控技术传热性能好的优点，同时引入热流控制技术，将LHP的吸、放热热流测量用于热控百叶窗的主动控制，实现了微小卫星舱内热环境的主被动综合控制，由于热流控制的引入，实现了温度和热流的双通道数据融合，在保证热控系统稳态性能良好的前提下，提高了微小卫星的热控系统的响应速度，消除了热控百叶窗的频繁振动，延长了热控百叶窗机械结构的使用寿命。

本发明的一种基于LHP被动散热的微小卫星主动热控系统，包括有热流温度数据处理模块和主动热控装置，该主动热控装置为：是在LHP冷凝器与LHP蒸发器之间分别安装有LHP回流通道、LHP蒸汽通道；发热设备与LHP蒸发器之间粘接有热流传感器，发热设备上安装有A温度传感器；LHP冷凝器安装在散热面辐射器的内表面上；散热面辐射器的外表面上设有A沟槽、B沟槽；B温度传感器置于A沟槽后，用第一涂层材料涂覆在B温度传感器表面；C温度传感器置于B沟槽后，用第二涂层材料涂覆C温度传感器表面。

所述热流传感器用于测量LHP蒸发器从发热设备中吸收热量的热流密度，即吸收热流密度q_a。

所述A温度传感器用于采集发热设备在工作时的设备工作温度，即设备温度T_A。

所述B温度传感器用于采集散热面辐射器的外表面的A沟槽处的第一涂层温度T_B。

所述C温度传感器用于采集散热面辐射器的外表面的B沟槽处的第二涂层温度T_C。

所述热流温度数据处理模块包括有温度通道偏差产生单元、热流通道偏差产生单元、双通道偏差信号融合单元和热流-温度控制转换单元。温度通道偏差产生单元对接收的设备温度T_A和参考温度T_R进行差值比较得到发热设备温度差ΔT，即ΔT＝T_A-T_R；然后对发热设备温度差ΔT进行乘以第一系数K_t的无量纲处理，获得无量纲温度差

；热流通道偏差产生单元第一方面对接收的吸收热流密度q_a进行第一热量转换Q_吸＝S_aq_a得到LHP蒸发器的吸收热流Q_吸；第二方面对接收的第一涂层温度T_B和第二涂层温度T_C根据排放热流密度 $q_m=\frac{\mathrm{\σ}({\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\ϵ}}_2{T}_C^4-{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\ϵ}}_1{T}_B^4)}{{\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_2}$ 得到LHP冷凝器的散热热流密度数，然后对q_m进行第二热量转换Q_散＝S_mq_m得到LHP冷凝器的散热热流Q_散；第三方面对LHP蒸发器的吸热热流Q_吸与LHP冷凝器之间的散热热流Q_散进行差值比较，得到热流偏差e_q，然后对热流偏差e_q乘以第二系数K_q的无量纲处理，得到无量纲热流偏差

；双通道偏差信号融合单元第一方面依据热流-温度权值关系 $K_a=\mathrm{\α}(1-\exp (-\frac{{{\stackrel{\‾}{e}}_q}^2}{{\mathrm{\ρ}}^2}))$ 获得热流通道误差信号权值K_a；第二方面对接收的无量纲热流偏差

和无量纲温度差

依据权值融合关系 $e=K_a\stackrel{\‾}{e_q}+(1~K_a)\stackrel{\‾}{e_t}$ 得到融合偏差信号e；热流-温度控制转换单元对接收的融合偏差信号e进行热控百叶窗的开度关系 $u=K_{p}e\left(t\right)+K_i{\∫}_0^{\∞}e\left(t\right)\mathrm{dt}+K_d\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$ 解析，得到热控百叶窗的控制律u，该控制律u用于控制热控百叶窗的动作。

本发明的一种基于LHP被动散热的微小卫星主动热控系统的优点：

(1)LHP冷凝器、LHP蒸发器、LHP回流管道和LHP蒸汽管道形成的一个热流通道，该热流通道利用了LHP被动热控技术，能够具有良好传热性能。

(2)在发热设备与LHP蒸发器之间粘接热流传感器，用于测量发热设备向LHP蒸发器传递热量的热流密度q_a(即吸收热流密度)；将该热流密度q_a与散热面辐射器上的两个温度传感器获取的两个温度信息T_B、T_C表征的LHP冷凝器向散热面辐射器传递热量的热流密度q_m(即排放热流密度)进行差值比较，通过吸收—排放热流方式的处理，实现了LHP热流偏差测量。

(3)应用第一温度传感器采集发热设备工作时温度与参考温度进行差值比较，该温度偏差与热流通道产生的LHP热流偏差进行依权值比例进行数据融合，得到双通道融合偏差e。本发明得到的双通道融合偏差e作为热流-温度控制转换单元的输入，由于引入了热流偏差信号参与控制，与单一的温度偏差信号控制相比，提高了整个热控系统控制的快速性，保证了舱内热控系统的稳态。

(4)应用PID控制器输出的控制律来控制热控百叶窗的开度，实现了微小卫星热控系统的主动控制。该热控百叶窗基于热流和温度双通道测量的主动控制方式，提高了微小卫星热控系统的反应速度，消除了热控百叶窗的频繁振动，延长了热控百叶窗机械结构的使用寿命。

附图说明

图1是微小卫星的外部结构示意图。

图2是微小卫星内部LHP热控回路结构图。

图3是本发明散热面辐射器的结构图。

图4是本发明基于温度和热流双通道测量的百叶窗主动热控系统结构框图。

图中：1.热控百叶窗 2.散热面辐射器 21.外表面 22.内表面23.A沟槽      23A.第一涂层材料           24.B沟槽     24A.第二涂层材料3.LHP蒸汽通道 4.LHP冷凝器  5.LHP蒸发器  6.热流传感器 7.发热设备8A.A温度传感器             8B.B温度传感器            8C.C温度传感器9.LHP回流通道 101.温度通道偏差产生单元  102.热流通道偏差产生单元103.双通道偏差融合单元    104.热流-温度控制转换单元

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1所示，一般微小卫星的背离太阳光的面上设有散热面辐射器2，散热面辐射器2的外表面21安装有热控百叶窗1，散热面辐射器2的内表面22与LHP冷凝器4安装在一起。所述散热面辐射器2的外表面21涂敷有高辐射率、低吸收率的热控涂层(该热控涂层的材料可以是F46薄膜镀铝或者聚酰亚胺薄膜镀铝)，微小卫星在轨运行时，散热面辐射器2和热控百叶窗1始终背离太阳光，用于向宇宙空间排散微小卫星舱内设备及部件工作时产生的废热。而热控百叶窗1则通过对散热面辐射器2的遮挡实现了舱内热量交换，进而实现对微小卫星舱内热环境的控制。

参见图2、图3所示，为了解决微小卫星舱内的热环境，本发明通过驱动热控百叶窗1的开度实现对微小卫星与外部空间的热交换。本发明提出的一种基于LHP被动散热的微小卫星主动热控系统，该系统至少包括有热流温度数据处理模块和主动热控装置。该主动热控装置为：是在LHP冷凝器4与LHP蒸发器5之间分别安装有LHP回流通道9(LHP冷凝器4的输出端与LHP蒸发器5的输入端)、LHP蒸汽通道3(LHP蒸发器5的输出端与LHP冷凝器4的输入端)；发热设备7与LHP蒸发器5之间粘接有热流传感器6，发热设备7上安装有A温度传感器8A；LHP冷凝器4安装在散热面辐射器2的内表面21上；散热面辐射器2的外表面21上设有A沟槽23、B沟槽24；B温度传感器8B置于A沟槽23后，用第一涂层材料23A涂覆在B温度传感器8B表面；C温度传感器8C置于B沟槽24后，用第二涂层材料24A涂覆C温度传感器8C表面。第一涂层材料23A与第二涂层材料24A为不同的辐射率、吸收率的涂层材料，第一涂层材料23A可以是S781自漆或者铝镀黑镍，第二涂层材料24A可以是铝镀黑镍或者S781自漆，在实际应用中需要涂覆在B温度传感器8B、C温度传感器8C上的涂层材料选取不同材料即可。

在本发明中，热流传感器6用于测量LHP蒸发器5从发热设备7中吸收热量的热流密度，记为q_a，简称为吸收热流密度q_a。热流传感器6可以选取Captec公司生产的HS-30型号热流传感器。

在本发明中，A温度传感器8A用于采集发热设备7在工作时的设备工作温度，记为T_A，简称为设备温度T_A。对于发热设备7的正常工作温度记为T_R，简称为参考温度T_R，该T_R＝280K～305K。

在本发明中，B温度传感器8B用于采集散热面辐射器2的外表面21的A沟槽23处的第一涂层温度，记为T_B。

在本发明中，C温度传感器8C用于采集散热面辐射器2的外表面21的B沟槽24处的第二涂层温度，记为T_C。

在本发明中，三个温度传感器可以选取Heraeus公司生产的PT1000型号的薄膜式温度传感器。

本发明的一种基于LHP被动散热的微小卫星主动热控系统，对于热流传感器和三个温度传感器输出的相关信息在热流温度数据处理模块中进行数据融合的处理，处理输出的控制律u作为控制热控百叶窗动作。所述热流温度数据处理模块可以内嵌在微小卫星的SST系列单片机、或者DSP处理器等智能芯片上。所述热流温度数据处理模块包括有温度通道偏差产生单元101、热流通道偏差产生单元102、双通道偏差信号融合单元103和热流-温度控制转换单元104。对于热控百叶窗的主动热控处理包括有下列步骤：

参见图4所示，本发明公开的热流温度数据处理模块为一个基于温度和热流的、具有双通道测量能力的、能够对热控百叶窗1进行主动打开一定开度进行热交换的处理模块。该热流温度数据处理模块进行热控百叶窗1的主动热控处理为：

温度通道偏差产生单元101，该单元对接收的设备温度T_A和参考温度T_R进行差值比较得到发热设备温度差ΔT，即ΔT＝T_A-T_R；为了便于与热流数据融合，对发热设备温度差ΔT进行乘以第一系数K_i的无量纲处理，获得无量纲化后的温度差

(简称为无量纲温度差

)；

热流通道偏差产生单元102，该单元第一方面对接收的吸收热流密度q_a进行第一热量转换Q_吸＝S_aq_a(S_a表示发热设备7与LHP蒸发器5的接触面积)得到LHP蒸发器5的吸收热流Q_吸；该单元第二方面对接收的第一涂层温度T_B和第二涂层温度T_C根据排放热流密度 $q_m=\frac{\mathrm{\σ}({\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\ϵ}}_2{T}_C^4-{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\ϵ}}_1{T}_B^4)}{{\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_2}$ 得到LHP冷凝器4的散热热流密度数，然后对q_m进行第二热量转换Q_散＝S_mq_m得到LHP冷凝器4的散热热流Q_散(即微小卫星散热面辐射器辐射热流值)；该单元第三方面对LHP蒸发器5的吸热热流Q_吸与LHP冷凝器4之间的散热热流Q_散进行差值比较，得到热流偏差e_q，为了便于与温度数据融合，对热流偏差e_q进行乘以第二系数K_q的无量纲处理，得到无量纲化后的热流偏差(简称无量纲热流偏差

)；

σ为Stefan-Boltzmann常数，约为5.67×10^-8W/(m²·K⁴)。

T_B为B温度传感器8B采集到的散热面辐射器2的外表面21的A沟槽23处的第一涂层温度。

T_C为C温度传感器8C采集到的散热面辐射器2的外表面21的B沟槽24处的第二涂层温度。

α₁为第一涂层材料的吸收率，ε₁为第一涂层材料的辐射率。

α₂为第二涂层材料的吸收率，ε₂为第二涂层材料的辐射率。

α₁、α₂、ε₁和ε₂的参数是根据选取的材料体系经查涂层材料手册可以得到。

双通道偏差信号融合单元103，该单元第一方面依据热流-温度权值关系 $K_a=\mathrm{\α}(1-\exp (-\frac{{{\stackrel{\‾}{e}}_q}^2}{{\mathrm{\ρ}}^2}))$ 获得热流通道误差信号权值K_a；该单元第二方面对接收的无量纲热流偏差

、无量纲温度差

依据权值融合关系 $e=K_a\stackrel{\‾}{e_q}+(1~K_a)\stackrel{\‾}{e_t}$ 得到融合偏差信号e。

α为函数形状调整系数，且α∈[0，1]。

ρ²为高斯函数标准方差。

该函数值域范围为K_a∈[0，α]，形状为倒钟形，当热流偏差 $\stackrel{\‾}{e_q}\→\∞$ 时， $K_a\→\mathrm{\α},$ 当 $\stackrel{\‾}{e_q}\→0$ 时， $K_a\→0,$ 即当热流偏差较大时，该函数能够保证热流偏差具有较大权值，反之，热流偏差具有较小权值。

在此步骤中，权值融合关系 $e=K_a\stackrel{\‾}{e_q}+(1~K_a)\stackrel{\‾}{e_t}$ 中，融合偏差信号e中两路偏差信号(热流偏差信号

、温度偏差信号

比重依据权值K_a进行分配，当热流偏差信号

大时，融合偏差信号e以热流偏差为主，温度偏差为辅，即融合偏差信号e作为热流-温度融合单元的输入，以热流控制为主；反之热流偏差信号

小时，融合偏差信号e以温度偏差为主，热流偏差为辅，即融合偏差信号e作为热流-温度融合单元的输入。在本发明中，热控系统用热流偏差作为主要控制量使整个热系统很快接近热平衡，当接近热平衡时引入温度偏差作为控制变量，实现热环境的精确控制。

热流-温度控制转换单元104，该单元对接收的融合偏差信号e进行热控百叶窗开度关系 $u=K_{p}e\left(t\right)+K_i{\∫}_0^{\∞}e\left(t\right)\mathrm{dt}+K_d\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$ 解析，得到热控百叶窗的控制律u。

K_p、K_i、K_d分别为PID控制器的比例系数、积分系数、微分系数。

e(t)为微小卫星在t时刻的融合偏差信号e的时域变量。

为融合偏差信号e的积分。

为融合偏差信号e的微分。

在本发明中，由于融合偏差信号e包含了温度和热流两种反馈信息，从而实现了基于温度和热流双通道测量的热控百叶窗动态控制，该控制既实现了微小卫星热系统对热控制的稳态性能追求，又提高了控制的快速性，减少了热控百叶窗的频繁振动，延长了热控百叶窗的使用寿命。

Claims (7)

1、一种基于LHP被动散热的微小卫星主动热控系统，包括有热流温度数据处理模块和主动热控装置，其特征在于该主动热控装置为：是在LHP冷凝器(4)与LHP蒸发器(5)之间分别安装有LHP回流通道(9)、LHP蒸汽通道(3)；发热设备(7)与LHP蒸发器(5)之间粘接有热流传感器(6)，发热设备(7)上安装有A温度传感器(8A)；LHP冷凝器(4)安装在散热面辐射器(2)的内表面(21)上；散热面辐射器(2)的外表面(21)上设有A沟槽(23)、B沟槽(24)；B温度传感器(8B)置于A沟槽(23)后，用第一涂层材料(23A)涂覆在B温度传感器(8B)表面；C温度传感器(8C)置于B沟槽(24)后，用第二涂层材料(24A)涂覆C温度传感器(8C)表面；

所述热流传感器(6)用于测量LHP蒸发器(5)从发热设备(7)中吸收热量的热流密度，即吸收热流密度q_a；

所述A温度传感器(8A)用于采集发热设备(7)在工作时的设备工作温度，即设备温度T_A；

所述B温度传感器(8B)用于采集散热面辐射器(2)的外表面(21)的A沟槽(23)处的第一涂层温度T_B；

所述C温度传感器(8C)用于采集散热面辐射器(2)的外表面(21)的B沟槽(24)处的第二涂层温度T_C；

所述热流温度数据处理模块包括有温度通道偏差产生单元(101)、热流通道偏差产生单元(102)、双通道偏差信号融合单元(103)和热流-温度控制转换单元(104)；

温度通道偏差产生单元(101)对接收的设备温度T_A和参考温度T_R进行差值比较得到发热设备温度差ΔT，即ΔT＝T_A-T_R；然后对发热设备温度差ΔT进行乘以第一系数K_t的无量纲处理，获得无量纲温度差

热流通道偏差产生单元(102)第一方面对接收的吸收热流密度q_a进行第一热量转换Q_吸＝S_aq_a得到LHP蒸发器(5)的吸收热流Q_吸；第二方面对接收的第一涂层温度T_B和第二涂层温度T_C根据排放热流密度 $q_m=\frac{\mathrm{\σ}({\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\ϵ}}_2{T}_C^4-{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\ϵ}}_1{T}_B^4)}{{\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_2}$ 得到LHP冷凝器(4)的散热热流密度数，然后对q_m进行第二热量转换Q_散＝S_mq_m得到LHP冷凝器(4)的散热热流Q_散；第三方面对LHP蒸发器(5)的吸热热流Q_吸与LHP冷凝器(4)之间的散热热流Q_散进行差值比较，得到热流偏差e_q，然后对热流偏差e_q乘以第二系数K_q的无量纲处理，得到无量纲热流偏差

双通道偏差信号融合单元(103)第一方面依据热流-温度权值关系 $K_a=\mathrm{\α}(1-\exp (-\frac{{\stackrel{\‾}{e_q}}^2}{{\mathrm{\ρ}}^2}))$ 获得热流通道误差信号权值K_a；第二方面对接收的无量纲热流偏差

和无量纲温度差

依据权值融合关系 $e=K_a\stackrel{\‾}{e_q}+(1~K_a)\stackrel{\‾}{e_t}$ 得到融合偏差信号e；

热流-温度控制转换单元(104)对接收的融合偏差信号e进行热控百叶窗(1)的开度关系 $u=K_{p}e\left(t\right)+K_i{\∫}_0^{\∞}e\left(t\right)\mathrm{dt}+K_d\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$ 解析，得到热控百叶窗(1)的控制律u，该控制律u用于控制热控百叶窗(1)的动作。

2、根据权利要求1所述的基于LHP被动散热的微小卫星主动热控系统，其特征在于：在同一散热面辐射器(2)上涂覆第一涂层材料(23A)与第二涂层材料(24A)应当为不同材料。

3、根据权利要求1或2所述的基于LHP被动散热的微小卫星主动热控系统，其特征在于：第一涂层材料(23A)是S781白漆或者铝镀黑镍。

4、根据权利要求1或2所述的基于LHP被动散热的微小卫星主动热控系统，其特征在于：第二涂层材料(24A)是铝镀黑镍或者S781白漆。

5、根据权利要求1所述的基于LHP被动散热的微小卫星主动热控系统，其特征在于：所述热流温度数据处理模块内嵌在SST系列单片机或者DSP处理器芯片上。

6、根据权利要求1所述的基于LHP被动散热的微小卫星主动热控系统，其特征在于：采用温度和热流的双通道模式对热控百叶窗(1)进行开度控制。

7、根据权利要求1所述的基于LHP被动散热的微小卫星主动热控系统，其特征在于：通过驱动热控百叶窗(1)的开度实现了对微小卫星与外部空间的热交换。

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