CN101607604B - 卫星姿态控制和热控制一体化执行机构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

卫星姿态控制和热控制一体化执行机构，包括：串联连接构成工质循环回路的储液器、循环泵组件、第一流量分配阀、并列连接的热交换装置和第一旁通支路构成的热交换回路，以及辐射器/力矩器一体化装置；循环回路中流动有液态工质；其中循环泵组件用于驱动液态工质以一定流速和流量在循环回路中流动；辐射器/力矩器一体化装置包括并列连接的至少两条不同管路以及控制液态工质在所述不同管路中分配的装置，并且循环泵组件与辐射器/力矩器一体化装置顺次连接。能够实现微小卫星高热流密度器件的散热功能并同时提供姿态控制的单轴或多轴控制力矩，实现了姿控与热控执行机构的功能集成，提高了微小卫星的功能密度，且结构简单，成本低。

Description

卫星姿态控制和热控制一体化执行机构及其控制方法

技术领域

本发明涉及卫星控制，特别是涉及微小卫星的姿态控制和热控制，更具体地说，本发明提供了一种能同时实现上述两种控制的一体化执行机构和其控制方法。

背景技术

微小卫星具有体积小、重量轻、成本低以及功能密度高等技术特点，其在通信、对地观测、科学研究、技术演示、行星探测等诸多领域的应用日渐普及。在微小卫星的设计中，组部件的高密度集成和组部件的多功能化是实现微小卫星“好、快、省”设计目标的两种有效途径。

姿态控制和热控制分系统是微小卫星关键的核心组成部分，卫星热控分系统的功能是在空间环境下为星上仪器设备提供合适的温度环境，保证它们的正常工作。随着微小卫星(特别是星载电子系统)集成度的逐步提高，使得星载电子系统的体积不断减小、芯片集成密度不断提高、热流密度显着增加，同目前工业领域计算机芯片的散热问题制约着笔记本电脑的发展一样，热控问题也将成为微小卫星需要解决的首要问题之一。

卫星姿态控制系统的功能是根据任务需求控制卫星正确指向、保持指向轴的稳定，并根据需要改变卫星指向。姿态控制执行机构是对卫星产生控制力矩，改变卫星姿态运动的装置，其按照姿态控制器给出的控制指令，产生作用于卫星的力矩。目前，可用于卫星主动姿态控制的执行机构根据原理可分为质量排出式、动量交换式以及环境场式等。其中，动量交换式是利用卫星内部的动量发生装置与卫星星体之间的角动量交换来实现姿态控制，具有无工质消耗、无污染以及对卫星质心运动不产生干扰等优点，以飞轮为典型代表的动量交换式姿态控制执行机构在微小卫星上得到广泛应用。

目前，在卫星上主要采用多层隔热组件、热控土层等被动散热方式，由于其主动调节能力不足，可能导致卫星设备温度过高或过低，严重时会导致整个热控系统失效，无法正常工作。由于微小卫星的整星热容量和功率都很小，整星温度场更容易受到瞬态热载荷的影响，因此微小卫星必须具有更加有效的主动调节能力，从热控重量和需要的电加热功耗上看，传统的热控百叶窗等热控方法也无法满足对此要求非常苛刻的微小卫星的要求，需要发展新型的主动热控技术和方法。

使用泵驱动液态工质的流体循环热控是利用单相流体在管路及换热装置中的强迫对流换热，对卫星内设备的热量进行收集、输运、排散和利用的主动热控装置，具有热控能力强以及易于实现对较大范围内多个设备的热管理等优势，为解决卫星高热流密度散热问题提供了一条可行的技术途径。

但是现有技术中，卫星的姿态控制和热控制均是两套相对独立的控制系统，使用不同的控制策略和执行机构，并无直接关联。

发明内容

本申请发明人思及：流体循环热控系统中液态工质的沿流体回路做圆周运动流动会产生一定的角动量，若能精确控制回路中液态工质的流向和流速，根据角动量守恒的原理，则依靠该系统中液态工质和卫星之间的角动量交换即可实现微小卫星的姿态控制。基于上述思想，本发明提出了卫星姿态控制和热控制一体化执行机构的创新方案。从仅用一套分系统和执行机构同时解决姿态控制和热控制的角度来说，本发明在构思上属于开创性的发明。其目的包括但不限于以下各个方面：

1、提高卫星功能的集成化，解决现有卫星的控制分系统，特别是小卫星上各个控制分系统的执行机构和控制算法分立所带来的装置体积大和软件程序复杂的问题；

2、提供一种主动的散热方式，解决上述现有被动散热方式中由于其主动调节能力不足而导致的散热效果不佳的缺陷；

3、提供一种新的动量交换式卫星姿态控制执行机构；

4、提供一种具有高热流密度散热功能并同时能够提供单轴控制力矩的卫星姿态控制和热控制一体化执行机构及实现姿态控制和热控制的控制方法。

为达成上述目的，本发明提供了一种卫星姿态控制和热控制一体化执行机构，包括串联连接构成工质循环回路的以下部分：

储液器，其内存储有液态工质；

循环泵组件，用于驱动液态工质以一定流速和流量在循环回路中流动；

热交换回路，其包括第一流量分配阀和并列连接的热交换装置和第一旁通支路，用于卫星内部元件的散热；以及

辐射器/力矩器一体化装置，其包括并列连接的至少两条不同管路以及控制液态工质在所述不同管路中分配的装置，用于将热量散发到卫星星体之外和对卫星姿态进行控制；

其中，所述热交换回路和所述辐射器/力矩器一体化装置顺次连接，且在所述工质循环回路中流动有液态工质。

根据本发明的一个实施例，其中，所述辐射器/力矩器一体化装置为单轴控制装置，包括第二流量分配阀和一组控制管路，所述一组控制管路包括分别与该第二流量分配阀相连的顺向管路和逆向管路，所述顺向管路和逆向管路中的液态工质流动的角动量方向相反。

根据本发明的另一个实施例，所述辐射器/力矩器一体化装置为多轴控制装置，包括第三流量分配阀和分别与该第三流量分配阀相连的多组控制管路，其中，每组所述控制管路均包括顺向管路和逆向管路，所述顺向管路和逆向管路中的液态工质流动的角动量方向相反。

同时，本发明还提供了一种卫星姿态控制和热控制一体化执行机构的控制方法，该方法可使用上述执行机构实现，所述方法包括：

S1：开启循环泵组件，驱动液态工质在循环回路中流动；

S2：获取卫星的热源温度信息和姿态信息；

S3：计算期望的温度控制量和姿态控制力矩；

S4：根据分配算法计算与所述温度控制量和姿态控制力矩对应的第一流量分配阀和辐射器/力矩器一体化装置的控制指令；

S5：根据步骤S4计算的控制指令控制第一分配阀和辐射器/力矩器一体化装置动作，调节进入热交换回路和辐射器/力矩器一体化装置中液态工质的质量流率和分配，进而实现卫星的温度控制和姿态控制。

本发明的有益效果在于，能够实现微小卫星高热流密度器件的散热功能并同时提供姿态控制的单轴或多轴控制力矩，实现了姿控与热控执行机构的功能集成，提高了微小卫星的功能密度，且具有结构简单，成本低的优点。

附图说明

图1是本发明的卫星姿态控制和热控制一体化执行机构的实施例原理示意图；

图2是本发明的辐射器/力矩器一体化装置实施例一及其安装位置的立体图；

图3A、3B分别是本发明的辐射器/力矩器一体化装置实施例二及其安装位置的立体图和平面示意图；

图4A、4B分别是本发明辐射器/力矩器一体化装置的实施例三及其安装位置的立体和平面示意图；

图5是基于本发明所提出的卫星姿态控制和热控制一体化执行机构的控制原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明上述特征和优点作进一步的说明。为了叙述方便，下面对本说明书和权利要求书中涉及的词汇进行简要说明。本文中，“顺次”指按照液态工质的传递路径依照流经顺序，例如：第一、第二、第三装置“顺次”连接，是指第一装置的输出端连接第二装置的输入端；第二装置的输出端连接第三装置的输入端，从而使液态工质能在所述三个装置之间流动，少于或多于三个的装置以此类推。“串联连接”是指两个或两个以上装置的各种排列的顺次连接的任何一种，亦即“串联连接”对装置的次序不加限定。“并列连接”则是指两个或两个以上的装置连接到共同的输入和输出端，液态工质可在并列连接的装置之间分配。

图1是本发明的卫星姿态控制和热控制一体化执行机构的实施例原理示意图。在图1中，该执行机构为用于实现单轴姿态控制。

参照图1，本发明的卫星姿态控制和热控制一体化执行机构主要包括以下部分：储液器1；循环泵组件2；第一流量分配阀7、并列连接的热交换装置8和第一旁通支路构成的热交换回路；以及辐射器/力矩器一体化装置9。上述各个部分顺次相连构成一个闭合的工质循环回路，液态工质13在所述循环回路中流动。

理论上，循环泵组件2是用于给整个循环回路的液态工质流动提供驱动力，并控制其流量和流速，因此，其可位于工质循环回路中的任何位置。更进一步地，只要保证热交换回路与辐射器/力矩器一体化装置9二者之间是顺次连接，其它部分与之串联连接均可以实现本发明。而图1的顺次连接方式则为其中的优选实施例。

储液器1是用于控制整个回路参与循环的液态工质13的质量，其内部充有部分液态工质13，其余部分为饱和蒸汽。

循环泵组件2包括：液泵3、过滤器4、差压敏感器5及质量流量计6。其中，液泵3是保证液态工质以额定流量循环的关键部件，理论上，循环泵组件2只要有液泵3即可实现为一体化执行机构提供源动力的基本功能。但实际应用中，为了获得更好的效果，优选使用图1所示的结构。其中，液泵3可以为离心泵或循环泵。为了保持进入液泵3液态工质洁净度，在液泵3之前设有过滤器4。为了对液泵3的工作状态进行安全保障，在液泵3两端并列连接有差压敏感器5，以在由于装置过热使液态工质过度气化而导致压力过高时能及时发现，避免意外。在液泵3之后顺次连接有质量流量计6，以对工质流量进行检测。

热交换回路，包括第一流量分配阀7和并列连接的热交换装置8和第一旁通支路，用于卫星内部仪器设备的散热。其中，热交换装置8可为冷板或换热器。循环泵组件2输出的液体工质经过第一流量分配阀7使液态工质的一部分进入热交换装置8，另一部分经第一旁通支路直接进入辐射器/力矩器一体化装置9。通过连续调节进入热交换装置8液态工质的质量流率，在热沉条件一定时能够控制工质温度和工质在热交换装置8内的换热系数，进而控制安装在热交换装置8上的仪器设备的温度。

辐射器/力矩器一体化装置9包括：第二流量分配阀10和第一环形管路11、第二环形管路12，其中第一环形管路11和第二环形管路12内液态工质流动的角动量方向相反，分别为顺向和逆向，因此二者在本文中也称为顺向管路和逆向管路。本实施例中，辐射器/力矩器一体化装置9同时具备辐射散热功能和产生单轴姿态控制力矩的功能。

其中，经过热交换装置8的液态工质吸收热量后，进入辐射器/力矩器一体化装置9，通过第一环形管路11和第二环形管路12将热量直接排散到空间，从而实现散热功能。为便于向空间辐射热量，辐射器/力矩器一体化装置应安装于卫星表面。

而与反作用飞轮原理类似，绕流体回路做圆周运动的液态工质会产生一定的角动量，根据角动量定理可知，若要辐射器/力矩器一体化装置9产生对卫星本体的控制力矩，只需改变其液态工质圆周运动的总角动量即可实现。而通过控制在顺向和逆向管路中的工质流量和流速，即可通过二者角动量的矢量和来控制其总的角动量。

虽然，图1的实施例是以单轴姿态控制为例，辐射器/力矩器一体化装置9中只列举了一组控制管路，但是，显然，也可将所述辐射器/力矩器一体化装置设为多轴姿态控制装置。例如，辐射器/力矩器一体化装置9可包括第三流量分配阀和分别与该第三流量分配阀相连的多组控制管路。该第三流量分配阀对每组控制管路的流量流速分别进行控制。每组所述控制管路均包括顺向管路和逆向管路，所述顺向管路和逆向管路中的液态工质流动的角动量方向相反。用于两轴控制则设置两组控制管路，三轴控制则设置三组控制管路，这样的扩展在本发明公开的教导下本领域技术人员不再需要创造性的劳动即可实现，因此不再赘述。

为使液态工质流动产生尽可能大的角动量，可将控制管路设计为绕向相反的多圈环状结构，例如使第一环形管路11和第二环形管路12中工质流动环绕方向相反。当循环泵组件2输出的液态工质通过第二流量分配阀10后，若平均分配进入第一环形管路11和第二环形管路12中液态工质质量，由于液态工质流动速度近似相等，则第一环形管路11和第二环形管路12内液态工质产生的角动量大小相等、方向相反，整个辐射器/力矩器一体化装置9内的液态工质总角动量为零，此时不会影响卫星本体的角动量。

若要产生控制力矩，通过控制第二流量分配阀10分配进入第一环形管路11和第二环形管路12中液态工质的质量流率，使得进入两环形管路中液态工质产生质量流率差，由于可近似认为进入第一环形管路11和第二环形管路12中液态工质的流速相等，因此改变了辐射器/力矩器一体化装置9内的液态工质总角动量，进而产生了对卫星本体的控制力矩，达到姿态控制目的。

由于辐射器/力矩器一体化装置所能提供的姿态控制能力与液态工质的质量流率大小有关，因此为减小液体工质流动的阻力，第一环形管路11和第二环形管路12优选为光滑的流体管路，并且以圆环形或截面为圆的螺旋形设计为佳。

根据辐射器/力矩器一体化装置所应完成的功能和设计约束，本发明给出了三种可能的优选实现方案，分别如图2，图3A、3B，以及图4A、4B所示。

参见图2，其是本发明的辐射器/力矩器一体化装置实施例的方案I及其安装位置的立体图。方案I中辐射器/力矩器一体化装置9中第一环形管路11和第二环形管路12设计为弹簧状圆柱环形结构，分为上下两组反向缠绕的环路，并安装于卫星外围，便于向空间辐射热量。为提高辐射器/力矩器一体化装置9的最大角动量，进而提高其姿态控制能力，可采用多圈缠绕方式，并在满足重量和尺寸约束的前提下，使其缠绕半径尽可能大。

参见图3A、3B，其分别是本发明的辐射器/力矩器一体化装置实施例的方案II及其安装位置的立体图和平面示意图。方案II中辐射器/力矩器一体化装置9为单平面构形，第一环形管路11和第二环形管路12在平面内布局，仍为反向环绕。采用该方案能够减小其安装体积，并便于将辐射器/力矩器一体化装置9安装在背阳面，利于向空间辐射散热。也可将第一环形管路11和第二环形管路12集成于平面式辐射器或可变发射率辐射器以进一步增加辐射器/力矩器一体化装置9的辐射散热效率。较佳的是，顺向管路和逆向管路分别环绕至少两圈，且顺向管路和逆向管路交替分布。

参见图4A、4B，其分别是本发明辐射器/力矩器一体化装置的实施例的方案III及其安装位置的立体和平面示意图。方案III中辐射器/力矩器一体化装置9为双平面构形，顺向管路和逆向管路分别为位于两个平行的平面内的环形管路，且二者环绕方向相反。由于增加了散热面，提高了一体化装置的散热能力。并且第一环形管路11和第二环形管路12位于不同的散热面上，简化了管路布局。

液态工质13是流体回路中的载热体，通过液态工质13在回路中的循环，实现热量的收集、输送和排散，同时液体工质13的流动也是一体化执行机构产生姿态控制力矩的源动力，决定了姿态控制能力的大小。因此液态工质13应满足高比热容、高热导率、低粘度、高密度及宽工作温度范围的要求，所述液态工质13可以为乙醇水溶液、氟利昂或液氨等。

下面结合图5，对应用上述卫星姿态控制和热控制一体化执行机构进行卫星姿态和卫星电子设备温度控制的控制方法进行说明。一般来说，控制方法包括以下步骤：

S1：开启循环泵组件2，驱动液态工质在循环回路中流动。开始与卫星内热源、卫星外热源的热交换，以及根据卫星姿态动力学对卫星的姿态产生控制。

S2：获取卫星的热源温度信息和姿态信息。例如可利用温度传感器测量得到热交换装置8上的仪器设备的温度信息，利用陀螺或其他姿态敏感器测量得到卫星姿态信息。

S3：计算期望的温度控制量和姿态控制力矩。可由热控算法和姿控算法计算期望的温度控制量和姿态控制力矩，在控制设计中，可以根据控制目标设计不同的控制器，该热控和姿控的控制算法可根据现有技术实现。

S4：根据控制分配算法计算与所述温度控制量和姿态控制力矩对应的第一流量分配阀和辐射器/力矩器一体化装置的控制指令。本步骤可通过控制分配算法将期望的温度控制量和姿态控制力矩转换为第一流量调节阀7和第二流量调节阀10的控制指令。这一步骤的分配算法其功能对于本领域技术人员来说，在本发明公开的教导之下是可以由技术人员按具体需求实现，其具体算法的形式并无特别限定，而相应的参数更是依据卫星的具体情况而调整，因此在这里不详细列举。

S5：根据步骤S4计算的控制指令控制第一分配阀和辐射器/力矩器一体化装置动作，调节进入热交换回路和辐射器/力矩器一体化装置中液态工质的质量流率和分配，进而实现卫星的温度控制和姿态控制。例如，通过控制第一流量调节阀7和第二流量调节阀10分别调节进入热交换回路和第一环形管路11、第二环形管路12中液态工质的质量流率，实现热交换装置8上卫星仪器设备温度控制和卫星姿态控制。

由于本发明主要涉及执行机构而非控制器设计，所以图中并未示出该执行机构在卫星上实际应用中需配合使用的其它元器件或装置，例如温度传感器或姿态敏感器等。将本发明的执行机构与测量敏感器结合，并通过适当的控制器设计来构成卫星的热控制和姿态控制一体化控制系统是本领域技术人员在本发明的教导下无需创造性劳动即可实现的。

以上对本发明的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种卫星姿态控制和热控制一体化执行机构，其特征在于，包括串联连接构成工质循环回路的以下部分：

储液器，其内存储有液态工质；

循环泵组件，用于驱动液态工质以一定流速和流量在循环回路中流动；

热交换回路，其包括第一流量分配阀和并列连接的热交换装置和第一旁通支路，用于卫星内部仪器设备的散热；以及

辐射器/力矩器一体化装置，其包括并列连接的至少两条不同管路以及控制液态工质在所述不同管路中分配的装置，用于将热量散发到卫星星体之外和对卫星姿态进行控制，其中，所述两条不同管路为顺向管路和逆向管路，所述顺向管路和逆向管路中的液态工质流动的角动量方向相反；

其中，所述热交换回路和所述辐射器/力矩器一体化装置顺次连接，且在所述工质循环回路中流动有液态工质。

2.根据权利要求1所述的卫星姿态控制和热控制一体化执行机构，其特征在于，所述辐射器/力矩器一体化装置为单轴控制装置，包括第二流量分配阀和一组控制管路，所述一组控制管路包括分别与该第二流量分配阀相连的所述顺向管路和逆向管路。

3.根据权利要求1所述的卫星姿态控制和热控制一体化执行机构，其特征在于，所述辐射器/力矩器一体化装置为多轴控制装置，包括第三流量分配阀和分别与该第三流量分配阀相连的多组控制管路，其中，每组所述控制管路均包括所述顺向管路和逆向管路。

4.根据权利要求2或3所述的卫星姿态控制和热控制一体化执行机构，其特征在于，每组控制管路中的所述顺向管路和逆向管路为环形管路，二者均为弹簧状圆柱螺旋结构，且二者上下排列，环绕方向相反。

5.根据权利要求2或3所述的卫星姿态控制和热控制一体化执行机构，其特征在于，所述顺向管路和逆向管路为位于同一平面内的环形管路，且环绕方向相反。

6.根据权利要求5所述的卫星姿态控制和热控制一体化执行机构，其特征在于，所述顺向管路和逆向管路分别环绕至少两圈，且顺向管路和逆向管路交替分布。

7.根据权利要求2所述的卫星姿态控制和热控制一体化执行机构，其特征在于，所述顺向管路和逆向管路分别为位于两个平行的平面内的环形管路，且二者环绕方向相反。

8.根据权利要求1所述的卫星姿态控制和热控制一体化执行机构，其特征在于，所述循环泵组件包括：液泵，与所述液泵顺次连接的工质流量计，以及分别与所述液泵的两端连接的压差敏感器。

9.根据权利要求8所述的卫星姿态控制和热控制一体化执行机构，其特征在于，所述循环泵组件还包括连接在储液器和液泵之间的过滤器。

10.一种卫星姿态控制和热控制一体化执行机构的控制方法，其使用上述各项的执行机构实施，所述方法包括以下步骤：

S1：开启循环泵组件，驱动液态工质在循环回路中流动；

S2：获取卫星的热源温度信息和姿态信息；

S3：计算期望的温度控制量和姿态控制力矩；

S4：根据分配算法计算与所述温度控制量和姿态控制力矩对应的第一流量分配阀和辐射器/力矩器一体化装置的控制指令；

S5：根据步骤S4计算的控制指令控制第一分配阀和辐射器/力矩器一体化装置动作，调节进入热交换回路和辐射器/力矩器一体化装置中液态工质的质量流率和分配，进而实现卫星的温度控制和姿态控制。

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