CN106314831B - 一种热平衡试验外热流模拟的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热平衡试验外热流模拟的方法，包括：计算空间外热流模拟装置输出功率实时值；将空间外热流模拟装置输出功率实时计算值与目标外热流功率进行比较；基于比较结果调节空间外热流模拟装置输出功率。本发明通过空间外热流模拟装置电源输出功率的自主控制策略，实现热平衡试验的外热流模拟，并且能够支持使用大开关延时的空间外热流模拟装置开关元器件，降低对开关元器件的性能要求及其使用损耗，延长设备使用寿命。本发明对热平衡试验的工程实现具有重要的应用价值。

Description

一种热平衡试验外热流模拟的方法

技术领域

本发明涉及卫星空间环境模拟领域，尤其涉及一种热平衡试验外热流模拟的方法。

背景技术

目前依据外热流模拟方法，热平衡试验分稳定热流模拟试验以及瞬变热流模拟试验两种。

稳态热流模拟，采用恒定外热流以及恒定内热源进行试验，不管初始条件如何，在模拟轨道空间环境下，经过较长时间后航天器上各点温度不再随时间变化，认为温度达到了平衡。

瞬变热流模拟，采用周期性变化外热流和恒定或周期性变化的内热源进行试验，试验经过若干周期后，在不同周期但相同的相位点上，航天器上特定位置的温度小于预先规定的温度变化允许值，认为温度达到了平衡。

本发明涉及的外热流模拟方法为瞬变热流模拟，通过空间外热流模拟装置的输出自主控制策略，实现外热流的周期性变化，从而达到模拟瞬变热流的效果。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种热平衡试验外热流模拟的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种热平衡试验外热流模拟的方法，包括如下步骤：

计算空间外热流模拟装置输出功率实时值；

将空间外热流模拟装置输出功率实时计算值与目标外热流功率进行比较；

基于比较结果调节空间外热流模拟装置输出功率。

上述技术方案中，所述的空间外热流模拟装置通常为太阳模拟器、红外加热器或表面接触式电加热器等。

计算空间外热流模拟装置输出功率实时值的方法，是通过计算空间外热流模拟装置输出时间占空比来等效空间外热流模拟装置实时输出功率。

将空间外热流模拟装置输出功率实时计算值与目标外热流功率进行比较和基于比较结果调节空间外热流模拟装置输出功率，具体为：

判断输出功率实时计算值是否大于目标外热流功率，当判断输出功率实时计算值大于目标外热流功率时，关闭空间外热流模拟装置的输出；当判断输出功率实时计算值小于目标外热流功率时，打开空间外热流模拟装置的输出；当判断输出功率实时计算值等于目标外热流功率时，保持空间外热流模拟装置的输出为上一时刻状态。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：

1)本发明提供一种通过空间外热流模拟装置电源输出功率的自主控制策略来实现热平衡试验外热流模拟的方法；

2)本发明能够支持使用大开关延时的空间外热流模拟装置开关元器件，降低对开关元器件的性能要求；

3)本发明能够降低开关元器件的使用损耗，延长设备使用寿命。

附图说明

图1是热平衡试验外热流模拟方法的流程示意图；

图2是热平衡试验外热流模拟方法一种具体实施方式的流程示意图；

图3是热平衡试验外热流功率实现方法分析的示意图；

具体实施方式

空间外热流模拟装置一般包括太阳模拟器、红外加热器、表面接触式电加热器等及它们所使用的电源装置。本实例采用表面接触式电加热器(包括加热片及加热片电源装置)作为空间外热流模拟装置，来说明热平衡试验外热流模拟的方法。

如图1所示，热平衡试验外热流模拟的方法，包括：

计算加热片输出功率实时值1；

将加热片输出功率实时计算值与根据卫星从宇宙空间吸收的太阳辐射、地球辐射和反照的热流所确定的目标外热流功率进行比较2；

基于比较结果调节加热片输出功率3。

如图2所示，设定加热片电源输出功率、目标外热流功率、工作时长以及延时T_d。判断已工作时长是否小于设定工作时长5，当判断已工作时长大于设定工作时长时，则关闭加热片10。当判断已工作时长小于设定工作时长时，根据时间占空比计算输出功率实时值6。判断输出功率实时计算值是否大于目标外热流功率7，当判断输出功率实时计算值小于目标外热流功率时，则打开加热片8；当判断输出功率实时计算值大于目标外热流功率时，则关闭加热片12；当判断输出功率实时计算值等于目标外热流功率时9，保持加热片为上一状态11。执行延时T_d 13之后，再次执行判断已工作时长是否小于设定工作时长5。

以下为外热流自主控制加热片输出功率策略的详细阐述。

卫星绕地球飞行目标外热流如图3光滑曲线所示，为了更容易实现，拟用阶梯曲线来等效实现，只要满足图中阶梯曲线与时间轴围成的面积和目标外热流曲线与时间轴围成的面积相等，即满足式(1)阶梯曲线等效则成立：

其中P_Target(t)为卫星目标外热流功率曲线，P_Equ(t)为加热片实际外热流功率等效阶梯曲线。

再取t₁～t₂来分析，如图3下部所示，在这段时间内，假定电源输出功率不变为P_out，则加热片总输出外热流为：

Q＝P_out(t₂-t₁) (2)

而加热片在t₁～t₂内实际所需等效外热流为：

Q_Equ＝P_Equ(t₂-t₁) (3)

联立(2)、(3)两式可以得到：

在电源输出功率不变的前提下，我们可以采用加热片开启时间占空比来等效实现，即保证在t₁～t₂内加热片开启时间t_on满足下式：

则有实际加热片输出Q_Real可由以下公式给出：

Q_Real＝P_outt_on＝kP_out(t₂-t₁)＝Q_Equ (6)

即图3中两块阴影部分面积相等。也就是说实际加热片输出Q_Real等于t₁～t₂内加热片所需等效外热流Q_Equ，从而可以推广到所有P_Equ(t)范围内，最终实现了目标外热流模拟。

由于在整个实现过程中，电源输出功率P_out始终保持不变，因此无需手动调节即可实现外热流自主控制。

在上述具体实现过程中，我们只需要实现下式即可：

其中t_on为加热片开启时间，t_run为电源功率实际输出时间。

令则有加热片开关状态status与result关系如下：

从上式可以得到当result<0时，认为实际输出功率未到等效功率，则开启加热片；当result>0时，认为实际输出功率已超过等效功率，则关闭加热片；若两者相等，则保持加热片开关状态不变。即实现了通过改变加热片开启时间的在整个时间区域范围内的占空比实现功率的等效。

假设程序实现过程中每计算一次result值，即判断加热片下一个开关状态status的循环周期为T(T＝T_d+T_p，其中T_d为程序延时，T_p为程序执行时间)，加热片开关元器件的开关时间为T_switch。为保证在实现的整个过程中(7)式成立，只需要满足T>T_switch，即可保证目标外热流的模拟，所以我们可以采用大延时的加热片开关元器件来实现，这降低了对元器件的性能要求及其使用损耗，延长了设备使用寿命。并且有t₂-t₁越大，则加热片外热流的控制精度与目标外热流越接近。

对所公开实例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对此实例的多种修改对本领域是的专业技术人员来说将是显而易见的。本文中所定义的，仅为本发明的一种以加热片为空间外热流模拟装置的自主控制应用实例，但是空间外热流模拟装置的形式不仅限于加热片，其他任何以定值输出功率的空间外热流模拟装置都应落入本发明相应的权利要求保护范围内，以及控制空间外热流模拟装置的开关元器件，如MOS、继电器、晶闸管等不同种类的开关元器件，也都应落入本发明相应的权利要求保护范围内。因此，本发明将不会被限制与本文所示的这一实例，而是要符合与本文所公开的原理一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种热平衡试验外热流模拟的方法，其特征在于，包括如下步骤：

先计算空间外热流模拟装置输出功率实时值；所述的计算空间外热流模拟装置输出功率实时值的方法，是通过计算空间外热流模拟装置输出时间占空比来等效空间外热流模拟装置实时输出功率；

再将空间外热流模拟装置输出功率实时计算值与目标外热流功率进行比较；

最后基于比较结果调节空间外热流模拟装置输出功率。

2.根据权利要求1所述的热平衡试验外热流模拟的方法，其特征在于，所述的空间外热流模拟装置为太阳模拟器、红外加热器或表面接触式电加热器。

3.根据权利要求1所述的热平衡试验外热流模拟的方法，其特征在于，将空间外热流模拟装置输出功率实时计算值与目标外热流功率进行比较并基于比较结果调节空间外热流模拟装置输出功率，其具体方法如下：

判断输出功率实时计算值是否大于目标外热流功率，当判断输出功率实时计算值大于目标外热流功率时，关闭空间外热流模拟装置的输出；当判断输出功率实时计算值小于目标外热流功率时，打开空间外热流模拟装置的输出；当判断输出功率实时计算值等于目标外热流功率时，保持空间外热流模拟装置的输出为上一时刻状态。