空間材料加熱實驗的遙操作技術研究

李世其，余 昆，劉世平，朱文革，王明明

(華中科技大學機械學院，武漢430074)

1 引言

利用在地面無法獲得長期的空間微重力、超高真空和超凈等極端的實驗條件進行空間材料科學實驗，可以幫助材料科學家揭示空間環境下材料形成過程中的科學規律，為科學研究提供直接的實驗數據，為有規模的空間材料生產打下基礎［1］，科學地指導地面材料研究、生產和應用［2-3］。由于空間環境和航天器的限制，空間實驗與地面實驗區別很大，因而人為的干預控制是提高實驗成功率與效率的重要手段。空間環境難以預知，實驗艙處于長期無人照看的狀態，且空間材料實驗存在樣品數量和種類增加的趨勢，加之實驗設備故障需要排除等需求，使得空間材料科學實驗需要解決地面實時控制的問題，遙操作是解決這類需求的重要技術手段。

從20世紀70年代起，科學家開始在航天器上進行微重力材料科學研究，在空間材料加熱實驗方面，比較先進的實驗裝置有加拿大 ATEN(Advanced Thermal Environme nt)，俄羅斯 POLIZON加熱爐，日本的GHF(Gradient Heating Furnace)，歐空局低梯度爐(Low Gradient Furnace，簡稱LGF)。加拿大ATEN可通過位于加拿大宇航局(CSA)載荷遙操作中心(PTOC)的計算機進行遙操作［4］;俄羅斯的POLIZON通過遙操作在地面站對加熱爐的溫度、壓力等診斷傳感器進行監視和控制，充分利用空間環境資源［5］。日本GHF可以通過遙操作靈活改變每一個加熱單元的位置以及完成樣品的自動更換，其中料倉、機械臂和樣品夾的運動可自動操作或由地面進行遙操作［6］。

國外先進的空間材料加熱實驗設備有許多共同點，基本上都使用了遙操作手段［7］。而我國的空間科學實驗設備幾乎不具備遙操作能力，只有少數設備進行過初步的遙操作實驗［1］。限于天地通信鏈路尚未全程覆蓋以及受通信量的限制，我國以往的空間科學實驗多采用指令注入方式，實驗過程按預編程序進行，且預制的程序主要按照地面的實驗條件和預想的結果來編制;近年來我國也逐漸利用程序注入來調整、控制實驗流程和參數，甚至更換空間材料實驗裝置的主程序。

研究、利用遙操作技術對空間材料科學實驗進行實時交互控制是空間材料科學實驗亟需解決的關鍵技術之一。文中通過研究晶體生長加熱爐試驗的遙操作系統及其關鍵技術，進行基于遙操作的晶體生長加熱爐試驗來對空間材料加熱實驗的遙操作技術進行研究。

圖1 晶體生長加熱爐試驗遙操作方案圖Fig.1 The scheme of crystal growth furnace experiment of teleoperation

2 遙操作系統及關鍵技術

2.1 晶體生長加熱爐試驗系統

根據空間站長期在軌自主飛行、無航天員時艙內空間材料加熱實驗情形以及晶體生長加熱爐試驗對遙操作的需求，制定了遙操作試驗方案，圖1為基于遙操作技術的晶體生長加熱爐試驗方案圖。

晶體生長加熱爐試驗運用遙操作技術進行控制，該遙操作系統由主端子系統、從端子系統、時延模擬器和網絡通信系統組成。

主端子系統有一個集成化的遙操作控制臺，主要功能是向從端控制軟件發送控制信息，控制試驗裝置完成樣品的加熱及取回等一系列操作，并監視和控制樣品抓取、加熱過程中的樣品位置、速度以及溫度等參數，并可以實時發送宏指令改變這些試驗參數。遙操作晶體生長加熱爐試驗主端子系統界面如圖2所示。從端子系統主要功能是給加熱爐控制部件發送控制命令，實現遙操作的目的。遙操作晶體生長加熱爐試驗從端子系統界面如圖3所示。試驗中為了再現真實時延，需要使用時延模擬器，用以產生和真實情況相近的時延，使試驗結果接近真實情況。網絡通信系統用于實現主、從端的實時通信。晶體生長加熱爐裝置由外筒、反光材料、絕熱材料、加熱單元和待加熱樣品五部分構成，用于進行樣品的加工。其結構如圖4所示。加熱單元分為3個溫區，分別可以設置不同的溫度。晶體生長加熱爐虛擬模型如圖5所示。

圖2 晶體生長加熱爐試驗主端子系統界面Fig.2 The main terminal system interface of crystal growth furnace experiment

圖3 晶體生長加熱爐試驗從端子系統界面Fig.3 The subordinate terminal system interface of crystal growth furnace experiment

從端傳感器獲取的溫度數據發送回主端用于進行溫度場的預測仿真，使用數值求解獲得的各個離散點的溫度值預測下一時刻爐內各個溫區溫度的變化以及溫度值，且使用求解值進行三維溫度場可視化，并以此為依據來進行實驗過程中的遙操作控制與干預，所以晶體生長加熱爐試驗的遙操作技術研究，將溫度場的預測仿真作為關鍵技術研究。

圖4 晶體生長加熱爐結構圖Fig.4 Structure of crystal growth furnace

圖5 模擬晶體生長加熱爐虛擬模型Fig.5 Virtual model of crystal growth furnace

2.2 遙操作晶體生長加熱爐試驗溫度場的預測仿真

2.2.1 三維溫度場可視化仿真

溫度場是各個時刻物體中各點溫度分布的總稱，它是時間和空間的函數，即t=f(x，y，z，τ)［8］?？臻g晶體生長實驗中，晶體生長加熱爐內溫度場的分布對晶體生長有著直接的影響，關系晶體生長的質量。在試驗過程中通過反饋的試驗數據對加熱爐內的溫度進行復現，可視化顯示溫度場，利用求解的離散溫度值進行溫度預測，使用遙操作控制試驗過程。圖6為晶體生長加熱爐溫度場建模及可視化方法總體流程圖。

結合晶體生長加熱爐自身的結構特點和加熱原理，建立晶體生長加熱爐的數學模型。針對模型求解比較復雜的特點，采用數值求解，對棒料進行網格剖分，利用熱平衡法建立每個微元體的能量守恒方程，形成迭代方程組。

在密閉空間的特殊環境下，電阻絲對棒料加熱屬于熱傳導和熱輻射結合的導熱問題，建模和求解可簡明地表示為:

圖6 晶體生長加熱爐溫度場建模及可視化方法總體流程圖Fig.6 Temperature field modeling and visualization methods of crystal growth furnace

在對所有材料進行包括質地均勻等一些列符合工程問題的假設基礎上，在圓柱坐標系下，對棒料內部微元體(m，n)建立離散方程(2)，用微元體m，n周圍的4個微元體的溫度來表示微元體(m，n)的溫度。

對棒料和電阻絲組成的封閉的環境進行多表面系統輻射換熱計算，可以建立離散方程組:

其中，Xij為微元面間的角系數，通過數值擬合求得。整理離散方程組，可以得到Ji的表達式。對棒料表面微元環與電阻絲微元環之間的熱量交換簡化處理后，得到晶體生長加熱爐溫度場模型的控制方程組(4):

1)中間微元體

2)左邊界微元體

3)右邊界微元體

4)下邊界微元體

5)上邊界微元體

以(4)作為單值性條件，對于棒料內部微元體采用高斯——賽德爾迭代法;對于邊界微元體，熱傳導部分的溫度采用上一輪迭代計算的值，把熱輻射部分的溫度作為未知量，通過迭代公式計算出它的值，作為本輪迭代計算的結果，用此分而治之的方法對單值性條件方程組進行迭代求解。最后，用逐點插入法［10］，采用 Delaunay四面體作為三角網［11］，將數值求解得到的各個離散點連接成一個三角網的拓撲結構，并在此基礎上，采用直接線段連接法計算繪制三角面等值線［12］、利用“Marching Tetrahedron”(MT)法計算繪制等值面，按照場景圖使OpenInventor構建樹形場景［13］，向場景中加入網格化加熱爐、等值線、等值面等，實現溫度場可視化。圖7為三維溫度場可視化結果。

2.2.2 加熱爐溫度場預測技術

晶體生長加熱爐試驗中，在爐體各溫區內壁放置幾個熱電偶用于測量樣品表面的溫度。利用各點的溫度進行爐內溫區溫度的預測，判斷樣品的當前與未來的加熱狀況，通過遙操作指令，改變各電阻絲功率控制爐內各溫區溫度，控制樣品的運動(如插入長短、位置等)，改變樣品加熱時間，來控制試驗過程。

圖7 三維溫度場可視化結果顯示Fig.7 Result of visualization of three-dimensional temperature field

在空間的微重力環境中，對流引起的熱交換影響可以忽略;通過空氣的傳導引起的熱交換遠小于通過熱輻射的熱交換，爐絲到材料間的熱傳導也可以忽略?？梢约僭O微重力環境下爐絲到樣品之間的熱交換決定于熱輻射。

根據系統辨識理論［14-15］，采用相關系數法和最小二乘法對晶體爐的系統階次和參數辨識，取采樣周期為30 s，可得到離散時間傳遞函數矩陣(q－1是向后一步時間平移算子，q－1u(t)=u(t－1)):

其中，ui(i=1，2，3)是各溫區爐絲加熱控制的輸入數字量，范圍是［1，4853］根據輸出yi(i=1，2，3)查詢熱電偶特性表可以得到各測量點的溫度，并采用插值法擬合各溫區棒料表面溫度tf=f(z)。

根據所建模型，設置預測時間t，根據各個溫區的輸入數據，以及上一時間的測量和數值計算的值，通過Y(t)=G(q－1)。U(t)可以測算出隨著時間t變化，輸出數據的變化趨勢以及最終溫度。并把該時刻的測量數據作為下一時間的計算數據進行滾動預測。根據預測的溫度遙操作交互控制試驗過程。

3 試驗描述

遙操作晶體生長加熱爐試驗的主要步驟如表1所示。表中的“*”步驟為樣品2加工前的抓手位置初始化。

試驗中，操作者通過外設(數據手套、位置跟蹤器、手控器等)發送遙操作任務或指令信息，對晶體生長加熱爐進行操作，并依據視頻反饋和三維溫度場的分布情況以及溫度變化的預測，向從端試驗裝置控制系統發送遙操作指令實時地修正實驗參數，如發送宏指令提前或者推遲取出樣品、通過宏指令控制樣品的插入深度以及位置、通過加熱爐裝置的控制部件遙操作改變電阻絲的功率以及各個溫區的溫度，以形成恒溫溫場或梯度溫場等方式進行試驗過程的遙操作監控，使實驗能夠達到預期的效果。圖8為樣品加熱過程中的溫度曲線和實時數據顯示，分別按時間和空間顯示溫度曲線，并且將溫度數據實時顯示。

表1 遙操作晶體生長加熱爐試驗過程Table 1 Process of crystal growth furnace experiment of teleoperation

圖8 試驗中溫度曲線繪制與數據顯示(℃)Fig.8 Temperature profile and data in experiment(℃)

4 結論

晶體生長加熱爐試驗中，基于三維溫度場可視化結果和溫度預測數據，運用了遙操作技術，通過調整電阻絲功率、加熱時間、樣品的運動，對實驗過程交互控制，提高試驗的成功率。通過遙操作控制，原本定時加熱12 h的樣品加熱時間依據交互調整有所浮動，大部分情況下加熱時間減少，效率約提升12.5%，并且樣品的合格率較之非遙操作方式從70%提高到了接近90%。通過遙操作晶體生長加熱爐試驗，驗證了利用遙操作技術進行空間材料加熱實驗的可行性和有效性，將遙操作技術應用于空間材料加熱實驗能提高實驗效率與成功率。

［1］ 于強.空間材料科學實驗中的幾個關鍵技術［J］.載人航天，2007，13(3):1-4.

［2］ 潘明祥.空間材料科學研究與人類未來生活［C］.中國空間科學學會空間材料專業委員會2011年學術交流會論文集.2011，06.

［3］ 劉巖，艾飛，潘秀紅，等.空間材料科學實驗技術總體方案構想［J］.載人航天，2010，16(3):19-23.

［4］ 常鳳翥，劉淑敏.空間晶體生長控制系統的設計及研究［D］.北京:北京化工大學，2009:2-5.

［5］ Rosenthal J.Programmable multizone furnace for material processing in space［R］.96-117.01 1968，AI Signal Research Inc，1996.

［6］ Nakamura Tomihisa.Development of the gradient heating furnace for ISS［C］.The International Symposium on Physics Science in Space Spacebound.2004.

［7］ 于強.國外幾種先進的空間材料科學實驗裝置［J］.載人航天，2006，12(5):9-13.

［8］ 趙鎮南.傳熱學［M］.第二版.北京:高等教育出版社，2008:23-24.

［9］ 王懷柱.三維非穩態導熱問題的高效穩定數值解法［J］.河北北方學院學報，2009，25(5):1-4.

［10］ 鐘正，樊啟斌，張葉挺.3維離散數據四面體快速生成算法研究［J］.測繪學院學報，2004，21(4):286-291.

［11］ 孔娟華，鄭江濱.一種三維離散點數據生成非結構四面體算法［J］.計算機工程與科學，2009，31(1):35-37.

［12］ 趙偉，趙卓寧，李五生.一種有效的離散數據場等值線生成方法［J］.成都信息工程學院學報，2007，22(1):116-121.

［13］ 閆鋒欣，侯增選，張定華，等.OpenInventor程序設計［M］.北京:清華大學出版社，2007.

［14］ 李言俊，張科.系統辨識理論及應用［M］.北京:國防工業出版社，2009.

［15］ 黃祖毅，陳建清，李東海.基于有理分式等價的系統階次和參數同時辨識［J］.清華大學學報(自然科學版)，2003，43(6):794-797.