GEO衛(wèi)星熱控能源優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究及實(shí)踐

朱麗瑤 徐天瀟 阮世庭 董麗寧 韓小晨 陳鋼 王江

(上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109)

一方面,隨著衛(wèi)星的功能日益復(fù)雜化、多樣化,所配置的單機(jī)和載荷的數(shù)量及功耗均大大增加,對(duì)整星的能源供給提出了更高的要求;另一方面,衛(wèi)星受質(zhì)量及尺寸等限制,能夠提供的能源總量有限,對(duì)各分系統(tǒng)提出了更為嚴(yán)苛的能源資源額度限定。因此,各分系統(tǒng)需要優(yōu)化能源資源配置,以精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)整星的能源平衡。

衛(wèi)星熱控制分系統(tǒng)作為衛(wèi)星一個(gè)重要的服務(wù)系統(tǒng),任務(wù)是控制衛(wèi)星設(shè)備和結(jié)構(gòu)的溫度在要求的范圍內(nèi)[1]。為保證衛(wèi)星在全壽命期內(nèi)既能滿足高溫工況下的散熱需求,同時(shí)也能在低溫工況下保持各單機(jī)滿足溫度指標(biāo),熱控制分系統(tǒng)通常采用偏低溫設(shè)計(jì)理念,對(duì)能源需求較高。

現(xiàn)代航天器設(shè)計(jì)對(duì)傳統(tǒng)主、被動(dòng)熱控系統(tǒng)的控制品質(zhì)和適用范圍都提出了新的要求:能夠提高星載能源的利用系數(shù),減少質(zhì)量體積和飛行代償,滿足節(jié)能降耗[2]。當(dāng)前針對(duì)衛(wèi)星加熱器控制技術(shù)的研究方向主要集中于高精度的智能控制策略[3]以及優(yōu)化占空比以減小峰值功耗等,系統(tǒng)的開(kāi)展熱控制能源優(yōu)化的工作鮮見(jiàn)報(bào)道。

本文針對(duì)地球同步軌道衛(wèi)星對(duì)減少熱控制系統(tǒng)能源消耗、減輕整星能源負(fù)擔(dān)的迫切需求,提出了熱控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案及實(shí)踐措施。

1 熱控制系統(tǒng)能源優(yōu)化措施

目前,我國(guó)衛(wèi)星普遍存在工作軌道段熱控功率占比偏高的問(wèn)題,以通信衛(wèi)星為例,地球同步軌道衛(wèi)星熱控功率預(yù)算占平臺(tái)設(shè)備總功率的50%～72%[4]。熱控功率幾乎全部用于電加熱器的供電,因此加熱器功率優(yōu)化是提升衛(wèi)星平臺(tái)功率承載能力的重要措施[5]。

熱控初步方案通常是在總體方案和其他分系統(tǒng)要求的基礎(chǔ)上同步完成的,在整星總體初步方案階段總體方案有局部變化的可能性,為熱控系統(tǒng)的優(yōu)化提供了條件[6]。因此在總體初步設(shè)計(jì)階段就需要統(tǒng)籌考慮能源優(yōu)化方案,在滿足溫度要求的前提下,提高熱補(bǔ)償效率,降低功耗需求,為整星節(jié)約寶貴的功耗、質(zhì)量等資源,提升衛(wèi)星熱控設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性。據(jù)此可將平臺(tái)加熱器功率需求的主要優(yōu)化措施劃分為兩個(gè)階段。

第一階段為衛(wèi)星構(gòu)型布局確定前,熱控分系統(tǒng)參與單機(jī)布局設(shè)計(jì),通過(guò)合理選擇散熱面、布置熱管,優(yōu)化不同熱耗、不同熱容的單機(jī)相對(duì)位置,以使得衛(wèi)星單機(jī)布局整體處于熱量相對(duì)均衡的狀態(tài)為總體設(shè)計(jì)原則,可為后續(xù)熱控方案詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程中加熱器的功耗設(shè)計(jì)奠定良好的基礎(chǔ)。第二階段為衛(wèi)星構(gòu)型布局確定后,對(duì)局部加熱器的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

本文主要針對(duì)以上兩個(gè)階段設(shè)計(jì)過(guò)程,從精準(zhǔn)熱補(bǔ)償、錯(cuò)峰熱補(bǔ)償、精細(xì)化熱設(shè)計(jì)、整星資源統(tǒng)籌等幾個(gè)角度提出了熱控能源優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)踐方案。

2 精準(zhǔn)熱補(bǔ)償

某地球同步軌道衛(wèi)星采用流體回路技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大熱耗排散。衛(wèi)星平臺(tái)配備了共享的流體回路輻射器,用于大功耗載荷工作時(shí)的散熱。當(dāng)載荷不工作時(shí)則需要進(jìn)行熱補(bǔ)償以防止管路內(nèi)流體工質(zhì)凍結(jié)。輻射器主體為30mm厚蜂窩板,蜂窩板內(nèi)側(cè)面向衛(wèi)星艙內(nèi),表面噴涂黑漆;外側(cè)面面向冷空間,表面粘貼鈰玻璃鍍銀二次表面鏡熱控涂層。流體管道為工字形鋁合金管路,預(yù)埋在蜂窩板內(nèi),管路安裝面與蜂窩板外蒙皮膠接,輻射器進(jìn)出口管路垂直于蜂窩板伸出,與外回路連接,形成回路。

由于散熱面外蒙皮表面采用鈰玻璃鍍銀二次表面鏡熱控涂層,無(wú)法粘貼加熱器。若采用常規(guī)熱控補(bǔ)償方式,則需要將加熱器實(shí)施在輻射器內(nèi)蒙皮表面。因輻射器內(nèi)埋管路與蜂窩板不等高,加熱器與需要被加熱的流體管路之間有20mm厚的鋁蜂窩,熱阻較大,且橫向漏熱模式復(fù)雜不易定量控制,需要大面積加熱并留有足夠的溫度余量才能夠保證流體工質(zhì)不凍結(jié)。因此,常規(guī)熱補(bǔ)償效率較低,需要較大的補(bǔ)償功耗。為節(jié)約整星能源,減少熱補(bǔ)償功耗,將加熱器直接粘貼至流體管路翅片表面,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)加熱,如圖1所示。

圖1 熱補(bǔ)償方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of thermal compensation method

經(jīng)過(guò)多輪工藝方案論證及工藝試驗(yàn),多次優(yōu)化并調(diào)整工藝工裝,最終成功實(shí)現(xiàn)了該設(shè)計(jì)方案,加熱器實(shí)施后的預(yù)埋管路工藝件如圖2所示。

圖2 工藝件實(shí)物圖Fig.2 Physical drawing of process parts

實(shí)際使用中,輻射器內(nèi)預(yù)埋流體管路長(zhǎng)約4.5m,由于該管路長(zhǎng)度較長(zhǎng),為保證管路溫度均勻性,進(jìn)行分段控溫。熱平衡試驗(yàn)中,輻射器上加熱器按照閾值[-5,-4]℃控溫。單個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度波動(dòng)約2℃,整根管路溫度最大溫差約6℃,控溫精度及均勻性較好。

為比較常規(guī)熱補(bǔ)償方式與精準(zhǔn)熱補(bǔ)償方式所需的功率差別,試驗(yàn)中先僅開(kāi)預(yù)埋管路加熱器,控溫閾值設(shè)置為[-5,-4]℃,溫度平衡后計(jì)算得到平均加熱功率約為260W。再打開(kāi)輻射器內(nèi)表面加熱器,加熱功率設(shè)置為260W,發(fā)現(xiàn)內(nèi)表面加熱器打開(kāi)后,預(yù)埋管路加熱功率減小,但仍需施加平均加熱功率約60W,才能保證預(yù)埋管路溫度維持在控溫閾值范圍內(nèi),補(bǔ)償功率變化曲線如圖3所示。

圖3 輻射器補(bǔ)償功率曲線Fig 3 Radiator compensation power curve

試驗(yàn)結(jié)果表明,直接通過(guò)預(yù)埋管路加熱器進(jìn)行加熱的效率高于輻射器內(nèi)表面區(qū)域加熱,該精準(zhǔn)溫控的設(shè)計(jì)方案能夠滿足溫度要求,保證流體工質(zhì)不凍結(jié),同時(shí)也減小了補(bǔ)償功耗,提高了熱補(bǔ)償?shù)氖找媛省＝?jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,該設(shè)計(jì)方案可節(jié)能約23%。

3 錯(cuò)峰熱補(bǔ)償

根據(jù)GEO衛(wèi)星故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果,衛(wèi)星在軌故障多是由于能源系統(tǒng)出現(xiàn)異常所導(dǎo)致的[7]。特別是在星蝕期,在太陽(yáng)帆板無(wú)法提供能源的條件下蓄電池組開(kāi)始對(duì)整星供電,如果在該時(shí)間段出現(xiàn)異常或故障,將會(huì)對(duì)衛(wèi)星造成災(zāi)難性后果[8]。

當(dāng)整星處于光照期時(shí),電力較為充足,而當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入陰影期,則只能依靠蓄電池為整星供電,對(duì)于地球同步軌道的衛(wèi)星,春秋分工況最長(zhǎng)陰影期約72min。在此期間需要維持衛(wèi)星各分系統(tǒng)的正常工作狀態(tài),同時(shí)需要進(jìn)行熱補(bǔ)償以保持各單機(jī)及各部件溫度滿足指標(biāo)要求,整星能源較為緊張,因此需要熱控分系統(tǒng)盡量減少用電。

為降低陰影期的熱補(bǔ)償功耗,實(shí)行“光照期對(duì)衛(wèi)星提前加熱升溫、陰影期利用其自身熱容維持低溫限”的方案。即光照期時(shí)將部分熱容較大的單機(jī)及部件設(shè)置較高的控溫閾值,使其溫度達(dá)到較高水平,當(dāng)整星進(jìn)入陰影期時(shí),再將其設(shè)置為較低的控溫閾值,利用單機(jī)熱容延遲熱補(bǔ)償開(kāi)啟時(shí)間,以減小陰影期熱補(bǔ)償功耗。光照期控溫閾值可通過(guò)仿真分析初步得出,設(shè)定原則:不能超過(guò)單機(jī)、部件的最高允許溫度范圍;設(shè)定目標(biāo):在陰影期不需要開(kāi)啟溫度補(bǔ)償加熱器。

部分典型單機(jī)及部件光照區(qū)、地影區(qū)控溫閾值如表1所示。

表1 控溫閾值表Table 1 Temperature control threshold table ℃

經(jīng)仿真分析,春秋分低溫工況下整星平臺(tái)平均加熱功耗約1170W,峰值功耗最大值約1650W;陰影期平均功耗約685W,陰影期峰值功耗約為800W,如圖4所示。該控溫方案下,陰影期熱補(bǔ)償功耗可降低至光照期一半的功耗,有利于保證整星陰影期的能源安全。

圖4 加熱功率變化曲線Fig.4 Heating power variation curve

4 精細(xì)化熱設(shè)計(jì)

4.1 熱耗分布與單機(jī)布局耦合設(shè)計(jì)

整星單機(jī)主要分布在南板、北板、貯箱板和載荷板上,各單機(jī)熱耗差異較大,且工作模式、工作時(shí)長(zhǎng)差異較大。綜合考慮高溫工況下單機(jī)散熱需求以及低溫工況下減小熱補(bǔ)償功耗的需求,經(jīng)過(guò)與總體布局迭代設(shè)計(jì),將長(zhǎng)期工作的較大熱耗單機(jī)安裝在南北散熱面上,熱耗較小的單機(jī)安裝在貯箱板和載荷板上,并使得南北板上單機(jī)熱耗盡量均勻分配。此外,各安裝板上的單機(jī)使用熱管網(wǎng)絡(luò)連接,以利于大熱耗單機(jī)散熱,同時(shí)能夠減小短期工作單機(jī)或小熱耗單機(jī)所需的熱補(bǔ)償功耗。

4.2 優(yōu)化加熱器雙母線供電配置

整星加熱器供電單機(jī)共兩臺(tái),分別為總體電路控制器及總體電路擴(kuò)展單元,總體電路擴(kuò)展單元供電模塊又分為調(diào)節(jié)母線和非調(diào)節(jié)母線,兩臺(tái)供電單機(jī)的供電能力不相同。考慮到以上因素,熱控加熱器在設(shè)計(jì)時(shí)就需要進(jìn)行精細(xì)化配置,才能實(shí)現(xiàn)熱補(bǔ)償效率最大化。

為保證星上各分系統(tǒng)供電安全,供電單機(jī)限制了加熱器總功耗,當(dāng)所需加熱功率大于設(shè)定值,則部分加熱器無(wú)法開(kāi)啟。因此熱控制系統(tǒng)根據(jù)各路加熱器的重要性、溫度裕度等因素給所有加熱器排列了優(yōu)先級(jí),降低能源資源占用的同時(shí)確保各單機(jī)的溫度水平。

由于非調(diào)節(jié)母線為鋰電池供電,而鋰電池作為整星陰影期唯一能量來(lái)源,需要控制光照期盡量不消耗電能,才能保證陰影期有足夠的電能給整星供電。因此加熱器分配的基本原則是將備份加熱器分配至非調(diào)節(jié)母線,主份加熱器分配至調(diào)節(jié)母線,同時(shí)在陰影期時(shí)將主備份加熱器控溫閾值調(diào)換,使得備份加熱器優(yōu)先啟動(dòng)。根據(jù)整星能源狀態(tài),通過(guò)對(duì)加熱器路數(shù)優(yōu)化組合分配及控溫閾值的精細(xì)化設(shè)計(jì),不同時(shí)段使用不同控溫策略,以適應(yīng)控溫需求及能源限制。主備份加熱器資源分配見(jiàn)圖5。

圖5 加熱器資源配置圖Fig.5 Heater resource allocation diagram

5 整星資源統(tǒng)籌

艙外載荷常規(guī)設(shè)計(jì)方案,一般為獨(dú)立熱設(shè)計(jì),需要將其與整星隔熱安裝,以弱化平臺(tái)與載荷的耦合關(guān)系,減小兩者之間的相互影響。考慮到衛(wèi)星的部分艙外載荷僅短期工作,為保證其能夠適應(yīng)衛(wèi)星壽命期內(nèi)各種高低溫工況,工作時(shí)的溫度水平滿足指標(biāo)要求,通常會(huì)按照最惡劣高溫工況設(shè)計(jì)載荷散熱通道,那么載荷在低溫工況下存儲(chǔ)狀態(tài)時(shí)往往需要較多熱補(bǔ)償資源,以維持其存儲(chǔ)溫度。

由于整星能源緊缺,從整星資源統(tǒng)籌角度出發(fā),通過(guò)仿真分析在保證載荷滿足高溫工況散熱需求的條件下,將部分艙外載荷與衛(wèi)星平臺(tái)導(dǎo)熱安裝,以減小非工作模式下熱補(bǔ)償功耗,但載荷工作時(shí)必不可少會(huì)對(duì)平臺(tái)溫度產(chǎn)生一定的影響,因此載荷布局時(shí)需要選擇距離平臺(tái)重要單機(jī)較遠(yuǎn)的位置,以減小對(duì)艙內(nèi)單機(jī)的影響。這種導(dǎo)熱安裝方式可以利用平臺(tái)的大熱容,減少艙外載荷的補(bǔ)償功耗,以實(shí)現(xiàn)整星資源統(tǒng)籌,提高資源使用效率。

整星頂板外側(cè)安裝有多個(gè)艙外載荷,部分載荷工作模式復(fù)雜,熱耗較大且溫度要求較高,需要進(jìn)行獨(dú)立熱設(shè)計(jì)。其中也有部分載荷,如測(cè)角儀、某小型相機(jī)等熱耗較小,結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,經(jīng)過(guò)仿真分析,與整星導(dǎo)熱安裝可滿足載荷溫度指標(biāo)要求,同時(shí)可減少熱控資源需求。

以測(cè)角儀為例,單機(jī)熱耗18W,安裝在載荷板外側(cè),若采取獨(dú)立熱控則需要在本體上開(kāi)散熱面,冬至工況下,光照期工作最高溫度達(dá)到50℃,由于受主載荷遮擋的影響,測(cè)角儀受遮擋時(shí)又需要加熱補(bǔ)償,平均補(bǔ)償功耗約15W。若采用與平臺(tái)導(dǎo)熱安裝的方式,載荷不需要開(kāi)獨(dú)立散熱面,可借助于載荷板的大熱容,降低光照期的峰值溫度至39℃,受遮擋時(shí)也可以不需要額外的加熱補(bǔ)償,就能維持在其工作溫度范圍內(nèi)。

兩種不同熱控方案下,測(cè)角儀溫度變化曲線如圖6所示。

圖6 測(cè)角儀溫度變化曲線Fig.6 Temperature variation curve of goniometer

綜上所述,測(cè)角儀與平臺(tái)導(dǎo)熱安裝,不僅有利于降低其高溫工況下的峰值溫度,也可減少整星的能源消耗,有利于產(chǎn)品安全性及整星能源平衡。

6 結(jié)束語(yǔ)

能源優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅要從熱控自身角度通過(guò)精準(zhǔn)熱補(bǔ)償,錯(cuò)峰熱補(bǔ)償?shù)确绞竭M(jìn)行一定的優(yōu)化設(shè)計(jì),還需要與總體布局,總體電路等分系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)迭代設(shè)計(jì),找出更優(yōu)化的解決路徑,同時(shí)需要考慮整星的資源統(tǒng)籌,必要時(shí)甚至需要跨系統(tǒng)聯(lián)合設(shè)計(jì)。因此,熱控制系統(tǒng)需要從衛(wèi)星設(shè)計(jì)初期開(kāi)始就參與整星的設(shè)計(jì),有利于從源頭上為整星的能源優(yōu)化提供解決方案。

熱控制系統(tǒng)作為服務(wù)型系統(tǒng),需要保證衛(wèi)星在不同工況下溫度水平滿足指標(biāo)要求,同時(shí)占用盡量少的資源,因此熱控設(shè)計(jì)在滿足溫度要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行了多輪優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證,本文列舉的措施能夠有效提高整星資源利用率,可為后續(xù)衛(wèi)星熱控制系統(tǒng)能源優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。