王瑾1,劉小旭1,李德富1,陳益1,，鞏萌萌2

　　（1．北京宇航系統(tǒng)工程研究所,，北京 100076；2．中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 研究發(fā)展中心,，北京 100076）

　　摘要：隨著航天器變軌,、快速機(jī)動等復(fù)雜空間任務(wù)的發(fā)展，熱控系統(tǒng)需要根據(jù)不同的要求進(jìn)行智能化控制以滿足航天器的高效可靠工作,。文章首先介紹了航天器智能熱控技術(shù)的分類及應(yīng)用,；然后，總結(jié)了國內(nèi)外智能熱控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,；最后,，提出了熱控系統(tǒng)自主管理的進(jìn)一步研究方向，為未來航天器的熱控智能控制技術(shù)發(fā)展提供了參考依據(jù),。

　　關(guān)鍵詞：航天器,；快速機(jī)動；智能熱控,；自主管理

　　中圖分類號：V416文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.09.003

　　引用格式：王瑾,劉小旭,李德富,，等.航天器智能熱控技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望［J］.微型機(jī)與應(yīng)用,，2017,36（9）：8-10，14.

0引言

　　熱控系統(tǒng)作為航天器七大子系統(tǒng)之一,，在航天器整個任務(wù)周期中,，擔(dān)負(fù)著為航天器內(nèi)部所有機(jī)電設(shè)備、有效載荷等空間任務(wù)單元提供安全可靠的溫度環(huán)境的重要任務(wù),。隨著未來航天器可能面臨的變軌,、快速機(jī)動等復(fù)雜空間任務(wù)，在航天器入軌后可能受到惡劣空間環(huán)境等復(fù)雜或不確定因素影響,，這就要求航天器熱控系統(tǒng)能夠根據(jù)當(dāng)前的工作要求自主調(diào)整［13］,。傳統(tǒng)的熱控設(shè)計不能滿足要求,，需要尋求一種智能化熱控系統(tǒng)使得航天器具備極高的熱環(huán)境變化適應(yīng)能力,。國內(nèi)外對于智能化熱控系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究，主要從流體回路智能熱控入手,，諸如單相流體回路［45］,、環(huán)路熱管［68］以及兩相流體智能熱控［9］等自主熱控系統(tǒng)。

　　本文基于航天器智能熱控的發(fā)展趨勢,，介紹了智能熱控技術(shù)的應(yīng)用,，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及進(jìn)展，最后提出了智能熱控的研究發(fā)展方向,。

1智能熱控技術(shù)

　　智能熱控技術(shù)是一種閉環(huán)控制技術(shù),，通過消耗航天器上的能源，利用溫度傳感器,、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及控制器組成一套完整的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控溫點(diǎn)的溫度控制,。目前研究較多的智能熱控執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括電加熱器、機(jī)械泵,、溫控閥,、輻射器等。其中電加熱器智能熱控通過調(diào)節(jié)加熱功率,，實(shí)現(xiàn)部件的定點(diǎn)溫度控制,；熱控百葉窗主要通過調(diào)節(jié)覆蓋在散熱基面的可轉(zhuǎn)葉片的角度來控制對外輻射的強(qiáng)度，達(dá)到控制航天器表面對外散熱的目的,；溫控閥和機(jī)械泵是通過控制流體流量的方式實(shí)現(xiàn)溫度控制,。圖1是以電加熱器為控制對象的PID智能熱控流程圖。

2智能熱控技術(shù)研究現(xiàn)狀

　　對于智能熱控技術(shù)而言,，可控執(zhí)行部件和控制策略是整個智能熱控中最為重要的環(huán)節(jié),。可控執(zhí)行部件是熱控系統(tǒng)的受控對象,，控制策略對系統(tǒng)的控溫效果具有決定性的作用,。目前工程應(yīng)用較多的是電加熱器控溫閾值溫控,，選擇電加熱器作為可控硬件，開關(guān)控制作為控制策略,，當(dāng)設(shè)備溫度低于溫度下限時控制加熱器接通,，高于溫度上限時控制加熱器斷開，此種控溫方式僅能控制電氣設(shè)備溫度在一定范圍之內(nèi),，如-10℃~+20℃［10］,；對于控溫范圍要求較窄的設(shè)備，則采取PID控制策略控制電加熱器電壓,，實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的溫度自主控制［11］,。

　　2.1可控執(zhí)行部件

　　目前航天器熱控系統(tǒng)中的可控執(zhí)行部件主要包括電加熱器、機(jī)械泵,、溫控閥,、熱控百葉窗以及儲液器等，其中機(jī)械泵,、溫控閥,、儲液器以及熱控百葉窗等均是流體回路的可控執(zhí)行部件。國內(nèi)外專家學(xué)者針對流體回路控溫進(jìn)行了大量的研究,，其中劉東曉等人進(jìn)行了泵控技術(shù)研究,，建立了適用于微小型航天器的單相流體回路熱控地面試驗(yàn)平臺，完成了在開環(huán)和閉環(huán)條件下的溫度動態(tài)特性以及控制試驗(yàn),，可將溫度控制在±0.5℃以內(nèi),，具有良好的魯棒性［12］。圖2為泵控單相流體回路原理圖,。Yan等人提出了間歇式噴霧冷卻通過協(xié)調(diào)噴霧頻率和噴霧冷卻核態(tài)沸騰換熱的脈沖間隔,，可以實(shí)現(xiàn)噴圖2泵控技術(shù)單相流體回路原理圖霧冷卻換熱熱流密度的控制，維持壁面溫度在25℃左右,，誤差在2℃之內(nèi)［9］,。溫控閥由于結(jié)構(gòu)簡單、操作靈敏等特點(diǎn),，已經(jīng)在我國“神舟”號載人飛船流體回路中用于實(shí)現(xiàn)輻射器支路流量的控制,，能夠?qū)⑤椛淦鞒隹诨旌蠝囟瓤刂圃谠O(shè)定的8℃±1℃之內(nèi)；微型熱控百葉窗通過靜電力驅(qū)動實(shí)現(xiàn)低發(fā)射率可動葉片遮擋高發(fā)射率散熱表面達(dá)到控溫的目的,。美國約翰霍普金大學(xué),、蘭州空間技術(shù)物理研究所、南京理工大學(xué)以及清華大學(xué)對微型熱控百葉窗進(jìn)行了大量的研究［1315］,。圖3為美國霍普斯金大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室研究的ST5 試驗(yàn)衛(wèi)星微型熱控百葉窗結(jié)構(gòu)圖,，可實(shí)現(xiàn)發(fā)射率在0.05~0.3范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)。對于環(huán)路熱管，國內(nèi)外幾乎全部都是通過儲液器智能控溫的方式實(shí)現(xiàn)環(huán)路熱管的精密控溫［68］,。如美國應(yīng)用于ICESAT航天器的地球科學(xué)激光測高儀(GLAS)的環(huán)路熱管,，通過采用儲液器智能控溫的方式可以實(shí)現(xiàn)±0.1℃的控溫精度［7］。國內(nèi)對于環(huán)路熱管的智能控溫研究尚處于地面原理樣機(jī)階段,，未進(jìn)行過飛行試驗(yàn),。

　　2.2控制策略

　　熱控系統(tǒng)的控制策略是航天器熱控系統(tǒng)能夠適應(yīng)空間復(fù)雜熱環(huán)境的保證，是實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備表面精密控溫的關(guān)鍵,。傳統(tǒng)的PID控制策略由于控制的局限性,，針對空間大幅度外熱流以及變軌變化的場合，調(diào)節(jié)效果不佳,，魯棒性較差,。智能控制策略具有自適應(yīng)能力強(qiáng)、魯棒性好,、學(xué)習(xí)能力以及控制能力不斷增強(qiáng)等特點(diǎn),，可以自動測量被控對象的被控制量，并求出與期望值的偏差,，進(jìn)而根據(jù)所采集的輸入信息和已有知識進(jìn)行推理,，得到對被控對象的輸出控制,，同時盡可能減小或消除偏差,。一般使用的人工智能控制方法包括如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯,、機(jī)器學(xué)習(xí),、進(jìn)化計算和遺傳算法等。

　　目前,，國外針對智能控制策略在航天器上的應(yīng)用研究文獻(xiàn)并不多,，但是基于模糊智能控制理論及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制理論的控制策略在過程控制［1618］和機(jī)器人智能控制［1920］等領(lǐng)域獲得了廣泛的研究和應(yīng)用。國內(nèi)專家學(xué)者將智能控制策略與航天器熱控系統(tǒng)相結(jié)合,，進(jìn)行了一系列的理論研究,。楊娟等針對微型百葉窗的驅(qū)動問題，提出一種基于模糊PI混合控制的智能化控制方法,，實(shí)現(xiàn)了納衛(wèi)星內(nèi)部熱環(huán)境高熱流密度控制,，控制原理圖如圖4所示［20］，仿真結(jié)果顯示在添加外界擾動的情況下,，參數(shù)自整定PI控制器能夠快速調(diào)節(jié)輻射器開度,，實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)受控點(diǎn)溫度快速穩(wěn)定調(diào)節(jié)，誤差在±1℃以內(nèi),；劉佳等人以航天器MEMS熱控系統(tǒng)為對象,，將系統(tǒng)層次的Agent智能決策體系與熱控系統(tǒng)自主控制任務(wù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自身依據(jù)所辨識出的外部軌道熱環(huán)境及內(nèi)部熱負(fù)荷變化進(jìn)行控制變量的自主調(diào)節(jié)，達(dá)到優(yōu)化協(xié)調(diào)多個控制變量且能自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制器參數(shù)的新型智能熱控系統(tǒng)［21］,；同時劉佳等人對單相流體熱控系統(tǒng)的溫控閥和微型百葉窗控制進(jìn)行了研究,，提出一種引入外熱流協(xié)調(diào)因子與專家智能整定PID控制相結(jié)合的自主控制策略，仿真分析其動態(tài)控制效果［22］,，圖5為外熱流協(xié)調(diào)因子結(jié)合的自主控制策略原理圖,。李運(yùn)澤等人提出并設(shè)計了一種將環(huán)路熱管與變發(fā)射率輻射器相結(jié)合的熱控系統(tǒng)方案，采用雙驅(qū)動的智能熱控策略實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的溫度控制以及熱流辨識［2324］,。但是,，國內(nèi)對于智能熱控策略的研究也僅限于理論分析及半物理仿真階段，對于實(shí)際應(yīng)用還有很大的改進(jìn)空間,。

3智能熱控技術(shù)研究展望

　　近年來,，隨著航天器對于熱控自主管理技術(shù)的需求，智能化熱控技術(shù)不斷向更深更廣的方向發(fā)展,。國內(nèi)外對智能熱控裝置以及智能熱控系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究,，機(jī)械泵、溫控閥,、熱控百葉窗以及儲液器均是流體回路中的部件,，通過控制器不同程度地控制流體流量、壓力或者是輻射器發(fā)射率的方式來實(shí)現(xiàn)溫度控制,?？刂凭群涂刂瓶煽啃允侵鲃訜峥啬軌蛟诠こ躺峡煽繎?yīng)用的關(guān)鍵?？刂凭扔煽刂撇呗缘膬?yōu)化實(shí)現(xiàn),。控制可靠性需要通過機(jī)械加工,、工藝優(yōu)化以及試驗(yàn)考核等進(jìn)行,。因此，由此引申出來的理論研究是未來智能熱控技術(shù)進(jìn)一步研究的方向,。

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