大功率通信卫星热真空试验闭环控温方法

刘 刚，李正举，朱 熙，谢伟华，李向阳

（1. 中国空间技术研究院 通信卫星事业部； 2. 北京卫星环境工程研究所：北京 100094）

0 引言

近年来，随着国内外卫星技术的迅猛发展，卫星发射数量激增，轨位资源越来越紧张，使得地球同步轨道通信卫星趋向大容量、大功率发展，大功率卫星的功率已经普遍达到或超过10 kW量级[1]。欧美正在发展15、20 kW级的卫星平台，未来还可能增加到25 kW；下一代GEO通信卫星太阳电池阵的末期分点功率将达到30 kW以上[2]。大功率通信卫星发热量大、真空状态下只能依靠辐射散热，因此星上设备的温度安全余量较小；加之卫星热真空试验通常要求对星上设备温度进行拉偏考核，而星上大功率设备进行开/关机操作时会造成较大的温度波动[3]，因此大功率通信卫星热真空试验的控温具有较大风险，特别是进行手动操作时容易出现失误。为解决上述难题，必须发展稳定、可靠的卫星热真空试验自动控温技术。

本文利用PID控制原理，成功在某大功率通信卫星整星热真空试验中进行闭环自动控温，控温精度达到±0.5 ℃，圆满完成了试验任务。

1 通信卫星热真空试验控温原理

通信卫星进行热真空试验时处于高真空低温冷黑环境，其每一舱段将自身产生的热量、吸收的外热流以及吸收其他舱段的导热和辐射热流转换成自身的内能或者通过散热面辐射到热沉中。因依据能量守恒原理可得到每一分区的热力学方程[4-5]

式中：M、C、T、A分别为该分区的质量、比热容、温度、散热面面积；σ、ε、t分别为 Stefan-Boltzmann 常数、发射率、时间；Tsh为热沉温度；αs、S分别为外热流吸收率和外热流密度；Pw、Pλ、Pr分别为该分区的热耗、吸收相邻分区导热的功率、吸收相邻分区热流辐射的功率。

在卫星进行热真空试验时，需要依据式(1)调整每一分区的外热流密度S和热耗Pw来达到控制该分区温度或者升/降温速率的目的。

2 大功率通信卫星热真空试验闭环控温方法

通信卫星整星热真空试验通常要求卫星在真空环境下经历至少4次高/低温循环，试验的主要阶段包括升温或降温阶段、高/低温停留阶段和回温复压阶段[6]。在升温或降温阶段，星上仪器设备开/关机状态保持不变；随着卫星温度的变化，热沉温度会有小幅变化，各分区升/降温速率不同会导致Pλ和Pr发生小幅波动。在高/低温停留阶段，需要进行大量的仪器设备开/关机操作，因而各分区热耗Pw会有较大波动。在回温复压阶段，热沉温度需要从80 K左右升到约280K，如此大幅的温度变化会对卫星控温造成较大影响[7]。为了应对上述各种扰动因素，使卫星温度按照提前设定的控温曲线变化，需要合理安排各阶段各分区加热器的开/关状态以控制各分区温度场和热耗。大功率通信卫星通常会设计热管网络将星上设备连接成不同的热分区，热管网络的温度是星上设备的基础温度。星上大功率设备开机和关机状态间存在较大的温度差，因此直接以星上大功率设备的温度作为控温目标很难实现自动控温，目前常用的做法是利用红外加热装置对星上热管网络进行闭环自动控温，通过合理设置热管网络的控温参数来控制星上设备温度。

2.1 热管网络闭环控温

红外加热装置输出热流变化范围大并且可以连续调节，比较适合作为闭环控温的手段。利用红外加热装置进行通信卫星热真空试验闭环控温的原理如图1所示[8-10]。

图1 温度闭环控制原理Fig.1 Flowchart for closed-loop temperature control

图1 中，由控制器依据采集到的温度TN与目标温度Tr的差值e，利用PID算法计算控制量u[11]：

式中：Kp、Ti、Td分别为比例系数、积分时间常数和微分时间常数。利用式(3)计算出控制量u后即可确定所需施加给红外加热装置的输入电流I的改变量，进而达到控制卫星对应分区所需外热流S的目的。控制量u与红外加热装置输入电流I间以及电流I与输出热流密度S间的关系均由红外加热装置的自身特性决定。

为了降低温度超调量，在升/降温过程中使卫星按照某一设定曲线逐步逼近最终目标温度。该曲线主要包括温度的直线上升段（或下降段）与逼近段，在直线上升段（或下降段）卫星温度按照设定区间的升/降温速率变化；在逼近段卫星升/降温速率按指数衰减。升/降温过程控制温度曲线如图2所示，逼近段曲线方程为

图2 升/降温过程温度曲线Fig.2 Curve of temperature changes in the control process

2.2 星上设备控温

在整星热真空试验的高温段，大功率通信卫星的控温风险主要是星内大功率设备开机时的温度容易超过其验收高温或者准鉴定级高温。大功率设备的温度比分区内其他设备的温度更高，其热耗主要通过2种路径传递到热管网络：一是通过导热将大部分热量直接传递到热管网络；二是通过辐射换热将部分热量传递到其他温度较低的设备上，然后由其他设备将此部分热量再传递到热管网络。大功率设备的特征点温度与热管网络温度间的差值取决于导热传递的热量和导热路径上的热阻，因此用每台大功率设备的最大热耗除以热阻即可得到该设备特征点温度与热管网络温度差的上限值，用每台设备所能允许的最高温度减去其与热管网络的温差上限值即可得到该设备所能承受的热管网络最高温度。大功率设备与热管网络之间的导热功率不可能超过其最大热耗，因此依据上述算法计算出的热管网络最高温度是保守的、安全的。实际试验中，再考虑不同设备的温度拉偏量和安全余量即可确定每一分区的高温段的热管网络目标温度；也可依据以往型号同类设备的工程经验数据或者整星热分析结果来确定大功率设备与热管网络温差的上限值。如此，在整星热真空试验高温段严格控制热管网络的最高温度即可达到控制星上设备温度的目的，并且能够确保安全。

在整星热真空试验的低温段，星上设备温度通常都高于热管网络温度，因此可以通过控制每一热分区的热管网络的最低温度来达到控制该分区设备温度的目的。

3 某大功率通信卫星热真空试验闭环控温

某大功率通信卫星整星热真空试验在北京航天城KM7A真空模拟器中进行，试验全程通过闭环控温完成热真空下温度自动控制。试验中用到的PID闭环控温软件由北京卫星环境工程研究所提供，所需PID控制参数通过自整定试验获取。

3.1 闭环控温参数自整定试验

为更加合理地设置热管网络闭环控温参数，选定星上部分典型的热分区进行闭环控温自整定试验，各分区的自整定试验均可在1 h内完成。通过自整定试验确定的各分区在目标温度附近最优PID控制参数如表1所示，其中分区1的自整定试验过程中的热管网络温度曲线见图3。由于最优PID控制参数会随温度、热容、热耗等参数发生变化，在整个试验过程中都以最优参数进行控制是难以实现的。为降低控制程序的复杂性，提高通用性，依据表1结果将各分区的PID参数统一调整为Kp=4.5、Ti=8 min、Td=2 min。

表1 PID 控温参数自整定试验结果Table 1 Results of the PID self-tuning tests

图3 自整定试验过程中热管网络温度曲线Fig.3 Temperatures of the heat pipes during self-tuning test

3.2 整星闭环控温热真空试验

利用第2章所述方法进行整星闭环控温试验，PID控温参数设置如3.1节所述，升/降温过程逼近段的ΔT设置为0.2 ℃。依据卫星热管网络布局、星内电子设备布局及卫星散热面设置情况进行热分区划分。为了降低不同热分区之间的耦合，尽量将同一热管连通的区域划分为同一热分区。在升温段和高温停留段，PID控制程序依据每个热分区内热管网络温度的最大值进行控温；在降温段和低温停留段，PID控制程序依据每个热分区内热管网络温度的最低值进行控温。为了防止出现控温计算机或者控制程序停止工作，温度数据采集器停止工作或者出现假值等各种意外情况，各个热分区均单独设置1个红外加热装置电流安全限制值。对星上重点设备的温度拉偏情况和安全余量进行实时监控，并设置了安全余量过小时监控程序自动报警功能，制定了详细的意外情况应急预案。卫星典型分区的热管网络温度曲线如图4所示，星上主要热分区的热管网络温度超调量见表2。表中的高温段和低温段为包含温度稳定、温度保持、高/低温性能测试在内的完整的高/低温阶段。由图4和表2可以看出，热管网络闭环控温效果良好，各分区热管温度曲线光滑平整、波动较小，主要热分区的温度超调量均在±0.5 ℃以内，星上所有设备控温均达到预期效果，圆满完成了试验控温任务。

图4 典型分区热管网络温度曲线Fig.4 Temperatures in typical partitions of the heat pipes

表2 主要分区的热管网络温度超调量Table 2 Temperature overshoot in the main partitions of the heat pipes℃

4 结束语

本文介绍了大功率通信卫星热真空试验闭环控温原理，应用PID闭环控制方法完成了某大功率通信卫星热真空试验的自动控温任务，控温效果满足试验要求，精度达到±0.5 ℃。

本文的试验控温方法与相关的闭环控温参数可为同类卫星热真空试验的控温工作提供参考，具备一定的推广价值。