通信卫星在轨热控功率评估研究

刘绍然 刘正山 石明 王益红 刘洋

(1 中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部，北京 100094)(2 北京卫星环境工程研究所，北京 100094)

当前，高、低轨道通信卫星在不断更新换代，在激烈的市场竞争形势下，各卫星制造商在技术和经营管理上采取了各种措施，缩短周期、降低成本、提高性能，以增强各自卫星平台的竞争力。目前，我国卫星普遍存在工作轨道段热控功率占比偏高的问题，以通信卫星为例，地球静止轨道(GEO)卫星热控功率预算占平台设备总功率的50%～72%。热控功率全部用于电加热器(后文简称加热器)的供电，因此加热器功率优化是提升卫星平台功率承载能力的措施之一[1]。

加热器是航天器热控制系统常用的主动热控措施，通过地面遥控或自控方式实现热补偿功能，维持被控对象需要的温度均匀度或温度范围[2]。由于卫星平台有较多设备或部件采取独立的加热控温措施，使用了大量加热器，如10 N推力器加热器、星敏感器加热器等等。每颗通信卫星虽不尽相同，但对比我国主流通信卫星平台与欧美通信卫星平台的热控功率预算，可看出整星功率相当的情况下，热控总功率高于国外卫星。

航天器在轨飞行过程中积累的遥测数据是重大资产，是了解在轨运行状态的最直接窗口，也是开展设计的性能与余量评估的最直接依据。我国在轨地球静止轨道通信卫星日益增多，积累的大量在轨温度数据全面验证了热设计、热控产品和实施工艺的正确性与可靠性[3-7]。但在保证热控系统功能和性能的条件下，还应考虑航天器热设计的经济性，使热控系统功耗、质量等资源消耗最少，研制费用最少[8]。因此，在平台成熟的热控技术基础上，优化和减配非必要的热控功率[9]，对提高卫星平台有效能力大有益处，但目前尚无对热控功率经济性或热控功率资源使用情况的研究。

本文结合通信卫星热控制系统设计，利用飞行遥测数据分析电加热器在轨实际使用规律，评估热控功率余量，可为后续优化功率预算、制定在轨功率管理策略和改进产品设计提供支持。

1 在轨评估对象分析

对比我国主流通信卫星平台与国外空间客车-4000(Spacebus-4000)、LS-1300平台的热控功率预算，见表1，在通信卫星A竞标中，寿命末期的至点/分点/地影时，我国平台热控功率分别比Spacebus-4000C3平台多286 W/338 W/91 W；基于LS-1300E平台的卫星B在至点/分点/地影时热控功率分别为244.8 W/341.6 W/176.5 W，亦少于我国通信卫星平台。以上国外同类卫星热控功率预算占平台设备功率的21.40%～34.02%。

表1 不同平台卫星热控功率对比Table 1 Comparison of thermal control power of different platforms

选取我国主流平台的某颗通信卫星为研究对象，其已在轨正常运行5年。通过遥测数据发现，卫星在轨运行1～3天之后，平台和载荷舱设备陆续达到温度平衡，处于要求的温度范围内，并有足够的余量。

从采集到的遥测数据中发现，绝大多数变量是周期变化的，例如卫星南、北散热面上的温度变量是按照季节变化的，同时这些变量的变化中又存在一些局部的周期，例如一天的温度是按照昼夜变化的，另夹杂一些细微干扰。总的来说，在轨卫星遥测数据的变化具有趋势性、季节性和小幅随机性。根据通信卫星热控制措施、地球静止轨道外热流的特点、设备温度变化的规律，确定春分日、夏至日、秋分日和冬至日共4个极端工况进行分析。

随着在轨工作时间的增加，散热面涂层和仪器设备效率在空间环境中退化，加热器工作负荷周期将下降，因此，下面以卫星寿命初期(第一年)的数据作为主要研究对象，得出客观的加热能力余量。

需要说明的是，热控功率预算并不是所有主份、备份加热器设计功率的迭加，当前是各工况中所用的平台主份加热器设计功率之和。后文在与“加热器平均总功率”对比时，亦以“加热器设计总功率”表示热控功率预算。

2 热控功率电流评估方法

2.1 基于电流的功率计算

从卫星的在轨数据中查询平台加热器的霍尔电流遥测参数，假设平台共有加热器n路，则计算来自供电母线的平台加热器瞬时总功率变化为

(1)

Pi=Ii×Ui/ηi，i=1,2,…,n

(2)

式中：Q为平台加热器的总功率；Pi为加热器i的功率；Ii为加热器i的霍尔电流；Ui为加热器i的供电电压；ηi为加热器i的母线供电转换效率。

对于航天器热控制单元，其霍尔电流传感器一般会同时处理多个加热器通道，因此只能得到若干个加热器的功率之和。

2.2 在轨功率评估

卫星平台加热器第一年内的各工况瞬时总功率见图1～图4，将瞬时总功率折合成卫星供电母线提供的平台加热器日均总功率，见表2。

图1 2015年冬至平台加热器总功率变化Fig.1 Total platform heaters power costs in winter solstice of 2015

图2 2016年春分平台加热器总功率变化Fig.2 Total platform heaters power costs in spring equinox of 2016

图3 2016年夏至平台加热器总功率变化Fig.3 Total platform heaters power costs in summer solstice of 2016

图4 2016年秋分平台加热器总功率变化Fig.4 Total platform heaters power costs in autumn equinox of 2016

表2 根据霍尔电流参数计算的卫星平台加热器日均总功率Table 2 Total daily average platform heaters power costs based on Hall current W

从图1～图4、表2可知：

(1)在地球静止轨道，通信卫星平台的秋分日加热器功率>春分日加热器功率>夏至日加热器功率>冬至日加热器功率，并且二分日的加热器功率波动量>二至日的加热器功率波动量。

(2)加热器总功率呈现明显的波峰波谷。从卫星母线中获得的平台加热器最高瞬时总功率可到637.28 W，发生在2016年春分，超出分点566.23 W的设计总功率(加热器最低瞬时总功率为0 W，发生在2018年夏至，低于至点364.28 W的设计总功率)。这是由于各个加热器采取简单的高低温阈值控制策略，存在设备温度低至控温阈值低温限时同时开启加热器，在设备温度高至控温阈值高温限时同时关闭加热器的情况。

(3)卫星在轨第一年平均总功率余量为43.52%～51.89%，第三年平均总功率余量较稳定，为53.11%～53.87%，热控功率预算与在轨实际平均总功率偏差很大。应在各加热器高低温阈值控制的基础上，设置更高层面的统筹控制策略，将加热器在轨道的工作时段尽量错开，对总功率“削峰平谷”，降低总功率需求。

(4)随着在轨时间增加，加热器总功率降低。其中二至日的功率降幅(2年内下降33.06～37.71 W)大于二分日(2年内下降11.12～14.52 W)，同一年度的二分日或二至日加热器平均总功率基本相当。此趋势符合前述随着涂层和仪器设备效率在空间环境中退化，加热器周期功耗下降的分析。

3 热控功率开关量评估方法

3.1 基于开关量的占空比和功率计算

卫星在轨飞行时可采用占空比作为表征加热器持续工作负荷周期的方法，占空比为

φi=ton,i/t

(3)

式中：φi为加热器i的占空比；ton,i为周期内加热器i的工作时间；t为周期时间。

对于航天器热控制单元，可通过遥测通道下传各个时间点每个加热器电路的开关状态，进而得到加热器的开关规律和各个时间段内的占空比。

加热器的占空比越高，设计功率的有效性越高，根据加热器的占空比可进行在轨卫星加热器功率使用率评价。同时，当加热器施加平均功率时，被控对象的温度可维持在(TH+TL)/2附近(TH和TL分别表示加热器控温阈值的高温限和低温限)。计算单个加热器的平均功率为

(4)

3.2 在轨占空比和功率评估

3.2.1 加热器占空比

通过开关量遥测数据可计算每个加热器的占空比和平均功率，然后将若干路(设为N路)加热器的平均功率之和除以加热器的设计功率之和，即可得到N路加热器的占空比。这里以卫星的蓄电池加热器和10 N推力器加热器为例，给出占空比变化。

计算各工况下4路蓄电池主份加热器的日均占空比(备份加热器一直未启动，占空比为0)，见表3。

表3 蓄电池主份加热器日均占空比Table 3 Daily average duty cycle of battery heaters

从表3可知：

(1)二分日占空比(放电模式)大于二至日占空比(搁置模式)，这主要由于搁置模式加热器控温阈值低于放电模式。

(2)同侧蓄电池B模块加热器占空比高于A模块，这是由于B模块靠近其他设备的散热面，受舱板热传导的影响，温度低于A模块。

(3)在寿命初期夏至(冬至)，太阳照射卫星的北板(南板)，对应的北蓄电池(南蓄电池)加热器仍然具有一定的占空比。

(4)随在轨服务时间的增加，相同季节的占空比下降。

进而计算2016年二分日的蓄电池主份加热器时均占空比变化，见图5和图6。

图5 2016年春分蓄电池加热器时均占空比变化Fig.5 Hourly average battery heaters duty cycle in spring equinox of 2016

图6 2016年秋分蓄电池加热器时均占空比变化Fig.6 Hourly average battery heaters duty cycle in autumn equinox of 2016

由图5和图6可知：同侧两模块的外热流相似，加热器占空比的变化规律也相似。单个模块加热器的占空比最高为0.76，最低为0；4个模块加热器的平均占空比最高为0.67，最低为0.03。从时均角度看，如以4个模块加热器工作的平均功率之和268.79 W为控制目标，在确保蓄电池温度符合要求的同时，使功率可在恰当的时机分配给恰当的加热器，可降低分点131.21 W的功率需求。

计算各工况下14路10 N推力器主份加热器的总计日均占空比(备份加热器一直未启动，占空比为0)，见表4。

表4 10 N推力器主份加热器总计日均占空比Table 4 Total daily average duty cycle of 10N heaters

由表4可知：10 N推力器加热器秋分占空比>春分占空比>冬至占空比>夏至占空比；随在轨服务时间的增加，相同季节的占空比下降。计算2016年二分日的10 N推力器加热器总计时均占空比变化，见图7。

由图7可知：10 N推力器加热器在二分日的占空比变化规律相似；加热器在午夜前后大于其余时段的占空比；北京时间第23 h在卫星的地影期内，加热器工作时间最长，春分日和秋分日在此时间段内占空比分别高达0.64和0.70。

图7 2016年二分日10 N主份加热器时均占空比变化Fig.7 Total hourly average 10N heaters duty cycle in vernal and autumnal equinox of 2016

3.2.2 加热器功率

根据卫星平台每个加热器的占空比，计算每种平台加热器的日均功率，见表5。

表5 卫星A平台加热器实际日均总功率Table 5 Total daily power costs of platform heaters W

由表5可知：

(1)在地球静止轨道，10 N推力器、地球敏感器、动量轮、管路、太阳敏感器、蓄电池、电池板补偿等加热器平均功率波动不大，可以使用实际平均功率作为预算功率，并对其进行统筹控制。

(2)除陀螺加热器外，随在轨服务时间的增加，其他各种加热器在相同季节的占空比下降。为满足陀螺在轨应急使用的需求，在2016年春分日后将陀螺加热器控温阈值上调，导致主份加热器在秋分前后功率不足使用，备份加热器启动，陀螺加热器总功率超出设计功率；对同样控温阈值、同季节的工况比较可得出，随着在轨服务时间的增加，陀螺加热器占空比亦下降。

然后根据每个加热器的日均功率，计算得到卫星供电母线提供的平台加热器日均总功率，见表6。

表6 根据加热器开关量计算的卫星平台加热器日均总功率Table 6 Total daily average platform heaters power costs based on switching value W

从表6同样可以得出，卫星在轨第一年平台加热器总功率余量为48.20%～55.02%，第三年总功率余量为56.51%～58.19%，平台加热器具有较大的功率统筹优化空间。

根据表6的加热器总功率数据，在后续的国内同类卫星设计中，对于主动式热控部件，如严格按照国内外标准[10-11]，将平台加热器预留25%的多余控制能力作为热不确定余量，即仅保持0.80的占空比，则热控设计功率与LS-1300E平台相当。

比较表2和表6可知，根据霍尔电流参数统计的平台加热器总功率大于根据开关量统计的平台加热器总功率，日均差值在15. 10～23.72 W之间，仅占设计总功率的3.10%～4.90%。这是由于加热器电缆功率损耗、霍尔电流测量误差和供电效率偏差综合导致。

4 结束语

在轨热控功率评估情况表明，目前国内通信卫星加热器总功率余量大于48%，具有较大的优化空间。卫星在设计阶段应考虑加热器工作占空比，以平均功率制定热控功率预算，释放峰值功率与平均功率之间的差值。以加热器的平均功率进行热控功率预算，可节约整星功率资源。但需在热控软件中增加加热器的功率统筹控制策略，以应对在轨功率峰值需求。采用开关量评估方法，利用遥测数据计算加热器的占空比和平均功率，可以指导热控系统性能改进，合理设置加热器，减少资源消耗。

本文的评估结果基于在轨遥测数据，有着一定的使用约束，数据的选取时机、时间段的长短影响着分析结果，在轨分析对象越多，热控功率余量就越逼近实际情况。本文分析的热控功率是基于卫星正常工作状态下的，当其处于异常状态时，载荷将释放出大量的功率供给加热器使用。因此使用本文提出的热控功率评估方法，得出在轨平均功率，用于卫星的热控功率预算，不会出现异常状态下的整星功率“缺口”。