纳卫星微型百叶窗热控技术研究及仿真

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1、纳卫星微型百叶窗热控技术研究及仿真杨娟，李运泽，王浚（北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京１０００８３）［摘要］　微型百叶窗能够适当解决因体积及质量限制而引起的纳卫星内部热环境高热流密度问题。微型百叶窗驱动的智能化控制方法是亟待解决的关键技术。在球状纳卫星动态特性模型的基础上，提出了一种模糊PI混合控制方法。分别在舱内仪器散热增加和减少的工况下进行控制仿真。结果表明，这种并联控制系统较之单独使用模糊控制器和传统PID控制器在控制效果和动态特性方面更佳。［关键词］　纳卫星；微型百叶窗；模糊PI控制器；仿真［中图分类号］　V４１

2、６　［文献标识码］　A　［文章编号］　１００９－１７４２（２００８）０７－００７３－０４是能够满足卫星内部仪器设备的温度控制，是一种1前言有效的主动热控技术。但是，它的重量约为４～４畅８２微小卫星具备研制成本低、周期短的特点，在空kg桙m，这是纳型卫星无法承受的。因此，需要用满间应用领域越来越受到重视。自２０世纪８０年代以足质量轻、体积小、性能高等要求的百叶窗来替代常来，世界上已有２０多个国家和地区开展了微小卫星规装置。［１］的研究工作。我国在这方面的研制已经持续了将微型百叶窗是解决这一问题的关键技术之一，近两个五年，先后成功研

3、制并发射了“清华一号”、该装置利用低辐射率的可动叶片，以不同程度的遮“探索一号”、“创新一号”和纳型卫星等微小卫星。挡高辐射率仪器散热表面的办法来控制温度。当仪２０００年１１月，小型和微小型卫星被列为我国深空探器温度由于发热量增大而升高时，叶片旋转而张开，测的重点发展关键技术之一。露出高辐射率的仪器表面，增大散热量，从而使舱内国外把质量为１～１０kg的微小卫星称为纳卫热环境温度降下来；相反，当发热量减小而降温时，星。在纳卫星实际设计过程中，由于星体越小、质量叶片自动关小，辐射表面散热量减小，从而使舱内热越轻、微电子器件的集成度越

4、高，卫星内部势必存在环境温度上升。在这种机构中，叶片的动作使得辐局部高热流密度的问题。解决这一难题的关键在于射表面的当量辐射率发生变化，辐射排热改变从而［４］高效的热控系统。而星内电子集成器件的可靠性对实现对仪器的温度控制。因此，微型百叶窗动作温度十分敏感，仪器设备温度在７０～８０℃水平上每的控制技术是首要问题。［２］增加１℃可靠性就会下降５％。显然，传统的热微小百叶窗开度智能控制设计的基础是对纳卫控技术已无法满足要求，智能化、小型化热控技术成星的热分析。目前国内外航天器热计算普遍采用节［５］为研究的重要环节之一。点网络法（集总

5、参数法）。为了简化建模及分析过程，本文仅将纳卫星热系统分为舱内仪器设备、隔热2纳卫星系统热分析外壳和散热面三大集总参数节点。式（１）为纳卫星卫星在飞行过程中仪器的不断运作或多或少地上各节点的动态特性热平衡方程。［３］对舱内热环境温度造成影响。常规星用百叶窗当量辐射率大致在０畅０７～０畅８２７之间变化，这种装置［收稿日期］　２００７－１０－１５［项目来源］　国家自然科学基金资助项目（５０５０６００３）［作者简介］　杨娟（１９８３－），女，湖北鄂州市人，硕士研究生，研究方向为飞行器热控制与热管理技术２００８年第１０卷第７期169dT

6、p４４Cp·＝Qp－Fpσεep（Tp－Ts）－KprFr（Tp－Tr）dτdTr４Cr·＝Qr＋KprFr（Tp－Tr）－FrσεerTrdτdTs４４４Cs·＝Qs＋Fpσεep（Tp－Ts）－FsσεesTsdτ（１）式中，下标p，s，r分别表示舱内仪器热源、外壳和辐射器的相应参数；T表示舱内仪器热源、外壳和辐射器的平均温度；C为热容量；τ为时间；σ为斯忒图1混合控制器结构图藩－波尔兹曼常数；Fs，Fr分别为外壳表面积和辐Fig畅1Mixedcontrollerstructure射器外表面积；εep为多层隔热材料当量辐射率

7、；εes集及其论域范围定义如下：E的模糊集为｛NB，NM，为壳体外表面的热辐射率；εer为散热面当量辐射NS，O，PS，PM，PB｝，论域范围为｛－６，６｝；Ec的模糊率；Qp为仪器内热源散热总功率；Qs，Qr分别为单集为｛positive，o，negative｝，论域范围为｛－１，１｝；u的位时间内投射到外壳表面和散热面的太阳辐射加模糊集为｛关大，关中，关小，不变，开小，开中，开热量。大｝，论域范围为｛－１，１｝。其中P，O，N分别表示方程组（１）中，各式等号左边第一项表示节点内正、零、负，B，S分别表示大、小。隶属度函数分别

8、采能的变化；等号右边为纳卫星节点的内热源或所接用最常见的三角形和高斯型曲线。收的太阳辐射加热量、节点间辐射换热量或有导热输入模糊化后，确定模糊集合的and运算采用［６，７］联系的传热量及节点向内外辐射的热量之和。概率法（prodor），计算公式为prodor（a