基于泵变频调速的航天器热控制技术

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1、2011年4月第2期中国空间科学技术!三_丛nesespa￡曼—§sienceandTechn0109y基于泵变频调速的航天器热控制技术宁献文张加迅(中国空间技术研究院，北京100094)摘要文章针对某单相流体回路地面原理样机，提出采用泵变频调速技术进行控温，并对系统控温特性进行了地面试验研究，整个瞬态试验过程中控温精度一般都在±O．3℃以内，最大波动也基本不超过±o．5℃，基于泵变频调速技术的热控制策略性能优良、有效，试验结果可供实际工程设计参考。关键词热控制变频泵单相流体回路地面原理样机航天器DOI：10．3780／i．issn．1000—758X．201

2、1．02．0081引言随着中国航天科技的不断发展，未来的新型航天器平台由于具备特殊飞行任务，不仅可能面临姿态大范围变化导致的外热流大幅度改变，甚至会具有一定的不可预知性，而且内部热负荷也可能同时发生大范围变化，这两点因素都要求热控系统具有更强的适应能力¨咭]。而传统的以被动热控为主、电加热为辅的热设计受制于各种资源的限制，适应能力明显不足。基于机械泵的单相流体回路技术作为一种具有很大潜力的主动热控技术，具有结构简单、布置灵活、鲁棒性高以及可继承性好等优点[4。8]，能够显著提高航天器热控系统的适应能力，并且已经成功应用在航天飞机、国际空间站以及“神舟”飞船等大

3、型载人航天器热控系统中，有效解决了这些载人航天器的热控难题。但长期以来，基于机械泵的单相流体回路技术普遍采用阀门控制流量与压力，以达到控温的目的[1-8]。一般来说，温控阀控温方式具有三个方面的不足：1)阀门执行机构一般为电动执行器，可靠性方面具有不足。为了提高可靠性，航天用单相流体回路经常采用两个温控阀的主备设计=1。2一]，又会造成系统质量的增加。2)阀门调节的线性度难于控制，使得构成的闭环自动控制系统动态特性不甚理想。3)泵一般按最大热负荷设计、选型，余量很大，使得大部分工况下泵都不处于最佳工作点，降低了泵的运行效率，能源消耗也大。随着电力电子技术、计算

4、机技术以及自动控制技术的迅速发展，泵变频调速技术已经被越来越多地用于工业生产中[9]。采用泵变频调速技术，可以使设备具备软启功能，减少启动时对设备的机械冲击，提高设备的功率因数，节约能源，方便地实现闭环控制。本文针对某单相流体回路地面原理样机，提出采用泵变频调速技术进行控温，并对系统控温特性进行了地面试验研究，验证了基于泵变频调速的热控制技术的有效性。国家863计划(2009AA7044008)资助项目收稿日期：2010—07—13。收修改稿H期：20lo—09一0748中国空间科学技术2011年4月单相流体回路地面原理样机图1为某单相流体回路空间应用示意图，

5、其与目前使用的单相流体回路在控温方式上具有很大的差别。本文采用的回路取消了旁路及温控阀，不再采用阀门控制流经旁路与辐射器的流量，以最终达到控温的目的，而是采用泵变频调速技术来控温，即当航天器内热源与外热流变化时，通过泵变频调速改变整个系统的流量，从而改变流体工质与内热源、外热流的换热量，使得回路控温点处在控温目标附近，达到维持整个航天器处于合适的工作温度。图2为简化后的地面原理样机，与在航天器上使用的主要区别在于利用地面冷源代替真空低温环境来完成试验，即通过液液换热器将航天器上的热量传给地面冷源，通过地面冷源温度的变化来模拟外热流变化，设备热耗采用加热片模拟。

6、TCPp3aTCPp3bTCPp4a7rCPp4b图1单相流体回路窄间应用示意图Fig．1Sketchofspacesingle—phasefluidloop驴◆嚣f裂丽⑦仁娶啊苛画嬲8薹蝼．．／)p二补；糯击巍拶蚕掣妊j苍笸萨蚤珐鲎J对于系统控温点的选择，对于图1所示的空间应用系统，选择辐射器出口(Tpl)或者辐射器入口(Tp7)均可，两者的主要区别是外热流对系统影响的滞后性不同，通过控制参数可以消除滞后性的影响，两者控温性能没有差别。但是对于地面原理样机来说，由于地面冷源制冷能力大于系统热负荷，而且液一液换热器换热效率很高，使得回路出口温度(Tpl)基本等

7、于冷源出口温度(Tc出)，使得地面原理样机控温点只能选择在辐射器入口处(Tp7)。地面原理样机有4块冷板以及6台模拟设备用于模拟实际航天器上的仪器设备。表1给出了模拟设备的参数与最大模拟热耗。表l模拟设备参数与最大模拟热耗Tab．1ParametersandmaximiumheatofanaIogequipment设备名称代号质量j妇尺寸／(mm×mm×mm)热耗／w冷板l设备aPCIaO．5490×90×6040冷板2设备aPC2aO．65120×90×60150冷板3设备aPC3a2．77160×130×120230冷板3设备bPC3b2．18160×13

8、0×120150冷板4设备aPC4a1