通信衛(wèi)星在軌熱控功率評估研究

劉紹然 劉正山 石明 王益紅 劉洋

(1 中國空間技術研究院通信與導航衛(wèi)星總體部，北京 100094)(2 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094)

當前，高、低軌道通信衛(wèi)星在不斷更新?lián)Q代，在激烈的市場競爭形勢下，各衛(wèi)星制造商在技術和經營管理上采取了各種措施，縮短周期、降低成本、提高性能，以增強各自衛(wèi)星平臺的競爭力。目前，我國衛(wèi)星普遍存在工作軌道段熱控功率占比偏高的問題，以通信衛(wèi)星為例，地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星熱控功率預算占平臺設備總功率的50%～72%。熱控功率全部用于電加熱器(后文簡稱加熱器)的供電，因此加熱器功率優(yōu)化是提升衛(wèi)星平臺功率承載能力的措施之一[1]。

加熱器是航天器熱控制系統(tǒng)常用的主動熱控措施，通過地面遙控或自控方式實現(xiàn)熱補償功能，維持被控對象需要的溫度均勻度或溫度范圍[2]。由于衛(wèi)星平臺有較多設備或部件采取獨立的加熱控溫措施，使用了大量加熱器，如10 N推力器加熱器、星敏感器加熱器等等。每顆通信衛(wèi)星雖不盡相同，但對比我國主流通信衛(wèi)星平臺與歐美通信衛(wèi)星平臺的熱控功率預算，可看出整星功率相當?shù)那闆r下，熱控總功率高于國外衛(wèi)星。

航天器在軌飛行過程中積累的遙測數(shù)據(jù)是重大資產，是了解在軌運行狀態(tài)的最直接窗口，也是開展設計的性能與余量評估的最直接依據(jù)。我國在軌地球靜止軌道通信衛(wèi)星日益增多，積累的大量在軌溫度數(shù)據(jù)全面驗證了熱設計、熱控產品和實施工藝的正確性與可靠性[3-7]。但在保證熱控系統(tǒng)功能和性能的條件下，還應考慮航天器熱設計的經濟性，使熱控系統(tǒng)功耗、質量等資源消耗最少，研制費用最少[8]。因此，在平臺成熟的熱控技術基礎上，優(yōu)化和減配非必要的熱控功率[9]，對提高衛(wèi)星平臺有效能力大有益處，但目前尚無對熱控功率經濟性或熱控功率資源使用情況的研究。

本文結合通信衛(wèi)星熱控制系統(tǒng)設計，利用飛行遙測數(shù)據(jù)分析電加熱器在軌實際使用規(guī)律，評估熱控功率余量，可為后續(xù)優(yōu)化功率預算、制定在軌功率管理策略和改進產品設計提供支持。

1 在軌評估對象分析

對比我國主流通信衛(wèi)星平臺與國外空間客車-4000(Spacebus-4000)、LS-1300平臺的熱控功率預算，見表1，在通信衛(wèi)星A競標中，壽命末期的至點/分點/地影時，我國平臺熱控功率分別比Spacebus-4000C3平臺多286 W/338 W/91 W；基于LS-1300E平臺的衛(wèi)星B在至點/分點/地影時熱控功率分別為244.8 W/341.6 W/176.5 W，亦少于我國通信衛(wèi)星平臺。以上國外同類衛(wèi)星熱控功率預算占平臺設備功率的21.40%～34.02%。

表1 不同平臺衛(wèi)星熱控功率對比Table 1 Comparison of thermal control power of different platforms

選取我國主流平臺的某顆通信衛(wèi)星為研究對象，其已在軌正常運行5年。通過遙測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星在軌運行1～3天之后，平臺和載荷艙設備陸續(xù)達到溫度平衡，處于要求的溫度范圍內，并有足夠的余量。

從采集到的遙測數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)變量是周期變化的，例如衛(wèi)星南、北散熱面上的溫度變量是按照季節(jié)變化的，同時這些變量的變化中又存在一些局部的周期，例如一天的溫度是按照晝夜變化的，另夾雜一些細微干擾?？偟膩碚f，在軌衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)的變化具有趨勢性、季節(jié)性和小幅隨機性。根據(jù)通信衛(wèi)星熱控制措施、地球靜止軌道外熱流的特點、設備溫度變化的規(guī)律，確定春分日、夏至日、秋分日和冬至日共4個極端工況進行分析。

隨著在軌工作時間的增加，散熱面涂層和儀器設備效率在空間環(huán)境中退化，加熱器工作負荷周期將下降，因此，下面以衛(wèi)星壽命初期(第一年)的數(shù)據(jù)作為主要研究對象，得出客觀的加熱能力余量。

需要說明的是，熱控功率預算并不是所有主份、備份加熱器設計功率的迭加，當前是各工況中所用的平臺主份加熱器設計功率之和。后文在與“加熱器平均總功率”對比時，亦以“加熱器設計總功率”表示熱控功率預算。

2 熱控功率電流評估方法

2.1 基于電流的功率計算

從衛(wèi)星的在軌數(shù)據(jù)中查詢平臺加熱器的霍爾電流遙測參數(shù)，假設平臺共有加熱器n路，則計算來自供電母線的平臺加熱器瞬時總功率變化為

(1)

Pi=Ii×Ui/ηi，i=1,2,…,n

(2)

式中：Q為平臺加熱器的總功率；Pi為加熱器i的功率；Ii為加熱器i的霍爾電流；Ui為加熱器i的供電電壓；ηi為加熱器i的母線供電轉換效率。

對于航天器熱控制單元，其霍爾電流傳感器一般會同時處理多個加熱器通道，因此只能得到若干個加熱器的功率之和。

2.2 在軌功率評估

衛(wèi)星平臺加熱器第一年內的各工況瞬時總功率見圖1～圖4，將瞬時總功率折合成衛(wèi)星供電母線提供的平臺加熱器日均總功率，見表2。

圖1 2015年冬至平臺加熱器總功率變化Fig.1 Total platform heaters power costs in winter solstice of 2015

圖2 2016年春分平臺加熱器總功率變化Fig.2 Total platform heaters power costs in spring equinox of 2016

圖3 2016年夏至平臺加熱器總功率變化Fig.3 Total platform heaters power costs in summer solstice of 2016

圖4 2016年秋分平臺加熱器總功率變化Fig.4 Total platform heaters power costs in autumn equinox of 2016

表2 根據(jù)霍爾電流參數(shù)計算的衛(wèi)星平臺加熱器日均總功率Table 2 Total daily average platform heaters power costs based on Hall current W

從圖1～圖4、表2可知：

(1)在地球靜止軌道，通信衛(wèi)星平臺的秋分日加熱器功率>春分日加熱器功率>夏至日加熱器功率>冬至日加熱器功率，并且二分日的加熱器功率波動量>二至日的加熱器功率波動量。

(2)加熱器總功率呈現(xiàn)明顯的波峰波谷。從衛(wèi)星母線中獲得的平臺加熱器最高瞬時總功率可到637.28 W，發(fā)生在2016年春分，超出分點566.23 W的設計總功率(加熱器最低瞬時總功率為0 W，發(fā)生在2018年夏至，低于至點364.28 W的設計總功率)。這是由于各個加熱器采取簡單的高低溫閾值控制策略，存在設備溫度低至控溫閾值低溫限時同時開啟加熱器，在設備溫度高至控溫閾值高溫限時同時關閉加熱器的情況。

(3)衛(wèi)星在軌第一年平均總功率余量為43.52%～51.89%，第三年平均總功率余量較穩(wěn)定，為53.11%～53.87%，熱控功率預算與在軌實際平均總功率偏差很大。應在各加熱器高低溫閾值控制的基礎上，設置更高層面的統(tǒng)籌控制策略，將加熱器在軌道的工作時段盡量錯開，對總功率“削峰平谷”，降低總功率需求。

(4)隨著在軌時間增加，加熱器總功率降低。其中二至日的功率降幅(2年內下降33.06～37.71 W)大于二分日(2年內下降11.12～14.52 W)，同一年度的二分日或二至日加熱器平均總功率基本相當。此趨勢符合前述隨著涂層和儀器設備效率在空間環(huán)境中退化，加熱器周期功耗下降的分析。

3 熱控功率開關量評估方法

3.1 基于開關量的占空比和功率計算

衛(wèi)星在軌飛行時可采用占空比作為表征加熱器持續(xù)工作負荷周期的方法，占空比為

φi=ton,i/t

(3)

式中：φi為加熱器i的占空比；ton,i為周期內加熱器i的工作時間；t為周期時間。

對于航天器熱控制單元，可通過遙測通道下傳各個時間點每個加熱器電路的開關狀態(tài)，進而得到加熱器的開關規(guī)律和各個時間段內的占空比。

加熱器的占空比越高，設計功率的有效性越高，根據(jù)加熱器的占空比可進行在軌衛(wèi)星加熱器功率使用率評價。同時，當加熱器施加平均功率時，被控對象的溫度可維持在(TH+TL)/2附近(TH和TL分別表示加熱器控溫閾值的高溫限和低溫限)。計算單個加熱器的平均功率為

(4)

3.2 在軌占空比和功率評估

3.2.1 加熱器占空比

通過開關量遙測數(shù)據(jù)可計算每個加熱器的占空比和平均功率，然后將若干路(設為N路)加熱器的平均功率之和除以加熱器的設計功率之和，即可得到N路加熱器的占空比。這里以衛(wèi)星的蓄電池加熱器和10 N推力器加熱器為例，給出占空比變化。

計算各工況下4路蓄電池主份加熱器的日均占空比(備份加熱器一直未啟動，占空比為0)，見表3。

表3 蓄電池主份加熱器日均占空比Table 3 Daily average duty cycle of battery heaters

從表3可知：

(1)二分日占空比(放電模式)大于二至日占空比(擱置模式)，這主要由于擱置模式加熱器控溫閾值低于放電模式。

(2)同側蓄電池B模塊加熱器占空比高于A模塊，這是由于B模塊靠近其他設備的散熱面，受艙板熱傳導的影響，溫度低于A模塊。

(3)在壽命初期夏至(冬至)，太陽照射衛(wèi)星的北板(南板)，對應的北蓄電池(南蓄電池)加熱器仍然具有一定的占空比。

(4)隨在軌服務時間的增加，相同季節(jié)的占空比下降。

進而計算2016年二分日的蓄電池主份加熱器時均占空比變化，見圖5和圖6。

圖5 2016年春分蓄電池加熱器時均占空比變化Fig.5 Hourly average battery heaters duty cycle in spring equinox of 2016

圖6 2016年秋分蓄電池加熱器時均占空比變化Fig.6 Hourly average battery heaters duty cycle in autumn equinox of 2016

由圖5和圖6可知：同側兩模塊的外熱流相似，加熱器占空比的變化規(guī)律也相似。單個模塊加熱器的占空比最高為0.76，最低為0；4個模塊加熱器的平均占空比最高為0.67，最低為0.03。從時均角度看，如以4個模塊加熱器工作的平均功率之和268.79 W為控制目標，在確保蓄電池溫度符合要求的同時，使功率可在恰當?shù)臅r機分配給恰當?shù)募訜崞鳎山档头贮c131.21 W的功率需求。

計算各工況下14路10 N推力器主份加熱器的總計日均占空比(備份加熱器一直未啟動，占空比為0)，見表4。

表4 10 N推力器主份加熱器總計日均占空比Table 4 Total daily average duty cycle of 10N heaters

由表4可知：10 N推力器加熱器秋分占空比>春分占空比>冬至占空比>夏至占空比；隨在軌服務時間的增加，相同季節(jié)的占空比下降。計算2016年二分日的10 N推力器加熱器總計時均占空比變化，見圖7。

由圖7可知：10 N推力器加熱器在二分日的占空比變化規(guī)律相似；加熱器在午夜前后大于其余時段的占空比；北京時間第23 h在衛(wèi)星的地影期內，加熱器工作時間最長，春分日和秋分日在此時間段內占空比分別高達0.64和0.70。

圖7 2016年二分日10 N主份加熱器時均占空比變化Fig.7 Total hourly average 10N heaters duty cycle in vernal and autumnal equinox of 2016

3.2.2 加熱器功率

根據(jù)衛(wèi)星平臺每個加熱器的占空比，計算每種平臺加熱器的日均功率，見表5。

表5 衛(wèi)星A平臺加熱器實際日均總功率Table 5 Total daily power costs of platform heaters W

由表5可知：

(1)在地球靜止軌道，10 N推力器、地球敏感器、動量輪、管路、太陽敏感器、蓄電池、電池板補償?shù)燃訜崞髌骄β什▌硬淮?，可以使用實際平均功率作為預算功率，并對其進行統(tǒng)籌控制。

(2)除陀螺加熱器外，隨在軌服務時間的增加，其他各種加熱器在相同季節(jié)的占空比下降。為滿足陀螺在軌應急使用的需求，在2016年春分日后將陀螺加熱器控溫閾值上調，導致主份加熱器在秋分前后功率不足使用，備份加熱器啟動，陀螺加熱器總功率超出設計功率；對同樣控溫閾值、同季節(jié)的工況比較可得出，隨著在軌服務時間的增加，陀螺加熱器占空比亦下降。

然后根據(jù)每個加熱器的日均功率，計算得到衛(wèi)星供電母線提供的平臺加熱器日均總功率，見表6。

表6 根據(jù)加熱器開關量計算的衛(wèi)星平臺加熱器日均總功率Table 6 Total daily average platform heaters power costs based on switching value W

從表6同樣可以得出，衛(wèi)星在軌第一年平臺加熱器總功率余量為48.20%～55.02%，第三年總功率余量為56.51%～58.19%，平臺加熱器具有較大的功率統(tǒng)籌優(yōu)化空間。

根據(jù)表6的加熱器總功率數(shù)據(jù)，在后續(xù)的國內同類衛(wèi)星設計中，對于主動式熱控部件，如嚴格按照國內外標準[10-11]，將平臺加熱器預留25%的多余控制能力作為熱不確定余量，即僅保持0.80的占空比，則熱控設計功率與LS-1300E平臺相當。

比較表2和表6可知，根據(jù)霍爾電流參數(shù)統(tǒng)計的平臺加熱器總功率大于根據(jù)開關量統(tǒng)計的平臺加熱器總功率，日均差值在15. 10～23.72 W之間，僅占設計總功率的3.10%～4.90%。這是由于加熱器電纜功率損耗、霍爾電流測量誤差和供電效率偏差綜合導致。

4 結束語

在軌熱控功率評估情況表明，目前國內通信衛(wèi)星加熱器總功率余量大于48%，具有較大的優(yōu)化空間。衛(wèi)星在設計階段應考慮加熱器工作占空比，以平均功率制定熱控功率預算，釋放峰值功率與平均功率之間的差值。以加熱器的平均功率進行熱控功率預算，可節(jié)約整星功率資源。但需在熱控軟件中增加加熱器的功率統(tǒng)籌控制策略，以應對在軌功率峰值需求。采用開關量評估方法，利用遙測數(shù)據(jù)計算加熱器的占空比和平均功率，可以指導熱控系統(tǒng)性能改進，合理設置加熱器，減少資源消耗。

本文的評估結果基于在軌遙測數(shù)據(jù)，有著一定的使用約束，數(shù)據(jù)的選取時機、時間段的長短影響著分析結果，在軌分析對象越多，熱控功率余量就越逼近實際情況。本文分析的熱控功率是基于衛(wèi)星正常工作狀態(tài)下的，當其處于異常狀態(tài)時，載荷將釋放出大量的功率供給加熱器使用。因此使用本文提出的熱控功率評估方法，得出在軌平均功率，用于衛(wèi)星的熱控功率預算，不會出現(xiàn)異常狀態(tài)下的整星功率“缺口”。