深空探测器复杂热环境下的多维多模自主热控装置及方法与流程

1.本发明涉及航天器热控技术领域，具体地，涉及一种深空探测器复杂热环境下的多维多模自主热控装置及方法。


背景技术：

2.目前国内外传统的热控设计思想是：根据探测器轨道特性，选择外热流稳定的表面作为散热面，将星内的热量排散出去；在对复杂热控环境下的热控技术通常采用航天器矢量控制维持航天器固定的散热面不受光照，当航天器很难维持固定的散热面时可以安装可展开热辐射器进行散热。
3.但目前矢量控制热控方案对姿控系统依赖过大，影响了其他系统的正常工作模式；可展开辐射器增加了航天器平台重量和复杂性。当深空探测器离太阳很近时,如近金星探测,太阳辐射很强,采用传统热设计,要大幅度增加散热防护,刚增加了航天器的重量和复杂性。
4.现有技术中也有诸多的设计，例如专利文献cn104816839a公开了一种卫星平台模块化热控装置，该专利将卫星热控分系统分成多个模块，包括低温指标热控模块、高温指标热控模块、载荷热控模块等，提高了卫星平台热控适应性，但该设计无法满足深空探测器在复杂热环境下的热控需求。再例如专利文献cn108146660a公开了一种航天器热控管理系统，该专利将航天器热控管理系统设计为多个控制单机，根据航天器的热控需求将所述多个控制单机配置在所述航天器的各个区域，用于实现所述航天器的各个区域的热控制，星上数据管理计算机用于实现对所述多个控制单机的控制，对航天器热控设计进行全局考虑,统一配置热控资源,提高了热控效率。但该设计也无法满足深空探测任务在复杂热环境下的热控需求。
5.又例如《中国航天器新型热控系统构建进展评述》(航空学报2019年07期)，该文献综合评述了中国航天器新型热控系统构建的最新研究成果和进展,具体包括:针对载人航天、探月工程等不同任务需求,构建出的相应的新型热控系统,以及以泵驱单相流体回路、重力驱动两相流体回路、环路热管与水升华器等为代表的一批新型热控产品；还例如专利文献cn108387123a公开了一种卫星热管理系统及其方法和将其安装到集成卫星中的方法，该专利设计了一种在系统中以液体为介质，在高温处吸热变成蒸汽，蒸汽循环到散热处放热变回液体，液体又循环到高温处继续吸热的热控系统，以上都采用了流体为载体的散热技术。
6.在文献《深空探测对航天器热控技术的推动》(航天器环境工程第33卷第2期)中也介绍了热控制技术、防热技术等取得新的发展，提到了“嫦娥三号”任务中，巡视器利用太阳翼遮阳等方式解决月面极端高温情况。但该技术首先与本发明的应用对象不同，嫦娥三号巡视器是在月球表面工作时使用太阳能帆板遮挡，而本发明应用的探测器是在宇宙飞行过程中使用；其次，太阳翼的调整角度不同，本发明可驱动太阳翼遮挡探测器任意表面的光照，而嫦娥三号巡视器只需要遮挡来自上方的光照；最后，散热逻辑不同，由于本发明，热控
设计时可将探测器的任何一个面作为散热面，而嫦娥三号巡视器热控分系统无此种设计。


技术实现要素：

7.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种深空探测器复杂热环境下的多维多模自主热控装置及方法。
8.根据本发明提供的一种深空探测器复杂热环境下的多维多模自主热控方法，根据探测器的散热需求对整星一个到多个面自主遮挡进而维持整星在不同状态下的热平衡。
9.优选地，包括如下步骤：
10.s1:自主控制器采集探测器内部及散热面的温度参数，计算探测器在轨道上太阳的方向以及当前太阳帆板位置，换算出太阳帆板与散热面的位置关系；
11.s2:通过分析计算求出转动机构和摆动机构需要的控制量；
12.s3:自主控制器输出控制量驱动太阳帆板按照的指定模式进行对日定向跟踪、捕获使太阳帆板的基板面与太阳光之间保持设定范围内的光照角,并且保证探测器散热面不被阳光照射。
13.优选地，在大倾角轨道下光照角从0
°
到180
°
内复杂变化时，采用多维太阳帆板遮挡阳光维持整星固定的散热面进行探测器热控，使探测器处于设定范围内的温度状态。
14.优选地，采用太阳帆板遮挡，所述太阳帆板采用1+1维驱动设计或1+2维驱动控制，实现整星的遮挡。
15.优选地，采用太阳帆板遮挡，所述太阳帆板的背面包覆隔热多层。
16.优选地，根据光照角和探测器散热的需求，探测器能够采用单翼或双翼太阳帆板对探测器散热面进行遮挡。
17.根据本发明提供的一种深空探测器复杂热环境下的多维多模自主热控装置，包括太阳帆板，还包括：
18.隔热多层，布置在所述太阳帆板的背面；
19.转动机构，布置在探测器的散热面上；
20.连接架，一端通过摆动机构连接所述太阳帆板，另一端与所述转动机构驱动连接；
21.自主控制器，控制转动机构、摆动机构的动作。
22.优选地，所述太阳帆板采用双翼太阳帆板或单翼太阳帆板。
23.优选地，根据探测器轨道和散热面大小，探测器通过映射关系自主控制所述太阳帆板实现对探测器散热面的遮挡，其中，探测器太阳帆板与散热面的遮挡映射关系，从面映射关系推出线映射关系再到点映射关系，最终得到关系式为：
[0024][0025]
其中：δ＝(x+msinθcosγ)2+(y+msinθcosa)2，o为太阳帆板基板与连接架中心点交点，op为太阳帆板基板上的任意点到o点距离，(x，y)是以转动机构为原点的散热面上任意点坐标，θ为太阳光的入射方向与散热面的夹角，m为连接架的长度，α为光线与探测器本体x轴的夹角，γ为光线与探测器本体z轴的夹角。
[0026]
优选地，θ的取值范围为0
°
～180
°
。
[0027]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0028]
1、本发明采用全新思维、全新手段大胆构想，进行航天器热控设计，将航天器太阳帆板的功能进行扩充，具备遮光的特性，减少阳光对散热面的照射以达到增强散热的效果，就好像一把太阳伞维持被遮挡物的阴凉一样，解决了深空复杂轨道下,长距离飞行(如木星探测器从地球飞往金星借力到木星探测过程中)等在复杂热控环境下的散热问题。
[0029]
2、本发明在不增加或少量增加额外重量和功耗的前提下,解决了深空探测和大倾角航天器的热控关键难点，平台的散热效果良好，提高了航天器的性能。
[0030]
3、本发明中的太阳帆板可以采用1+1维驱动设计或1+2维驱动控制，实现整星的遮挡，航天器的散热需求可以进行整星1个到多个面遮挡，维持整星在不同状态下热平衡。
[0031]
4、本发明在大倾角轨道下光照角从0
°
到180
°
内复杂变化时，采用多维太阳帆板遮挡阳光维持整星固定的散热面进行航天器热控，使航天器处于理想的温度状态，减少结构的热变形，提高航天器基准平面的精度。
[0032]
5、本发明中太阳帆板背面采用包覆多层隔热介质的热控处理方式，当太阳帆板距离散热面1.5m时进行遮挡，可以有效提高散热能力。
[0033]
6、本发明根据航天器轨道和散热面大小，航天器通过映射关系自主控制太阳帆板实现对航天器散热面的遮挡，减少光线对光学载荷的照射，提高了散热效果。
[0034]
7、本发明根据光照角和航天器散热的需求，航天器可以采用单翼或双翼太阳帆板对航天器散热面进行遮挡，通用性好。
附图说明
[0035]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0036]
图1为本发明所提供航天器单翼太阳帆板构型图；
[0037]
图2为本发明所提供航天器双翼太阳帆板构型图；
[0038]
图3为本发明所提供航天器1+1维太阳帆板示意图；
[0039]
图4为本发明所提供航天器1+2维太阳帆板示意图；
[0040]
图5为本发明所提供多维自主多模热控原理框图；
[0041]
图6为本发明所提供太阳帆板与散热面映射关系图。
[0042]
图中示出：
[0043]
太阳帆板1
[0044]
隔热多层2
[0045]
转动机构3
[0046]
连接架4
[0047]
摆动机构5
[0048]
散热面6
[0049]
太阳角计7
具体实施方式
[0050]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术
人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0051]
随着我国航天事业的不断发展，深空探测器运行轨道、热环境越来越复杂，与之相对应,航天器的控制系统与工作模式也变得越来越复杂。为了减少热环境复杂性对航天器的影响，本发明提供了一种深空探测器复杂热环境下的多维多模自主热控方法，根据探测器的散热需求对整星一个到多个面自主遮挡进而维持整星在不同状态下的热平衡。
[0052]
具体地，深空探测器复杂热环境下的多维多模自主热控方法，采用多信息融合的闭环自主控制方案，如图5所示，包括如下步骤：
[0053]
s1:自主控制器通过温度传感器采集探测器内部及散热面的温度参数，通过太阳角计7计算探测器在轨道上太阳的方向以及当前太阳帆板1位置，换算出太阳帆板1与散热面6的位置关系；
[0054]
s2:通过分析计算求出转动机构3和摆动机构5需要的控制量；
[0055]
s3:自主控制器输出控制量驱动太阳帆板1按照的指定模式进行对日定向跟踪、捕获使太阳帆板1的基板面与太阳光之间保持设定范围内的光照角,并且保证探测器散热面6不被阳光照射，具有高效的散热功能。
[0056]
太阳帆板1可采用1+1维驱动设计，实现整星的遮挡，如图3所示，连接架4与基板之间采用1维摆动机构5连接，连接架4与航天器本体采用1维转动机构3连接。也可采用1+2维驱动控制，如图4中的2维转动机构由一维转动加一维摆动机构组成，连接架4与基板之间采用1维摆动机构5连接，连接架4与航天器本体采用2维转动机构3连接。如图4所示。转动机构3主要实现太阳帆板1对航天器的区域遮挡，称为区域结构，它决定太阳翼基板的工作区间，摆动机构5反映太阳帆板1的方向要求，称为方向结构，它决定太阳翼基板的灵活性。
[0057]
本发明中的太阳帆板基板正面贴太阳电池片将光能转换成电能，并产生一定热能从帆板正负两面辐射出去，会影响散热面6的工作效率，所以在太阳帆板1的背面包覆或粘贴隔热多层2，阻断热量向太阳翼背面的辐射，提高散热面的辐射效率，当太阳帆板1距离散热面11小于或等于1.5m进行遮挡隔热多层2在太阳帆板1的背面进行遮挡，可以实现散热能力优于150w/m2的效果。这时太阳帆板基板的工作温度可以达到150度，电能转换效率下降5％。
[0058]
根据光照角和探测器散热的需求，探测器能够采用单翼或双翼太阳帆板1对探测器散热面6进行遮挡。
[0059]
本发明还提供了一种深空探测器复杂热环境下的多维多模自主热控装置，包括太阳帆板1、隔热多层2、转动机构3、连接架4、太阳角计7以及自主控制器，太阳角计7安装在太阳帆板1上，隔热多层2布置在太阳帆板1的背面，隔热多层2用于隔绝太阳帆板1接收的热量，防止通过太阳帆板1将热量传递到散热面6上，隔热多层2可采用现有技术中能够阻挡热量向太阳帆板1背面辐射的材料，此处不再赘述。
[0060]
转动机构3布置在探测器的散热面6上；连接架4一端通过摆动机构5连接太阳帆板1，连接架4的另一端与转动机构3驱动连接；自主控制器能够控制转动机构3、摆动机构5的动作。
[0061]
具体地，太阳帆板1可采用双翼太阳帆板，也可采用单翼太阳帆板。航天器采用大型单翼太阳帆板1，位于航天器的一边，像一把伞将所有的阳光遮挡，航天器工作在阴影下，
航天器本体与太阳翼基板通过连接架4相互连接，并由驱动机构完成相互解耦驱动控制，使航天器本体任何姿态机动与帆板无关(阳光无关)，航天器各个面都可作散热面6来使用，这时航天器可以散出最大量的热量，如图1所示。航天器还可以采用双翼太阳帆板1，分别安装在航天器本体左右两边，位于航天器的两边，分别遮挡航天器两边的散热面6，不受阳光照射，维持固定的散热面6，这时航天器可以散出一定热量，如图2所示。
[0062]
如图1所示，在设计时，单翼太阳帆板1的大小和构型与散热面6的大小、光线变化方向和太阳帆板1到航天器距离有关。图1中示出的摆动机构5用于控制太阳帆板基板的摆动方向，为了防止摆动机构5的温度过高将摆动机构5安装在太阳帆板基板的下面，与太阳帆板基板距离大于10cm。图1中示出转动机构3可以是1维转动机构或2维转动机构，根据太阳帆板基板需要运行的区域的范围不同，选择不同的驱动机构。
[0063]
根据探测器轨道和散热面大小，探测器通过映射关系自主控制太阳帆板1实现对探测器散热面6的遮挡，其中，探测器太阳帆板1与散热面6的遮挡映射关系，从面映射关系推出线映射关系再到点映射关系，最终得到关系式为：
[0064][0065]
其中：δ＝(x+msinθcosγ)2+(y+msinθcosa)2，o为太阳帆板基板与连接架4中心点交点，op为太阳帆板基板上的任意点到o点距离，(x，y)是以转动机构3为原点的散热面6上任意点坐标，θ为太阳光的入射方向与散热面6的夹角，m为连接架4的长度，α为光线与探测器本体x轴的夹角，γ为光线与探测器本体z轴的夹角。
[0066]
进一步地，对于大倾角航天器轨道，光照角变化大，最大可以从0
°
变化到180
°
，再加上地球红外辐射和地球反照的影响，航天器表面外热流在200-1800w/m2之间变化，航天器的热控环境十分复杂，使航天器的结构会发生较大的热变形，不利于平台和载荷的工作。在大倾角轨道下光照角θ从0
°
到180
°
内复杂变化时，可通过采用多维太阳帆板1遮挡阳光维持整星固定的散热面6进行航天器热控，使航天器处于设定范围内理想的温度状态，减少结构的热变形，提高航天器基准平面的精度。
[0067]
航天器通过太阳帆板1对阳光进行遮挡，减少光线对光学载荷的照射，当作载荷遮光板。
[0068]
本发明提供的航天器多维自主多模热控控制工作过程如下：
[0069]
首先，航天器采集星体散热面6的位置和温度；
[0070]
其次，航天器采集星体运行轨道和姿态，以及太阳方向；
[0071]
再次，航天器采集太阳帆板1的方位和确定机构状态；
[0072]
第四，航天器计算太阳帆板1需要驱动的方位和机构驱动器控制步长；
[0073]
第五，航天器先控制转动机构3将太阳帆板1控制到太阳方向的区域；
[0074]
第六，航天器再控制摆动机构5将太阳帆板1摆到遮挡散热面6的方向；
[0075]
最后，航天器重复第一到六步骤工作过程，完成自主闭环控制，使太阳帆板1遮挡散热面6维持温度平衡。
[0076]
在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须
具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
[0077]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。