系统级热真空试验星上设备温度控制方法
【专利摘要】本发明涉及系统级热真空试验星上设备温度控制方法，该方法主要包括星上设备温度范围的确定方法，星上设备高温温度的确定方法，试验前红外加热笼的制作方法，试验过程中星上设备的开关状态以及工作状态，星上主动控温加热回路启动/停止门限的修改以及回路的控制方法，该方法给出了基于外热流由红外加热笼来进行模拟时，星上设备温度控制的合理有效的方法，使星上设备的变温速率加快，并保证了设备温度不超过其验收级温度范围，既保证星上设备的安全，又有效的达到了剔除卫星潜在早期缺陷的目的。
【专利说明】系统级热真空试验星上设备温度控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及卫星系统级热真空试验星上设备温度控制的方法，特别是基于用红外加热笼来模拟外热流时星上设备的温度控制方法，属于卫星热真空试验【技术领域】。
【背景技术】
[0002]卫星热真空试验是在地面验证卫星在规定真空(压力)和热应力环境下，星上各分系统在轨各种工作模式下的性能，暴露可能潜在的早期缺陷，是提高卫星在轨飞行可靠性的一种有效手段。
[0003]一般情况下，在系统级热真空试验前会进行系统级的热平衡试验，根据整星的热设计选取卫星在轨的极端高低温工况，通过地面试验系统进行在轨环境模拟使星上设备温度达到稳定，用于验证星上设备温度满足其工作温度的要求并留有规定的余量。系统级热真空试验在热平衡试验完成后进行，星上设备温度的控制方法是以热平衡试验时得到的设备极端高低温值为基础，向上(或向下)外扩5°C，作为热真空试验时星上设备温度控制的目标。但是该方法主要存在以下问题:
[0004]( I)通过对在轨设备温度的追踪，发现有30%左右的星上设备的在轨温度高于地面系统级热真空试验时设备稳定时的温度；
[0005](2)通过对多个型号系统级热真空试验时星上设备温度变化范围的比较，发现至少有60%以上的设备在试验中的温度变化范围小于28°C，部分型号甚至有90%以上的设备温度变化范围小于15°C ;
[0006](3)整星系统级试验温度上、下限温度变化范围较窄，设备的高温温度过低，则星上功耗大的相邻部位热耦合和电连接面及部、组件内可能潜在的缺陷不易暴露，就会出现欠试验问题，达不到考核目的。
[0007](4)在热平衡试验时会出现整个航天器的温度偏高或偏低的情况，有可能会出现高温限或低温限已接近或达到组件的上、下限试验温度值的情况，这时就不能以热平衡试验温度值作为基准温度向上、下扩展某一温度作为热真空试验的控制温度；
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供了系统级热真空试验星上设备温度控制方法，该方法给出了基于外热流由红外加热笼来进行模拟时，星上设备温度控制的合理有效的方法，使星上设备的变温速率加快，并保证了设备温度不超过其验收级温度范围，既保证星上设备的安全，又有效的达到了剔除卫星潜在早期缺陷的目的。
[0009]本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的:
[0010]系统级热真空试验星上设备温度控制方法，包括如下步骤:
[0011]步骤(一)、完成卫星各个面投影的制作，即将卫星去除结构外板，将卫星内部结构的每个面制作一个二维投影图，使卫星内部设备布局完整呈现在二维投影图上，并对每个设备进行标注；[0012]步骤(二)、将卫星的整星外部热控状态投影到每个二维投影图上，获得外部热控状态与卫星内部设备之间的对应关系；将热流计投影到每个二维投影图上，获得热流计与卫星内部设备之间的对应关系；将红外笼投影到每个二维投影图上，获得红外笼与卫星内部设备之间的对应关系；
[0013]步骤(三)、根据外部热控状态与卫星内部设备之间的对应关系、热流计与卫星内部设备之间的对应关系以及红外笼与卫星内部设备之间的对应关系，提出真空试验对红外笼的要求，所述真空试验对红外笼的要求包括红外带条的方向、红外笼分区内加热回路的数量，以及对卫星内部特殊设备进行的独立分区；
[0014]步骤(四)、根据卫星内部设备的验收级试验条件，确定真空试验过程中卫星内部设备试验温度变化范围；
[0015]步骤(五)、在真空状态下对卫星内部设备进行升、降温试验，具体过程如下:
[0016](I)、卫星内部设备开机，修改卫星主动控温加热回路的门限，并调整外热流，限制红外笼的单个回路的加热电流不大于3.8A，使卫星内部设备均匀升温；
[0017](2)、当卫星内部80%以上的被动控温的电子设备的温度大于或等于38°C，且卫星内部所有单机设备的温度不超过相应的验收温度并留有2?3°C的余量时，确认卫星内部设备进入第一循环的高温工况，对卫星内部设备进行设定时间的高温测试；
[0018](3)、高温测试结束后，对预先设定需要关机的卫星内部设备进行关机，修改卫星主动控温加热回路的门限，并调整外热流，对卫星内部设备进行均匀降温，当卫星内部80%以上的被动控温设备的温度与步骤(2)中第一循环的高温工况温度相比，温度变化范围超过32°C，且卫星内部所有单机设备的温度不超过相应的验收温度下限，则进入第一循环的低温工况，对卫星内部设备进行设定时间的低温测试；
[0019](4)、重复步骤(2)、(3)，完成后续多个循环的高温工况与低温工况下的卫星内部设备测试；
[0020]步骤(六)、在真空状态下对卫星内部设备进行回温，具体方法如下:
[0021]在低温测试结束后对卫星内部设备开机，修改卫星内部设备主动控温加热回路的门限，并调整外热流，限制红外笼的单个回路的加热电流不大于3.8A，对卫星内部设备均匀升温，使卫星内部所有单机设备的温度不超过相应的验收温度并留有2?3°C的余量；当卫星内部设备温度均达到室温，对卫星内部设备断电，外热流按照设定的目标温度进行控制，当确认卫星内部设备温度以及卫星内部设备所在真空容器内的温度均高于露点温度，真空容器充大气复压。
[0022]在上述系统级热真空试验星上设备温度控制方法中，步骤(五)的(I)中，调整外热流的目标温度不超过+60°C。
[0023]在上述系统级热真空试验星上设备温度控制方法中，步骤(三)中的卫星内部特殊设备为蓄电池。
[0024]本发明与现有技术相比具有如下有益效果:
[0025](I)、本发明通过大量理论研究结合试验统计分析，在星上设备温度控制过程中明确给出了升降温过程中，进入工况时星上设备的温度范围，星上设备高温温度以及高温工况与低温工况之间的温度变化范围，既达到了卫星在系统级热真空试验中有效的筛选目的，又保证了设备的温度不超过其验收温度范围，从而保证了设备的安全性；[0026](2)、根据卫星的热控设计和星上设备的安装位置以及设备特性，在红外加热笼的设计阶段加入卫星热真空试验的需求，不再是在热平衡试验的基础上简单调整红外加热笼的加热能力；红外笼最终的设计既能满足系统级热平衡试验的需求，又保证热真空试验时星上设备的温度调节要求；
[0027](3)、本发明充分利用星上主动控温的加热回路以及设备的开关机，修改星上主动控温加热回路的门限，并调整外热流，试验升降温阶段提高了星上设备的变温速率，降低了设备温度超出其验收级低温的风险；同时也降低了由于红外加热笼加载电流过大，温度过高对星表设备带来伤害的风险。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1为本发明系统级热真空试验星上设备温度控制方法的工作流程图；
[0029]图2为本发明相关文件资料收集的输入输出示意图；
[0030]图3为本发明系统级热真空试验中高低温试验剖面图。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述:
[0032]如图1所示为本发明系统级热真空试验星上设备温度控制方法的工作流程图，本发明系统级热真空试验星上设备温度控制方法包括如下步骤:
[0033]首先是试验准备阶段，包括如下步骤:
[0034]步骤(一)、首先要进行相关资料的收集，如图2所示为本发明相关文件资料收集的输入输出示意图，要收集的相关资料主要有热平衡试验对试验工装(含红外笼)的技术要求、热平衡试验大纲、整星热分析/热设计报告、热平衡试验工况外热流计算值、卫星构型布局文件、星上组件试验条件、整星热试验测试细则。其中依据卫星构型布局文件可以完成卫星各个面投影的制作；依据整星热分析/热设计报告可以确定主动控温回路的位置及在轨工作的门限，同时结合卫星各个面的投影图，可以确定整星外部热控状态与星上设备对应关系；依据热平衡试验对试验工装(含红外笼)的技术要求、热平衡试验大纲结合整星外部热控状态与星上设备对应关系，可以确定红外加热笼分区与星上设备对应关系以及试验用热流计与星上设备对应关系。根据星上组件的试验条件，确定试验过程中星上组件试验温度变化范围；根据整星热试验测试细则，可以确定试验过程中的每个高低温工况星上设备的开关机及工作状态。
[0035]步骤(二 )、根据卫星构型布局文件完成卫星各个面投影的制作，即将卫星去除结构外板，将卫星内部结构的每个面制作一个二维投影图，使卫星内部设备布局完整呈现在二维投影图上，并对每个设备进行标注。
[0036]步骤(三)、将整星外部热控状态投影到每个二维投影图上，获得外部热控状态与卫星内部设备之间的对应关系；将热流计投影到每个二维投影图上，获得热流计与卫星内部设备之间的对应关系；将红外笼投影到每个二维投影图上，获得红外笼与卫星内部设备之间的对应关系。
[0037]步骤(四)、根据外部热控状态与卫星内部设备之间的对应关系、热流计与卫星内部设备之间的对应关系以及红外笼与卫星内部设备之间的对应关系，提出真空试验对红外笼的要求，所述真空试验对红外笼的要求包括红外带条的方向、红外笼分区内加热回路的数量，以及对卫星内部特殊设备进行的独立分区，例如对蓄电池给予独立分区，该设备验收级温度范围窄，工作时温度上升快，极易达到其验收级的上限温度。红外笼设计完成后，还应确定红外加热笼不同分区加热回路与星上设备的对应关系。
[0038]步骤(五)、根据卫星内部设备的试验条件，确定真空试验过程中卫星内部设备试验温度变化范围。
[0039]如图1所示，试验前期准备工作完成后，就进入试验实施阶段，包括对卫星内部设备进行升、降温试验和对卫星内部设备进行回温，具体步骤如下:
[0040]一、真空状态下对卫星内部设备进行升、降温试验，具体过程如下:
[0041](I)、在试验的升温阶段，修改卫星内部主动控温加热回路的门限，并调整外热流，限制红外笼的单个回路的加热电流不大于3.8A，使卫星内部设备均匀升温；根据热试验的测试细则，星上可以开机的设备应该开机，用以配合整星的升温，不能够长期加电的设备(一般为星上载荷和数传设备)，由于其瞬时发热量大，应按照在轨工作模式进行加电。
[0042](2)、卫星内部设备均匀升温过程中，当卫星内部80%以上的被动控温的电子设备的温度大于或等于38°C，且卫星内部所有单机设备的温度不超过其各自对应的验收温度并留有2?3°C的余量时，确认卫星内部设备进入第一循环的高温工况，对卫星内部设备进行设定时间的高温测试。
[0043]卫星内部主动控温加热回路根据对应的设备修改加热回路的门限，一般的加热回路主份门限可以修改到40°C?43°C左右，备份回路根据对应设备的状态及位置确定是否开启，是开环开还是闭环控制；蓄电池的主备份回路均设置为开环关闭。外热流的调整方法为以热平衡试验的高温工况为基础，目标温度应不超过+60°C，对于载荷设备尤其是光学载荷设备，其设备内部的电子学设备瞬时发热量大，光机部分的控温范围很窄，精确度要求高，为了保证设备温度不超限，其对应的散热面一般与热平衡试验的低温工况保持一致。还有就是由于外热流受到试验设备所用电源计电缆的限制，单个回路的加热电流应不大于
3.8A。升温及高温测试阶段要注意使星上设备的温度均匀，所有单机设备的温度都不应超过其验收温度的范围并留有2?3°C的余量。
[0044](3)、高温测试结束后，对预先设定需要关机的卫星内部设备进行关机，修改卫星内部主动控温加热回路的门限(此时门限的调整主要是为了保证在降温过程中设备温度不会超过其验收温度的下限，在温度下降过程中在保证设备安全的前提下尽量使加热回路处于关闭状态)，并调整外热流，对卫星内部设备进行均匀降温，当星上80%以上的被动控温设备的温度与步骤(2)中第一循环的高温工况温度相比，温度变化范围超过32°C，且卫星内部所有单机设备的温度不超过其相应的验收温度下限，则进入第一循环的低温工况，对卫星内部设备进行设定时间的低温测试。
[0045]本发明进入工况前应充分考虑设备温度变化的速率，以及进入工况后由于测试带来的设备温度的变化，适当减少外热流。外热流的减少要有针对性，尤其是升温速度快，散热渠道不是很畅通的设备，其对应散热面的外热流要提前降低，防止设备温度超限。对于某些特殊的星上设备，如星敏感器，其验收级的高温温度相对较低，只有+45°C，因其设备内部安装有制冷机，用于内部CCD器件的温度控制，当CCD温度达到设定的温度时，制冷机开始工作，会产生一定的热负荷。星敏制冷机在轨的启动温度为_5°C，在热试验升温过程中，可以将启动温度调整至+20°C，从而减少星敏的热负荷，达到控制星敏头部升温的目的。还有就是陀螺组合件，因组合件内有恒温槽，温度始终保持在+50°C，而陀螺组合件的环境温度的高温为+45°C，在升温过程中组合件的温度上升很快，在陀螺组合件的温度控制中，一方面将陀螺对应的外热流降低，另一方面如果陀螺的温度接近验收温度的高限，则可以考虑关闭陀螺。在某些卫星平台中，陀螺是长加电设备，因此一定要参考热试验的测试细则，根据产品实际情况进行陀螺的开启和关闭。
[0046]当满足规定的高温工况保持时间后，卫星进入降温阶段，此时为了可以监测到星上所有设备的温度变化情况，整星不断电，但是星上可以断电的设备断电，不能断电的设备则以最小功耗模式进行工作。如GPS接收机、中继测控单元等设备可以断电，陀螺可以按照最小功耗模式只开3个，降低动量轮转速等。星上主动控温回路的设置依据对应设备的状态，如果设备温度下降速度快，则设置控温门限时以设备的热设计低温为参考，留有2?3°C余量即可。除了整星上低温下限较高的设备如光学载荷设备等，其余设备对应的外热流基本都可以设置为O。此时需要重点关注的是星表设备的变化，如推力器、天线等，需要根据设备的实际温度调整对应的外热流。最终的原则仍是使设备的温度均不超过其验收温度的下限。
[0047]整星进入低温工况的判据应根据试验条件的要求，80%星上被动控温设备的温度与其同一循环高温工况的温度相比温差超过32°C，同时应扣除当卫星进入工况，按照测试细则加电工作时带来的设备温升。
[0048](4)、重复步骤(2)、(3)，完成后续多个循环的高温工况与低温工况下的星上设备测试。如图3为本发明系统级热真空试验中高低温试验剖面图，本实施例中测试过程共四个循环，第一个循环和第四个循环高温工况保持8小时，中间二个循环保持4小时。
[0049]二、在真空状态下对星上设备进行回温，具体方法如下:
[0050]在低温测试结束后，按照升温阶段的设置，对星上设备开机，修改卫星内部设备主动控温加热回路的门限，并调整外热流，限制红外笼的单个回路的加热电流不大于3.8A，对卫星内部设备均匀升温，使卫星内部所有单机设备的温度不超过相应的验收温度并留有2?:TC的余量，当卫星内部设备温度达到室温(大于等于18°C)，对卫星内部设备断电，夕卜热流按照设定的目标温度进行控制，直到可以确认卫星内部设备温度以及卫星内部设备所在真空容器内的温度均高于露点温度，真空容器充大气复压。
[0051]如图3所示，如果整星的热真空试验开始于高温，则结束于低温，星上设备的温度处于低温状态，应将设备回温到常温状态。在卫星回温的过程中，星上设备的状态同升温阶段的状态，星上主动控温回路的状态以及外热流的加热状态均与升温阶段相同。唯一有区别的是当星上有光学载荷时，其外热流按照常温设置，其目的是为了使光学载荷内部的控温回路随设备温度的升高逐渐关闭；还有就是蓄电池对应的外热流也应做适当调整，保证整星断电时电池的温度也接近常温，但是不超过其验收温度的高温。当星上大部分设备的温度都恢复到室温(大于等于18°C )，可以整星断电。此时星上所有遥测均无法看到，星上设备全部断电，主动控温全部断电，部分贴有热电偶的设备，其温度可以从真空试验设备的数采系统看到。所有外热流分区均按照目标温度为常温(20°C?25°C)来进行闭环控制。前面提到，整个试验的顺序可以做调整，如果试验开始于低温工况，则最终结束于高温工况，结束时星上设备的温度较高，电子产品在40°C左右，电池温度也处于常温。此时可以在工况结束后就整星断电，外热流各分区均按照目标温度为常温进行闭环控制。
[0052]当容器内热沉、导轨以及星上设备的温度均达到常温状态，需要向容器内充洁净空气进行复压。此时需确认真空容器内的热沉、导轨以及星上设备(热电偶)温度均高于充气点空气的露点温度，在这些位置上不会出现结露现象时，向真空容器内充洁净空气直至容器恢复到常压，此时具备开容器大门，整星出罐的条件。
[0053]以上所述，仅为本发明最佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
[0054]本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
【权利要求】
1.系统级热真空试验星上设备温度控制方法，其特征在于:包括如下步骤: 步骤(一)、完成卫星各个面投影的制作，即将卫星去除结构外板，将卫星内部结构的每个面制作一个二维投影图，使卫星内部设备布局完整呈现在二维投影图上，并对每个设备进行标注； 步骤(二)、将卫星的整星外部热控状态投影到每个二维投影图上，获得外部热控状态与卫星内部设备之间的对应关系；将热流计投影到每个二维投影图上，获得热流计与卫星内部设备之间的对应关系；将红外笼投影到每个二维投影图上，获得红外笼与卫星内部设备之间的对应关系； 步骤(三)、根据外部热控状态与卫星内部设备之间的对应关系、热流计与卫星内部设备之间的对应关系以及红外笼与卫星内部设备之间的对应关系，提出真空试验对红外笼的要求,所述真空试验对红外笼的要求包括红外带条的方向、红外笼分区内加热回路的数量，以及对卫星内部特殊设备进行的独立分区； 步骤(四)、根据卫星内部设备的验收级试验条件，确定真空试验过程中卫星内部设备试验温度变化范围； 步骤(五)、在真空状态下对卫星内部设备进行升、降温试验，具体过程如下: (1)、卫星内部设备开机，修改卫星主动控温加热回路的门限，并调整外热流，限制红外笼的单个回路的加热电流不大于3.8A，使卫星内部设备均匀升温； (2)、当卫星内部80%以上的被动控温的电子设备的温度大于或等于38°C，且卫星内部所有单机设备的温度不超过相应的验收温度并留有2?3°C的余量时，确认卫星内部设备进入第一循环的高温工况，对卫星内部设备进行设定时间的高温测试； (3)、高温测试结束后，对预先设定需要关机的卫星内部设备进行关机，修改卫星主动控温加热回路的门限，并调整外热流，对卫星内部设备进行均匀降温，当卫星内部80%以上的被动控温设备的温度与步骤(2)中第一循环的高温工况温度相比，温度变化范围超过32°C，且卫星内部所有单机设备的温度不超过相应的验收温度下限，则进入第一循环的低温工况，对卫星内部设备进行设定时间的低温测试； (4)、重复步骤(2)、(3)，完成后续多个循环的高温工况与低温工况下的卫星内部设备测试; 步骤(六)、在真空状态下对卫星内部设备进行回温，具体方法如下: 在低温测试结束后对卫星内部设备开机，修改卫星内部设备主动控温加热回路的门限，并调整外热流，限制红外笼的单个回路的加热电流不大于3.8A，对卫星内部设备均匀升温，使卫星内部所有单机设备的温度不超过相应的验收温度并留有2?3°C的余量；当卫星内部设备温度均达到室温，对卫星内部设备断电，外热流按照设定的目标温度进行控制，当确认卫星内部设备温度以及卫星内部设备所在真空容器内的温度均高于露点温度，真空容器充大气复压。
2.根据权利要求1所述的系统级热真空试验星上设备温度控制方法，其特征在于:所述步骤(五)的(I)中，调整外热流的目标温度不超过+60°C。
3.根据权利要求1所述的系统级热真空试验星上设备温度控制方法，其特征在于:所述步骤(三)中的卫星内部特殊设备为蓄电池。
【文档编号】G05D23/19GK103914092SQ201410105876
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年3月20日 优先权日:2014年3月20日
【发明者】常静, 盛江 申请人:航天东方红卫星有限公司