神舟載人飛船流體回路動態仿真研究

付 楊，范宇峰，于新剛，曹劍峰

(北京空間飛行器總體設計部空間熱控技術北京市重點實驗室，北京100094)

1 引言

流體回路系統在現今的大型航天器上得到了廣泛的應用，例如國際空間站，我國的神舟飛船和天宮一號飛行器［1］。整個流體回路是一個復雜的系統，包括散熱、流動、補償等多種功能。在實際飛行過程中，整個系統會受到多方面的影響，比如飛行姿態的變化造成外熱流的變化，并對輻射器的散熱能力造成影響;大功耗設備的開關會使系統散熱能力突然增加或減小;溫度控制點的變化影響系統運行狀態等。這就需要流體回路系統具有較好的控制穩定性，對系統的控制策略和算法有較高的要求。

國內，張立等［2］對單相流體回路的熱性能和流動性能等進行了研究，并在SINDA/FLUINT下建立了仿真模型。付仕明等［3］使用 SINDA/FLUINT模型對大型航天器的回路系統進行建模。徐向華等［4］對流體回路進行了建模，并分析了系統重量與設計流量的關系。趙亮等［5］對航天器的流體回路系統進行數學建模，并比較了多種控制方法的控制性能。上述建模中主要對系統部件進行數學理論建模，并主要用于系統的穩態分析，由于數學模型與實際有差異，較難應用于動態分析，國內的動態建模仿真數據與實際數據的比較還未見報道。

對于實際控制算法和策略的優化，較為精確、和實際部件吻合較好的仿真模型顯得尤為重要。本文以我國神舟飛船流體回路系統為物理模型，在Flowmaster軟件下對部件進行建模，并通過部件的實際性能進行修正，得到與實際相吻合的部件的動態模型，在此基礎上建立流體回路仿真模型，并對仿真結果與實際數據進行分析比較。

2 神舟飛船流體回路部件建模與仿真

流體回路部件眾多，各個部件功能不同。流體回路系統通常由泵、補償器、液-液換熱器、氣液換熱器、冷板、溫控閥和輻射器等組成。典型的流體回路原理如圖1所示。［6］

圖1 典型流體回路原理圖Fig.1 The schematic diagram of a typical liquid loo p

在建模過程中，需要考慮每個部件傳熱和流動的特性。輻射器是唯一的散熱設備，其動態特性決定了系統的散熱特性;溫控閥為主要的控溫作動部件，其流體調節特性決定了系統的控制特性;補償器作為系統壓力補償部件，同時決定了流體回路的工作壓力。泵為系統動力提供部件，其工作狀態決定了系統的壓力和流量。其余的部件為熱量的輸入輸出部件，如換熱器和冷板，其他無傳熱特性的部件可以作為流動阻力部件進行模擬。下面對流體回路中輻射器、補償器、溫控閥、泵、冷板和換熱器的建模進行具體分析。

2.1 輻射器

流體回路輻射器主要結構由管路與其相連接的蒙皮構成，管路相間分布［7］。可以簡化輻射器傳熱單元如圖2所示［8］。

圖2 輻射器單元傳熱過程示意圖Fig.2 The schematic diagram of the heat transfer in the radiator unit

輻射器工作原理為:流體回路收集飛行器設備的散熱，并通過流體回路工質與輻射器管壁的對流換熱傳遞到輻射器管壁，再通過輻射器結構的熱量傳導分散到輻射器表面，最后通過輻射器表面輻射到外層空間。輻射器傳熱過程是對流、導熱和輻射的綜合過程，輻射器傳熱的性能由這三種形式決定。

對輻射器蒙皮散熱進行分析，從輻射器蒙皮與流體管連接處向兩側進行傳熱單元的劃分，其散熱示意圖如圖3所示。

圖3 輻射器蒙皮換熱示意圖Fig.3 The schematic diagram of the heat transfer in the radiator plate

以第n個傳熱單元為例，當熱平衡時，翅片溫度不變，熱容不變，遵循公式(1)。

式中:dQn－1為第n－1個單元向第n個單元傳遞的熱量，dQn為第n個單元向第n+1個單元傳出的熱量。dQ外熱流為單元所受的外熱流熱量。dQ輻射散熱為第n單元外表面輻射散熱量，其遵循斯蒂芬-波爾茲曼定律。

輻射器散熱動態模型必須考慮輻射器的熱容，包括輻射器管路內工質的熱容和輻射器本身的熱容。我們使用Flowmaster提供的熱橋部件中設置液體體積對工質的熱容進行模擬，使用附件質量部件來對輻射器結構熱容進行模擬。附加質量的傳熱特性可以表示為公式(2)［9］。

式中，Qmass為輻射器輻射散熱量，h為換熱系數，Tmass為輻射器溫度，T工質為工質溫度，Cp為輻射器材料的比熱容，Mmass為輻射器質量，ΔTmass為輻射器溫度變化。

2.2 補償器

補償器工作原理為:在一密封容器中充入一部分氣體，當管路內工質由于溫度升高而體積膨脹時，工質流入補償器，壓縮氣體，氣體體積減小;當管路內工質由于溫度降低而體積縮小時，工質流出補償器，氣體體積增大。利用氣體的體積變化補償流體回路工質體積的變化，從而維持管路內壓力在一定合適范圍。其工作原理圖如圖4所示［10］。

圖4 補償器工作原理圖Fig.4 The working principle of the accumulator

補償器工作時，各個時刻(0…n)其氣體部分遵循公式(3)［9］。

式中:P0…Pn和V0…Vn分別代表不同時刻氣體的壓力和體積。

通過建立流體工質的物性曲線，在仿真的過程中根據工質溫度實時計算工質的物性參數，可以模擬工質由于熱脹冷縮造成的體積變化，反應在模型部件進出口體積流量的不同。例如輻射器出口溫度低于入口溫度，其出口的體積流量小于入口體積流量。流體回路模型各部件中體積變化最終反映在補償器液位隨環境溫度的周期性變化上。

2.3 溫控閥

溫控閥為流體回路的控溫部件。為了使泵在一個合理的范圍內工作，神舟飛船流體回路溫控閥采用三通設計，通過調節溫控閥去往輻射器流量的大小，來實現溫度的調節。

對溫控閥的建模主要是模擬溫控閥對流量的分配，本文通過對系統流阻進行匹配建模來實現溫控閥對流量的分配。實際溫控閥的轉動受電機轉速的限制，在溫控閥仿真中，對每時刻的開度編寫程序進行模擬，以達到與實際情況相吻合。

2.4 泵

泵為系統工質流動提供動力，驅動流體在系統中循環流動。對泵的建模需要構建泵的實際工作狀態。當系統中閥門動作時，系統狀態發生變化，流動阻力也發生相應變化。泵的流量與壓頭需要與系統阻力相匹配［1］。為了模擬泵隨系統阻力變化輸出流量和壓頭的不同，通過分析泵試驗數據，建立泵壓頭與流量曲線，泵轉矩與流量曲線。在系統模擬運算中，根據系統阻力與流量對泵狀態進行求解，從而得到泵實際運行狀態。

2.5 冷板和換熱器

冷板主要為飛船大功耗設備提供散熱。冷板構型為薄型的單層換熱器，設備安裝于其表面，冷卻流體工質流動于其內部，通過冷板結構與設備的導熱和冷板內部流體的流動換熱，設備的熱量被傳遞到流體中，從而使設備的溫度降低。［1］在實際建模中，可以考慮成一個熱流輸入。

換熱器的建模利用Flowmaster提供的板翅式換熱器模型，可以方便的對換熱器進行模擬。

3 流體回路建模

對上述輻射器、補償器、溫控閥、泵、冷板和換熱器的部件建模的基礎上，對神舟飛船流體回路整體進行建模，如圖5所示。系統為內外兩個回路，內外回路通過一個液-液換熱器進行熱量的耦合，其中控制部件主要在外回路，內回路主要模擬內回路收集的熱量、流量和系統的熱容［9］。

圖5 流體回路系統模型圖Fig.5 The model of the liquid loop system

神舟飛船流體回路控制采用閉環控制，為典型的負反饋系統和典型的定值控制系統。系統將溫度控制點采集的溫度信號經過控制算法的處理直接反饋到溫控閥輸入端，從而形成閉環控制。由于存在設備散熱量的變化，以及外部空間外熱流的變化等干擾的存在，使得系統實際輸出偏離溫度設定點，系統自身便利用負反饋產生的偏差所取得的控制作用去消除偏差，使系統溫度恢復到控溫設定點上［5］。本文模型中采用神舟飛船應用的成熟控制算法，此算法經過多次飛行驗證。神舟飛船流體回路控制采用模糊控制方法，通過控溫點采集數據與設定值比較，根據偏差量以及偏差量的變化，查詢模糊控制矩陣，從而得到反饋值。

4 神舟飛船流體回路仿真結果及評價

使用動態模型，仿真模擬神舟飛船地面熱平衡試驗工況。

圖6為3個工況下輻射器出口仿真溫度與實際出口溫度對比，其中B和C圖的系統散熱量不同。可以看出仿真數據和實際數據吻合較好。

圖6 輻射器出口溫度仿真結果和試驗數據對比(點數據為試驗數據)Fig.6 Comparison of the simulation result and the experimental data of the temperature on the radiator exit(the experimental data is shown by dots)

圖7 為泵和溫控閥聯合建模之后系統流量匹配和分配結果，可以看出，泵與溫控閥的建模可以較好的模擬系統真實的流量分配和流量的變化。

圖7 溫度閥開度與流量模擬數據和試驗數據曲線(點數據為試驗數據)Fig.7 Comparison of the simulation result and the experimental data of the valve position(the experimental data is shown by dots)

圖8 為溫控閥開度仿真數據，模型中設置系統初始狀態為發射狀態，離控溫點差距較大，故當入軌控制啟動后，為了快速達到控溫點，溫控閥開度達到最大，并隨著系統溫度水平降低逐步關小，最后達到平衡。平衡后由于陽照區和陰影區外熱流不同而周期波動。此過程和飛行器發射后入軌狀態一致，仿真結果反映實際趨勢。圖9為溫控閥開度熱平衡試驗(平衡后)實際數據。可以看出采用實際控制算法的仿真模型可以較好的模擬溫控閥實際的開度狀態。

圖8 溫控閥開度模擬仿真結果Fig.8 The simulation result of the valve position

圖10 為神舟飛船流體回路控溫點仿真結果，模型中初始為發射狀態，當模擬入軌控制啟動后，溫度快速下降，最后達到平衡，在整個陽照區和陰影區交替循環的工況中，控溫點穩定在8±0.3℃。

圖9 溫控閥開度試驗結果(平衡后)Fig.9 The experimental data of the valve position(balanced)

圖10 流體管路溫度控制點模擬仿真結果Fig.10 The simulation result on the temperature control point

圖11 為補償器液位仿真數據，初始數據與發射時數據一致，在入軌后控制啟動，液位隨著溫度的下降而下降，平衡后隨著陽照區和陰影區不同而周期波動。圖12為熱平衡試驗(平衡后)數據，可以看出仿真模型可以較好的模擬回路內工質隨環境溫度改變而造成的熱脹冷縮現象。

圖11 補償器液位模擬仿真結果Fig.11 The simulation result of the accumulator

圖12 補償器液位試驗結果(平衡后)Fig.12 The experimental data of the accumulator(balanced)

5 結論

通過神舟飛船流體回路仿真模型數據與實際數據的比較，仿真模型能較好地動態模擬流體回路系統各點的溫度、壓力和流量狀態，并對飛行器流體由于溫度變化造成其體積的變化進行較好的模擬，把實際控制策略與仿真模型相結合，較好的模擬系統控制策略的動態執行情況。應用此模型可以對流體回路系統的控制算法和策略的優化進行進一步的分析優化。也能應用于諸如系統工質泄漏分析、壓力波動分析和系統控溫點選取等相關分析。

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