小衛(wèi)星控制分系統(tǒng)熱試驗(yàn)技術(shù)研究及應(yīng)用

宋華峰，孟令通，馬昆，鄭向琳，孟超，王紹凱

（1.北京軒宇信息技術(shù)有限公司，北京 100190； 2.北京控制工程研究所，北京 100190）

引言

以往，航天器控制分系統(tǒng)產(chǎn)品熱試驗(yàn)主要以單機(jī)級(jí)和整星級(jí)兩個(gè)維度開展，分系統(tǒng)級(jí)一般只進(jìn)行常溫常壓地面聯(lián)試。近年來，隨著商業(yè)航天的快速發(fā)展，小衛(wèi)星星座發(fā)展迅速，對(duì)衛(wèi)星研制進(jìn)度和成本控制提出了更高的要求。在某商業(yè)衛(wèi)星型號(hào)控制分系統(tǒng)研制過程中，提出了取消單機(jī)級(jí)環(huán)境試驗(yàn)，以分系統(tǒng)級(jí)合并開展環(huán)境試驗(yàn)的設(shè)想。且小衛(wèi)星艙內(nèi)儀器設(shè)備密度較大，相應(yīng)的在同一個(gè)安裝板表面上工作的設(shè)備熱負(fù)荷變化也較大，這要求小衛(wèi)星艙內(nèi)儀器設(shè)備具有更加合理的熱布局，因?yàn)槠渲苯佑绊懙皆O(shè)備正常工作的溫度極限。控制分系統(tǒng)空間熱試驗(yàn)技術(shù)的研究，對(duì)于航天器在軌應(yīng)用具有十分重要的意義。本文介紹了針對(duì)這一設(shè)想開展的分析論證和實(shí)施效果[1-5]。

1 可行性分析

實(shí)施前后，控制分系統(tǒng)的研制流程分別見圖1、圖2。

圖1 實(shí)施前控制分系統(tǒng)研制流程

圖2 實(shí)施后控制分系統(tǒng)研制流程

從圖中可以看出，實(shí)施控制分系統(tǒng)統(tǒng)一環(huán)境試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)如下：

1）降低環(huán)試成本。按原流程需每種單機(jī)分別進(jìn)行環(huán)試后交付分系統(tǒng)，5種單機(jī)共12臺(tái)產(chǎn)品至少要進(jìn)行5次環(huán)境試驗(yàn)，而合并后一次環(huán)境試驗(yàn)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)所有單機(jī)的考核。大大節(jié)約了環(huán)試設(shè)備資源和人力資源，環(huán)試成本降低明顯。

2）縮短研制周期。由于受環(huán)試設(shè)備資源，人力資源等限制，按原流程開展研制工作時(shí)，各單機(jī)的環(huán)試很難完全并行開展，而合并后，一個(gè)試驗(yàn)周期即可完成所有產(chǎn)品的環(huán)試，研制周期縮短并且更加可控。

3）實(shí)現(xiàn)了更加接近在軌狀態(tài)的分系統(tǒng)性能聯(lián)試，分系統(tǒng)可靠性提高。以往，控制分系統(tǒng)各產(chǎn)品僅進(jìn)行常溫常壓聯(lián)試，其在真空高低溫環(huán)境下的性能匹配情況只有到整星試驗(yàn)時(shí)才能得到驗(yàn)證，而合并環(huán)試后，可在分系統(tǒng)級(jí)提前開展模擬在軌環(huán)境的分系統(tǒng)性能聯(lián)試，有利于提前發(fā)現(xiàn)問題。

而實(shí)施控制分系統(tǒng)統(tǒng)一環(huán)境試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)和難點(diǎn)如下：

1）單機(jī)未提前試驗(yàn)驗(yàn)證，問題可能遺留到分系統(tǒng)才能發(fā)現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。

2）各單機(jī)在整星的安裝位置不同，是否可以實(shí)施統(tǒng)一的試驗(yàn)條件，如果試驗(yàn)條件不能統(tǒng)一，合并環(huán)試無從談起。

3）各單機(jī)的尺寸、重量、熱容、功耗各不相同，如何保證各單機(jī)同時(shí)穩(wěn)定在高溫區(qū)間和低溫區(qū)間，不超出試驗(yàn)允差，同時(shí)保證溫變速率滿足要求，有一定難度。

綜合考慮優(yōu)缺點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)因素，對(duì)于商業(yè)航天型號(hào)來說，優(yōu)點(diǎn)較為明顯，風(fēng)險(xiǎn)在可接受范圍內(nèi)，最終決定開展進(jìn)一步的協(xié)調(diào)和攻關(guān)工作。

2 實(shí)現(xiàn)過程

1）統(tǒng)一試驗(yàn)條件

經(jīng)與總體協(xié)調(diào)，最終確定，各單機(jī)熱循環(huán)試驗(yàn)條件統(tǒng)一如表1。

表1 各單機(jī)統(tǒng)一熱循環(huán)試驗(yàn)條件

2）確定試驗(yàn)方案

綜合考慮各產(chǎn)品狀態(tài)，其中，動(dòng)量輪產(chǎn)品熱容和功耗相對(duì)較大，應(yīng)優(yōu)先保證動(dòng)量輪達(dá)到試驗(yàn)要求溫度，在此前提下，應(yīng)保證其它產(chǎn)品在升降溫過程中不超自身耐溫極限并最終穩(wěn)定在溫度允差范圍內(nèi)。

因磁力矩器、磁強(qiáng)計(jì)熱容較小，存在變溫過程中，過沖較大，超出自身耐溫極限的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。經(jīng)與單機(jī)設(shè)計(jì)師確認(rèn)，磁力矩器可承受的溫度范圍是（-30～+70）℃，磁強(qiáng)計(jì)可承受的溫度范圍是（-40～+80）℃。因此，初步確定試驗(yàn)方案如下：

1）控制動(dòng)量輪溫度，監(jiān)測(cè)其它產(chǎn)品溫度；

2）合理確定動(dòng)量輪控溫目標(biāo)，保證溫度穩(wěn)定后，所有產(chǎn)品溫度均在允差范圍內(nèi)；

3）全程監(jiān)測(cè)各產(chǎn)品溫度，重點(diǎn)關(guān)注磁力矩器、磁強(qiáng)計(jì)，不得超出產(chǎn)品耐溫范圍。

為驗(yàn)證該方案，使用6件電性件產(chǎn)品在高低溫試驗(yàn)箱進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。產(chǎn)品安放位置及控測(cè)溫傳感器位置如圖3，其中1#控溫傳感器，2、3、4、5#測(cè)溫傳感器。

圖3 驗(yàn)證試驗(yàn)產(chǎn)品擺放及控測(cè)溫點(diǎn)布置

最終，驗(yàn)證試驗(yàn)各產(chǎn)品溫度情況如表2。

表2 驗(yàn)證試驗(yàn)各產(chǎn)品溫度情況

在控動(dòng)量輪-17 ℃溫度的情況下，所有單機(jī)產(chǎn)品在低溫端保持1 h后的穩(wěn)定溫度均在（0～-4）℃的溫度容差范圍內(nèi)；在控動(dòng)量輪+56 ℃溫度的情況下，所有單機(jī)產(chǎn)品在高溫端保持1 h后的穩(wěn)定溫度均在（0～+4）℃的溫度容差范圍內(nèi)；磁力矩器在高低溫端的最高及最低溫度，在可承受的（-30～+70）℃溫度范圍內(nèi)；磁強(qiáng)計(jì)在高低溫端的最高及最低溫度，也在可承受的（-40～+80）℃溫度范圍內(nèi)。

升降溫速率情況如表3。

表3 驗(yàn)證試驗(yàn)升降溫速率情況

在控動(dòng)量輪速率的情況下，所有單機(jī)產(chǎn)品的溫變速率均滿足（3～5）℃/min的試驗(yàn)要求。

試驗(yàn)過程中充入干燥空氣，箱內(nèi)濕度全程保持在10 %RH以下，產(chǎn)品無凝露。

通過驗(yàn)證試驗(yàn)，確認(rèn)試驗(yàn)方案合理可行。1）實(shí)施遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控報(bào)警，保證試驗(yàn)安全性

為保證各產(chǎn)品試驗(yàn)過程安全性，并獲取試驗(yàn)全過程各產(chǎn)品溫度數(shù)據(jù)，采用多路溫度測(cè)試儀對(duì)各產(chǎn)品溫度實(shí)施全過程記錄，并配置了遠(yuǎn)程監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)，在監(jiān)控室對(duì)各產(chǎn)品溫度實(shí)施24 h監(jiān)控，超溫報(bào)警，有效保證了試驗(yàn)的安全性和試驗(yàn)溫度數(shù)據(jù)的完整性。溫度實(shí)時(shí)記錄及遠(yuǎn)程監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)示意圖如圖4。

圖4 試驗(yàn)設(shè)備照片

2）正式試驗(yàn)

2019年～2020年，成功開展了6套小衛(wèi)星控制分系統(tǒng)的試驗(yàn)任務(wù)。試驗(yàn)過程中保證了各產(chǎn)品溫度均在總體要求的區(qū)間內(nèi)，溫變速率均滿足（3～5）℃/min的要求。試驗(yàn)設(shè)備及產(chǎn)品照片見圖4、圖5。

圖5 試驗(yàn)產(chǎn)品照片

試驗(yàn)溫度曲線見圖6。

圖6 試驗(yàn)溫度曲線

3 結(jié)束語

經(jīng)過上述熱試驗(yàn)技術(shù)研究和實(shí)施，證明了小衛(wèi)星控制分系統(tǒng)統(tǒng)一實(shí)施熱循環(huán)試驗(yàn)的方式合理可行，在低成本商業(yè)航天型號(hào)衛(wèi)星中批量化、低成本、快速研制特征明顯，可大力推廣應(yīng)用。