【】本發(fā)明涉及衛(wèi)星宇航，具體涉及一種空間載荷儀器μk級超穩(wěn)熱環(huán)境系統構建方法。

背景技術

0、
背景技術：

1、當前航天器傳統熱控制措施可分為被動式和主動式兩大類，并以被動控制為主、主動控制為輔。

2、被動式熱控制是一種開環(huán)式控制，主要依靠合理布局和選用具有適當熱物理性能的材料和結構及比較簡單的熱控裝置來組織換熱過程，它的特點是簡便易行，但不具備自動調節(jié)溫度的能力。而對于目前航天器多任務、復雜環(huán)境下越來越強的機動性，傳統被動熱控具有較差的適應性。

3、主動式熱控制則是閉環(huán)式控制，這類熱控裝置通常由溫度傳感器、控制器和執(zhí)行裝置三部分組成，如恒溫電加熱器、熱控百葉窗、接觸式熱開關等。它們的特點是被控對象的溫度信息可以反饋到控制器與預先設定值進行比較，然后根據差值命令執(zhí)行機構動作，實現溫度的自動控制。

4、隨著空間科學與探測任務的不斷推進，引力波和大口徑光學載荷的環(huán)境溫度穩(wěn)定性要求已從k～mk等級提高到mk～μk級別提升，這給當前的航天器熱控制技術帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。目前，常用的高精度高穩(wěn)定度控溫技術主要以主動控溫為主導。通常在對控溫目標進行簡單的隔熱和導熱處理后，采用執(zhí)行部件(如電加熱器、熱電制冷器等)直接對目標進行控溫，輔以精密測溫系統和控溫算法(如閉環(huán)開關、pid控制、智能控溫算法等)，以實現高精度的控溫。然而，受限于控溫電路和算法的性能，突破1mk級別的控溫極限仍然十分困難。

5、當前空間載荷儀器超穩(wěn)熱環(huán)境系統構建方法存在諸多不足和挑戰(zhàn)：

6、1)溫度穩(wěn)定性不足；

7、當前的超穩(wěn)熱環(huán)境系統構建方法在溫度穩(wěn)定性方面存在一定不足。盡管已經采用了諸如pid等主動控溫算法，但往往脫離傳熱模型，難以突破mk級載荷儀器對更高溫度穩(wěn)定性的要求。在復雜的空間環(huán)境下，微小的溫度波動就可能導致載荷儀器性能的下降，因此需要更高級別的溫度穩(wěn)定性。

8、2)精密控溫理論不夠完善；

9、精密控溫系統研制過程中，缺少理論方法指導。系統中熱量的傳遞特性、阻尼機制等方面尚未得到充分的探索和理解，導致控溫系統的設計和優(yōu)化受到限制。

10、3)控溫量程不可控；

11、空間環(huán)境的復雜性和難以預測性對航天器精密控溫系統的適應能力提出了極高的要求。在地面設計階段，若無法準確評估外界熱擾動，將導致系統在軌運行時超出規(guī)定的性能范圍?？販叵到y由于缺乏控溫量程的可調性，因而難以適應實際應用場景。

12、4)刻度可調性不足；

13、目前的技術中，控溫系統的刻度可調性存在一定的限制。在實際應用中，常常需要根據不同的環(huán)境和要求對溫度進行調節(jié)，但現有系統的控溫精度和刻度往往難以兼顧。由此，刻度可調性受到限制，難以滿足實際需求中對靈活調溫的需求。

14、綜合考慮以上因素，為載荷儀器構建μk級超穩(wěn)熱環(huán)境系統面臨挑戰(zhàn)極為巨大，因此需要提出具有創(chuàng)新性的方法。

15、本發(fā)明針對空間載荷儀器超穩(wěn)熱環(huán)境系統構建存在溫度穩(wěn)定性不足、精密控溫理論不夠完善、控溫量程不可控、刻度可調性不足的技術問題，對空間載荷儀器μk級超穩(wěn)熱環(huán)境系統構建方法進行了技術改進。

技術實現思路

0、
技術實現要素：

1、本發(fā)明的目的是，提出一種溫度穩(wěn)定性高、精密控溫理論完善、控溫量程可控、刻度可調性好的空間載荷儀器μk級超穩(wěn)熱環(huán)境系統構建方法。

2、為實現上述目的，本發(fā)明采取的技術方案是一種空間載荷儀器μk級超穩(wěn)熱環(huán)境系統構建方法，所述熱環(huán)境系統包括用于控制第一級溫度的初級加熱器、多級熱阻尼、用于施加微小熱源調節(jié)溫度的微調加熱器，所述初級加熱器位于最外側熱阻尼層，所述微調加熱器位于熱阻尼層級間，所述空間載荷儀器位于所述熱環(huán)境系統中心；包括以下步驟：

3、s1、利用熱波分析理論，對熱環(huán)境系統熱擾動進行分析，明確熱環(huán)境系統在不同頻段下幅值、相位的熱擾動特性；

4、s2、依據空間載荷儀器控溫指標、熱擾動特性，求解目標頻段內熱環(huán)境系統傳遞函數期望值；

5、s3、根據傳遞函數期望值，利用多級控溫、逐級降低熱擾動的多級熱阻尼理論設計熱環(huán)境系統多級熱阻尼的層數，并明確各個熱阻尼層級間的期望熱阻尼值；

6、s4、將各個熱阻尼層級間的期望熱阻尼值分解為輻射熱阻、導熱熱阻，結合空間載荷儀器實際情況權衡各個層級熱阻設計是否可行；

7、s5、如果不可行，調節(jié)初級加熱器參數，提升控溫精度，減小目標頻段內熱環(huán)境系統傳遞函數期望值，并重復執(zhí)行步驟s3、s4；

8、s6、如果可行，進一步設計微調加熱器，明確微調加熱器的安裝位置、設計參數；

9、s7、完成空間載荷儀器μk級超穩(wěn)熱環(huán)境系統具體參數設計。

10、優(yōu)選地，步驟s1：熱波分析理論將所有來自外界的熱擾動歸結為溫度噪聲，由于溫度梯度的存在，溫度噪聲在熱環(huán)境系統中以熱波的形式傳遞，將復雜的溫度信號分解成多個諧波信號，根據頻率、幅值、相位關鍵信息對溫度信號進行分析。

11、優(yōu)選地，步驟s1：將溫度信號分解成多個三角函數的疊加形式式中，t為溫度，τ為時間，an為第n個諧波分量的幅值，ωn為第n個諧波分量的角頻率，為第n個諧波分量的相位角，熱擾動由多個頻率、幅值、相位參數組成的數據集描述。

12、優(yōu)選地，步驟s2：采用快速傅里葉變換fft算法求解。

13、優(yōu)選地，步驟s4具體包括以下子步驟：

14、s41、將相鄰層級間的輻射、導熱能力歸一化為熱阻尼，采用熱阻-熱容網絡描述多級熱阻尼，多級熱阻尼網格包括熱阻尼節(jié)點的熱容c和熱阻尼節(jié)點間的熱阻r，對于第i級熱阻尼的第j個網格節(jié)點數學描述式中，t為溫度，τ為時間，c為熱容，r為熱阻，q為自熱源功率；

15、s42、多級熱阻尼狀態(tài)空間方程簡寫t′＝at(t)+bx(t)，其中，a為系統矩陣，由多級熱阻尼的熱阻r和熱容c組成，表征多級熱阻尼的內部熱特性，b為輸入矩陣，表征多級熱阻尼輸入的施加情況；

16、s43、利用多級熱阻尼傳遞函數矩陣，求解多級熱阻尼網格熱阻尼節(jié)點的熱容c和熱阻尼節(jié)點間的熱阻r，判斷多級熱阻尼各個層級熱阻設計是否可行。

17、本發(fā)明一種空間載荷儀器μk級超穩(wěn)熱環(huán)境系統構建方法有如下有益效果：1、提高空間探測儀器的精度和穩(wěn)定性，通過引入多級熱阻尼和精細化指標分解方法，本發(fā)明使得空間探測儀器在μk級控溫需求下能夠實現更高的精度和更穩(wěn)定的性能，這將有助于提高探測儀器的數據采集質量和準確度，進而提升科學研究和應用的效果；2、拓展控溫系統的適用范圍和靈活性，本發(fā)明提出的控溫量程與刻度可調方法，使得控溫系統能夠更好地適應不同環(huán)境和應用場景的需求，其靈活性和可調性將有助于探測儀器在不同任務和工作環(huán)境下的應用，拓展了其實際應用領域；3、提升空間探測儀器的工作效率和可靠性，通過優(yōu)化控溫系統設計，本發(fā)明能夠有效降低熱擾動對系統性能的影響，提高儀器的工作效率和可靠性，這對于長期在極端環(huán)境下運行的空間探測儀器尤為重要，有助于延長其使用壽命和穩(wěn)定性；4、推動相關領域技術的進步和創(chuàng)新，本發(fā)明提出的方法和理論對于熱控系統設計和優(yōu)化具有一定的指導意義，有助于推動相關領域的技術進步和創(chuàng)新，通過不斷改進和應用，可以進一步提高空間探測儀器的性能，并可能衍生出更多新穎的應用和技術。