一种空间载荷仪器μK级超稳热环境系统构建方法

【】本发明涉及卫星宇航，具体涉及一种空间载荷仪器μk级超稳热环境系统构建方法。

背景技术

0、背景技术：

1、当前航天器传统热控制措施可分为被动式和主动式两大类，并以被动控制为主、主动控制为辅。

2、被动式热控制是一种开环式控制，主要依靠合理布局和选用具有适当热物理性能的材料和结构及比较简单的热控装置来组织换热过程，它的特点是简便易行，但不具备自动调节温度的能力。而对于目前航天器多任务、复杂环境下越来越强的机动性，传统被动热控具有较差的适应性。

3、主动式热控制则是闭环式控制，这类热控装置通常由温度传感器、控制器和执行装置三部分组成，如恒温电加热器、热控百叶窗、接触式热开关等。它们的特点是被控对象的温度信息可以反馈到控制器与预先设定值进行比较，然后根据差值命令执行机构动作，实现温度的自动控制。

4、随着空间科学与探测任务的不断推进，引力波和大口径光学载荷的环境温度稳定性要求已从k～mk等级提高到mk～μk级别提升，这给当前的航天器热控制技术带来了严峻挑战。目前，常用的高精度高稳定度控温技术主要以主动控温为主导。通常在对控温目标进行简单的隔热和导热处理后，采用执行部件(如电加热器、热电制冷器等)直接对目标进行控温，辅以精密测温系统和控温算法(如闭环开关、pid控制、智能控温算法等)，以实现高精度的控温。然而，受限于控温电路和算法的性能，突破1mk级别的控温极限仍然十分困难。

5、当前空间载荷仪器超稳热环境系统构建方法存在诸多不足和挑战：

6、1)温度稳定性不足；

7、当前的超稳热环境系统构建方法在温度稳定性方面存在一定不足。尽管已经采用了诸如pid等主动控温算法，但往往脱离传热模型，难以突破mk级载荷仪器对更高温度稳定性的要求。在复杂的空间环境下，微小的温度波动就可能导致载荷仪器性能的下降，因此需要更高级别的温度稳定性。

8、2)精密控温理论不够完善；

9、精密控温系统研制过程中，缺少理论方法指导。系统中热量的传递特性、阻尼机制等方面尚未得到充分的探索和理解，导致控温系统的设计和优化受到限制。

10、3)控温量程不可控；

11、空间环境的复杂性和难以预测性对航天器精密控温系统的适应能力提出了极高的要求。在地面设计阶段，若无法准确评估外界热扰动，将导致系统在轨运行时超出规定的性能范围。控温系统由于缺乏控温量程的可调性，因而难以适应实际应用场景。

12、4)刻度可调性不足；

13、目前的技术中，控温系统的刻度可调性存在一定的限制。在实际应用中，常常需要根据不同的环境和要求对温度进行调节，但现有系统的控温精度和刻度往往难以兼顾。由此，刻度可调性受到限制，难以满足实际需求中对灵活调温的需求。

14、综合考虑以上因素，为载荷仪器构建μk级超稳热环境系统面临挑战极为巨大，因此需要提出具有创新性的方法。

15、本发明针对空间载荷仪器超稳热环境系统构建存在温度稳定性不足、精密控温理论不够完善、控温量程不可控、刻度可调性不足的技术问题，对空间载荷仪器μk级超稳热环境系统构建方法进行了技术改进。

技术实现思路

0、技术实现要素：

1、本发明的目的是，提出一种温度稳定性高、精密控温理论完善、控温量程可控、刻度可调性好的空间载荷仪器μk级超稳热环境系统构建方法。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案是一种空间载荷仪器μk级超稳热环境系统构建方法，所述热环境系统包括用于控制第一级温度的初级加热器、多级热阻尼、用于施加微小热源调节温度的微调加热器，所述初级加热器位于最外侧热阻尼层，所述微调加热器位于热阻尼层级间，所述空间载荷仪器位于所述热环境系统中心；包括以下步骤：

3、s1、利用热波分析理论，对热环境系统热扰动进行分析，明确热环境系统在不同频段下幅值、相位的热扰动特性；

4、s2、依据空间载荷仪器控温指标、热扰动特性，求解目标频段内热环境系统传递函数期望值；

5、s3、根据传递函数期望值，利用多级控温、逐级降低热扰动的多级热阻尼理论设计热环境系统多级热阻尼的层数，并明确各个热阻尼层级间的期望热阻尼值；

6、s4、将各个热阻尼层级间的期望热阻尼值分解为辐射热阻、导热热阻，结合空间载荷仪器实际情况权衡各个层级热阻设计是否可行；

7、s5、如果不可行，调节初级加热器参数，提升控温精度，减小目标频段内热环境系统传递函数期望值，并重复执行步骤s3、s4；

8、s6、如果可行，进一步设计微调加热器，明确微调加热器的安装位置、设计参数；

9、s7、完成空间载荷仪器μk级超稳热环境系统具体参数设计。

10、优选地，步骤s1：热波分析理论将所有来自外界的热扰动归结为温度噪声，由于温度梯度的存在，温度噪声在热环境系统中以热波的形式传递，将复杂的温度信号分解成多个谐波信号，根据频率、幅值、相位关键信息对温度信号进行分析。

11、优选地，步骤s1：将温度信号分解成多个三角函数的叠加形式式中，t为温度，τ为时间，an为第n个谐波分量的幅值，ωn为第n个谐波分量的角频率，为第n个谐波分量的相位角，热扰动由多个频率、幅值、相位参数组成的数据集描述。

12、优选地，步骤s2：采用快速傅里叶变换fft算法求解。

13、优选地，步骤s4具体包括以下子步骤：

14、s41、将相邻层级间的辐射、导热能力归一化为热阻尼，采用热阻-热容网络描述多级热阻尼，多级热阻尼网格包括热阻尼节点的热容c和热阻尼节点间的热阻r，对于第i级热阻尼的第j个网格节点数学描述式中，t为温度，τ为时间，c为热容，r为热阻，q为自热源功率；

15、s42、多级热阻尼状态空间方程简写t′＝at(t)+bx(t)，其中，a为系统矩阵，由多级热阻尼的热阻r和热容c组成，表征多级热阻尼的内部热特性，b为输入矩阵，表征多级热阻尼输入的施加情况；

16、s43、利用多级热阻尼传递函数矩阵，求解多级热阻尼网格热阻尼节点的热容c和热阻尼节点间的热阻r，判断多级热阻尼各个层级热阻设计是否可行。

17、本发明一种空间载荷仪器μk级超稳热环境系统构建方法有如下有益效果：1、提高空间探测仪器的精度和稳定性，通过引入多级热阻尼和精细化指标分解方法，本发明使得空间探测仪器在μk级控温需求下能够实现更高的精度和更稳定的性能，这将有助于提高探测仪器的数据采集质量和准确度，进而提升科学研究和应用的效果；2、拓展控温系统的适用范围和灵活性，本发明提出的控温量程与刻度可调方法，使得控温系统能够更好地适应不同环境和应用场景的需求，其灵活性和可调性将有助于探测仪器在不同任务和工作环境下的应用，拓展了其实际应用领域；3、提升空间探测仪器的工作效率和可靠性，通过优化控温系统设计，本发明能够有效降低热扰动对系统性能的影响，提高仪器的工作效率和可靠性，这对于长期在极端环境下运行的空间探测仪器尤为重要，有助于延长其使用寿命和稳定性；4、推动相关领域技术的进步和创新，本发明提出的方法和理论对于热控系统设计和优化具有一定的指导意义，有助于推动相关领域的技术进步和创新，通过不断改进和应用，可以进一步提高空间探测仪器的性能，并可能衍生出更多新颖的应用和技术。