CN113212811B - 兼容动态磁补偿的热控制*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种兼容动态磁补偿的热控制***，包括：热控设计模块，被配置为根据磁补偿的功能要求和热控要求，获取热控电加热器的设计参数；以及热控电加热器，被配置为根据设计参数进行磁补偿和主动热控制。

Description

兼容动态磁补偿的热控制***
技术领域
本发明涉及航天卫星技术领域，特别涉及一种兼容动态磁补偿的热控制***。
背景技术
卫星在轨飞行时，会遇到高温和低温两种环境。太阳是一个大热源。在数百到数千千米的高空，非常稀薄的气体不能阻挡太阳的照射，没有传导与对流散热，太阳直接照射的卫星表面，如果不加防护，卫星的温度很快就会升高；而当卫星飞行到地球的另一面时就进入了阴影区，得不到太阳的热量，温度会很快地降低。卫星在100摄氏度到-100摄氏度这种交变温度下工作；另一方面地球的太阳光反射和红外低温辐射同样作用到卫星表面；同时，卫星内部的仪器设备工作时，也要向外散发热量。
一般的电子仪器设备，长时间在50摄氏度以上的环境下工作就会产生故障，而有一些设备如化学电池，在零摄氏度以下它的效率又很低。因此，尽管外部环境的温度变化非常剧烈，卫星内部必须保持一定的温度范围，以保证星内的仪器设备工作正常。人造卫星的热控制***就是卫星在轨飞行时，对卫星内部和外部的热量进行控制，使卫星的温度达到所要求范围的***。
热控制***可以保证卫星内部的温度始终保持在一定的范围内变化。一般卫星内部的温度保持在5-45摄氏度的范围内，个别的部分只允许在恒定的温度下有1-2摄氏度的变化范围。
在卫星***的设备组成中，用于进行姿态控制的磁力矩器是常用的设备之一，磁力矩器的工作原理是通过闭合线圈中的电流在磁场中受到的安培力的作用，使线圈产生转动，从而产生了使线圈转动的力矩，产生的方向遵循右手螺旋定则，与线圈平面内的单位正法向矢量垂直。
目前在低轨航天器应用中，磁力矩器为电性能设备，存在失效的可能性，磁力矩器根据磁强计测得的地磁数据进行控制卫星的姿态，在轨飞行中，当磁力矩器失效时，则姿控的功能处于部分失效的状态，同时随着整星的磁环境复杂化，磁的正负补偿显得尤为重要。常规的磁补偿一般为恒定强力磁铁进行补偿，不具有动态补偿的功能性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种兼容动态磁补偿的热控制***，以解决磁力矩器失效时姿控的功能处于部分失效的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种兼容动态磁补偿的热控制***，包括：
热控设计模块，被配置为根据磁补偿的功能要求和热控要求，获取热控电加热器的设计参数；以及
热控电加热器，被配置为根据设计参数进行磁补偿和主动热控制。
可选的，在所述的兼容动态磁补偿的热控制***中，所述热控设计模块包括：
热控复核模块，被配置为根据热控要求对设计参数进行设计复核，以使得布局的热控电加热器的发热情况满足热控温度场指标。
可选的，在所述的兼容动态磁补偿的热控制***中，所述热控设计模块还包括：
磁场设计模块，被配置为进行磁场设计获取设计参数中的磁场参数，在磁场设计中，磁场参数使得热控电加热器尽量为单线回路，从而形成线圈回路，且使得线圈回路中的电流在容许范围之内；
磁场设计模块，还被配置为对磁补偿的力矩进行设计；
磁场设计模块，还被配置为对线圈回路进行设计时，进行力矩功率、力矩大小与力矩方向的复核。
可选的，在所述的兼容动态磁补偿的热控制***中，磁场参数包括力矩方向；
磁场设计模块根据电磁原理设计力矩方向，其中通过右手螺旋定则判断线圈回路中的电流方向和其产生磁感线方向，其中力矩方向与线圈回路所在的平面相垂直；
通过星上本身的力矩方向确定热控电加热器的分布，以实现当不同的电流方向形成回路时产生不同的力矩方向。
可选的，在所述的兼容动态磁补偿的热控制***中，磁场参数包括力矩大小；
磁场设计模块根据电磁原理设计力矩大小，其中力矩大小与线圈回路中的电流成正比；
首先通过功率密度复核符合安全使用的场景下，设计线圈回路的电流大小，进而确定产生的力矩大小。
可选的，在所述的兼容动态磁补偿的热控制***中，所述热控设计模块还包括：
动态补偿模块，被配置为进行动态设计获取设计参数中的动态参数，在动态设计中，对于磁衰减或者磁场不稳定的环境下，动态参数使得热控电加热器进行时序加载变化，从而进行动态的磁补偿。
可选的，在所述的兼容动态磁补偿的热控制***中，当磁力矩器的磁力矩失效时，通过星上为热控电加热器供电，在磁力矩失效处产生强磁场，形成与磁力矩器同方向的力，进行姿态控制时的力补偿；
当磁力矩器的磁力矩处于磁衰减时，则动态补偿模块根据数据分析，进行热控电加热器的开关时序调节，使磁衰减处产生的磁补偿进行动态补偿。
可选的，在所述的兼容动态磁补偿的热控制***中，通过可抵消式的热控设计进行整星级别的磁补偿的热控，包括：
当整星的磁场环境处于健康运行时，热控的主动加热补偿设计进行双向回路均开启，为整星进行热补偿，同时不影响整星的磁场环境；
当磁力矩器的磁力衰减时，进行双向加热，根据需要进行磁补偿的力矩方向进行线圈回路的供电，通电第一回路产生+Y向的力矩，或通电第二回路产生-Y向力矩。
可选的，在所述的兼容动态磁补偿的热控制***中，热控电加热器包括薄膜型电阻片和/或缠绕型电阻丝。
本发明的发明人联想到热控***同样占用较多星上资源且用途单一，创造性的提出通过有效的热控替补进行磁补偿。
在本发明提供的兼容动态磁补偿的热控制***中，通过热控设计模块根据磁补偿的功能要求和热控要求得到热控电加热器的设计参数，然后由热控电加热器根据设计参数进行磁补偿和主动热控制，实现了热控制***不仅可作为热控***，还可作为磁力矩器在轨失效的磁补偿，实现了磁场需求热设计；
本发明通过动态补偿模块进行动态设计，对于磁衰减或者磁场不稳定的环境下，动态参数使得热控电加热器进行时序加载变化，可实现在轨动态补偿。
本发明的磁补偿的热设计方法优点包括：可实现动态磁补偿；结构布局，不占用空间，便于装配；遥控接口设计便捷，地面可控制性强；质量轻，单片重量15mg，可靠性高，寿命可达20年；节约成本，可以增加可靠性，电阻丝成本在万级以内，设备单机则是十万级。
本发明的兼容动态磁补偿的热控制***可在航天卫星***上进行应用，在低轨航天卫星上应用时可以作为预案与备份设计，当前领域内本发明填补了空白，本发明的兼容动态磁补偿的热控制***可推广至具有磁环境需求的产品系列应用。
附图说明
图1是本发明一实施例热控加热回路产生的原理示意图；
图2是本发明一实施例热控加热回路产生的原理示意图；
图3(a)是本发明一实施例中的兼容动态磁补偿的热控电加热器在局部的设计布局示意图；
图3(b)是本发明一实施例中的兼容动态磁补偿的热控电加热器在局部的设计布局示意图；
图4是本发明一实施例中的兼容动态磁补偿的热控制***的整星级别的磁补偿设计示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。
应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。
在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。
在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。
在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。
另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的兼容动态磁补偿的热控制***作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。
本发明的核心思想在于提供一种兼容动态磁补偿的热控制***，以解决磁力矩器失效时姿控的功能处于部分失效的问题。
本发明的核心思想还在于提供一种兼容动态磁补偿的热控制***，以解决现有的复杂的热控制***或磁补偿占用了较多的星上资源的问题。
为实现上述思想，本发明提供了一种兼容动态磁补偿的热控制***，包括：热控设计模块，被配置为根据磁补偿的功能要求和热控要求，获取热控电加热器的设计参数；以及热控电加热器，被配置为根据设计参数进行磁补偿和主动热控制。
热控的控温手段一般包括被动温控和主动温控两种，其中被动手段主要是通过涂层的被动散热和多层隔热组件的被动隔热完成，主动手段主要为主动加热器的开启热补偿。对于主动加热器的类型而言可分为电阻片薄膜型与电阻丝缠绕型，一般可根据设备的形状以及补偿功耗的大小进行定制。由于热控产品主动加热器为电性能产品，通过加电进行发热，从而达到将某个设备产品控制在某个温度的指标范围内。
为了使得热控电加热器具备磁补偿的功能，热控将进行3个方面的设计，第一方面，热控需要进行设计复核。使得设计布局的加热电阻发热情况是满足热控温度场指标；第二方面，进行“磁场”设计。在“磁场”设计中，电加热器尽可能的设计为单线回路，从而可形成线圈回路，线圈回路中的电流在容许范围之内；第三方面，常规的磁补偿是固定点补偿，对于磁衰减或者磁场不稳定的环境下，热控可通过对加热器进行时序加载变化从而实现磁补偿的效果。
本发明的实施例提供一种兼容动态磁补偿的热控制***，包括：热控设计模块，被配置为根据磁补偿的功能要求和热控要求，获取热控电加热器的设计参数；以及热控电加热器，被配置为根据设计参数进行磁补偿和主动热控制。
在本发明的一个实施例中，在所述的兼容动态磁补偿的热控制***中，热控电加热器包括薄膜型电阻片和/或缠绕型电阻丝。如图1、2所示的热控加热回路产生的原理示意图，其中I为电流，S为磁场南极，N为磁场北极，B表示磁场强度。本发明的设计思路为在通过带有热控功能的缠绕型电阻丝采用环状设计，解决磁力矩器的磁力矩失效或半失效的磁补偿以及动态补偿。其中加热电阻丝通过供电电源加热和形成力矩，力矩方向由磁补偿方案决定。
在本发明的一个实施例中，在所述的兼容动态磁补偿的热控制***中，所述热控设计模块包括：热控复核模块，被配置为根据热控要求对设计参数进行设计复核，以使得布局的热控电加热器的发热情况满足热控温度场指标。
在本发明的一个实施例中，在所述的兼容动态磁补偿的热控制***中，所述热控设计模块还包括：磁场设计模块，被配置为进行磁场设计获取设计参数中的磁场参数，在磁场设计中，磁场参数使得热控电加热器尽量为单线回路，从而形成线圈回路，且使得线圈回路中的电流在容许范围之内；磁场设计模块，还被配置为对磁补偿的力矩进行设计；磁场设计模块，还被配置为对线圈回路进行设计时，进行力矩功率、力矩大小与力矩方向的复核。
在本发明的一个实施例中，在所述的兼容动态磁补偿的热控制***中，磁场参数包括力矩方向；磁场设计模块根据电磁原理设计力矩方向，其中通过右手螺旋定则判断线圈回路中的电流方向和其产生磁感线方向，其中力矩方向与线圈回路所在的平面相垂直；通过星上本身的力矩方向确定热控电加热器的分布，以实现当不同的电流方向形成回路时产生不同的力矩方向。
在本发明的一个实施例中，在所述的兼容动态磁补偿的热控制***中，磁场参数包括力矩大小；磁场设计模块根据电磁原理设计力矩大小，其中力矩大小与线圈回路中的电流成正比；首先通过功率密度复核符合安全使用的场景下，设计线圈回路的电流大小，进而确定产生的力矩大小。
在本发明的一个实施例中，在所述的兼容动态磁补偿的热控制***中，所述热控设计模块还包括：动态补偿模块，被配置为进行动态设计获取设计参数中的动态参数，在动态设计中，对于磁衰减或者磁场不稳定的环境下，动态参数使得热控电加热器进行时序加载变化，从而进行动态的磁补偿。
在本发明的一个实施例中，在所述的兼容动态磁补偿的热控制***中，其中图3(a)、图3(b)为加热器在局部的设计布局，当磁力矩器的磁力矩失效时，通过星上为热控电加热器供电，在磁力矩失效处产生强磁场，形成与磁力矩器同方向的力，进行姿态控制时的力补偿；当磁力矩器的磁力矩处于磁衰减时，则动态补偿模块根据数据分析，进行热控电加热器的开关时序调节，使磁衰减处产生的磁补偿进行动态补偿。
图4为整星级别的磁补偿设计，该种磁补偿的热控设计采用的是可抵消式的热控设计，此种设计方法可以实现2种功能设计，其中第一种功能为当整星的磁场环境处于健康运行时，热控的主动加热补偿设计，可以进行双向回路均开启，为整星进行热补偿，同时不影响整星的磁场环境；第二种功能为当磁力衰减时，可以进行双向加热，通电图4的回路1(第一回路)时，产生了+Y向的力矩，而通电回路2(第二回路)时，产生的则是-Y向力矩，可以根据力的需求方向来进行加热回路的供电。
在本发明的一个实施例中，在所述的兼容动态磁补偿的热控制***中，通过可抵消式的热控设计进行整星级别的磁补偿的热控，包括：当整星的磁场环境处于健康运行时，热控的主动加热补偿设计进行双向回路均开启，为整星进行热补偿，同时不影响整星的磁场环境；当磁力矩器的磁力衰减时，进行双向加热，根据需要进行磁补偿的力矩方向进行线圈回路的供电，通电第一回路产生+Y向的力矩，或通电第二回路产生-Y向力矩。
在本发明提供的兼容动态磁补偿的热控制***中，通过热控设计模块根据磁补偿的功能要求和热控要求得到热控电加热器的设计参数，然后由热控电加热器根据设计参数进行磁补偿和主动热控制，实现了热控制***不仅可作为热控***，还可作为磁力矩器在轨失效的磁补偿，实现了磁场需求热设计；
本发明通过动态补偿模块进行动态设计，对于磁衰减或者磁场不稳定的环境下，动态参数使得热控电加热器进行时序加载变化，可实现在轨动态补偿。
本发明的磁补偿的热设计方法优点包括：可实现动态磁补偿；结构布局，不占用空间，便于装配；遥控接口设计便捷，地面可控制性强；质量轻，单片重量15mg，可靠性高，寿命可达20年；节约成本，可以增加可靠性，电阻丝成本在万级以内，设备单机则是十万级。
本发明的兼容动态磁补偿的热控制***可在航天卫星***上进行应用，在低轨航天卫星上应用时可以作为预案与备份设计，当前领域内本发明填补了空白，本发明的兼容动态磁补偿的热控制***可推广至具有磁环境需求的产品系列应用。
综上，上述实施例对兼容动态磁补偿的热控制***的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (8)

1.一种兼容动态磁补偿的热控制***，其特征在于，包括：
热控设计模块，被配置为根据磁补偿的功能要求和热控要求，获取热控电加热器的设计参数；以及
热控电加热器，被配置为根据设计参数进行磁补偿和主动热控制；
所述热控设计模块包括：
磁场设计模块，被配置为进行磁场设计获取设计参数中的磁场参数，在磁场设计中，磁场参数使得热控电加热器尽量为单线回路，从而形成线圈回路，且使得线圈回路中的电流在容许范围之内；
磁场设计模块，还被配置为对磁补偿的力矩进行设计；
磁场设计模块，还被配置为对线圈回路进行设计时，进行力矩功率、力矩大小与力矩方向的复核。
2.如权利要求1所述的兼容动态磁补偿的热控制***，其特征在于，所述热控设计模块包括：
热控复核模块，被配置为根据热控要求对设计参数进行设计复核，以使得布局的热控电加热器的发热情况满足热控温度场指标。
3.如权利要求1所述的兼容动态磁补偿的热控制***，其特征在于，磁场参数包括力矩方向；
磁场设计模块根据电磁原理设计力矩方向，其中通过右手螺旋定则判断线圈回路中的电流方向和其产生磁感线方向，其中力矩方向与线圈回路所在的平面相垂直；
通过星上本身的力矩方向确定热控电加热器的分布，以实现当不同的电流方向形成回路时产生不同的力矩方向。
4.如权利要求1所述的兼容动态磁补偿的热控制***，其特征在于，磁场参数包括力矩大小；
磁场设计模块根据电磁原理设计力矩大小，其中力矩大小与线圈回路中的电流成正比；
首先通过功率密度复核符合安全使用的场景下，设计线圈回路的电流大小，进而确定产生的力矩大小。
5.如权利要求1所述的兼容动态磁补偿的热控制***，其特征在于，所述热控设计模块还包括：
动态补偿模块，被配置为进行动态设计获取设计参数中的动态参数，在动态设计中，对于磁衰减或者磁场不稳定的环境下，动态参数使得热控电加热器进行时序加载变化，从而进行动态的磁补偿。
6.如权利要求5所述的兼容动态磁补偿的热控制***，其特征在于，
当磁力矩器的磁力矩失效时，通过星上为热控电加热器供电，在磁力矩失效处产生强磁场，形成与磁力矩器同方向的力，进行姿态控制时的力补偿；
当磁力矩器的磁力矩处于磁衰减时，则动态补偿模块根据数据分析，进行热控电加热器的开关时序调节，使磁衰减处产生的磁补偿进行动态补偿。
7.如权利要求1所述的兼容动态磁补偿的热控制***，其特征在于，通过可抵消式的热控设计进行整星级别的磁补偿的热控，包括：
当整星的磁场环境处于健康运行时，热控的主动加热补偿设计进行双向回路均开启，为整星进行热补偿，同时不影响整星的磁场环境；
当磁力矩器的磁力衰减时，进行双向加热，根据需要进行磁补偿的力矩方向进行线圈回路的供电，通电第一回路产生+Y向的力矩，或通电第二回路产生-Y向力矩。
8.如权利要求1所述的兼容动态磁补偿的热控制***，其特征在于，热控电加热器包括薄膜型电阻片和/或缠绕型电阻丝。
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GR01 Patent grant
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