НАПРАВЛЕНИЕ РАЗВИТИЯ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ, АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ И СРЕДСТВ ИСПЫТАНИЙ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЕЙ ДЛЯ СИСТЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

DEVELOPMENT OF SIMULATION METHODS, CONTROL ALGORITHMS AND TESTING TOOLS FOR THE SPACECRAFT THERMAL CONTROL SYSTEM ELECTRIC HEATERS

Germanov Lev

post-graduate student, Lavochkin Association, JSC,

Russia, Moscow Region, Khimki

АННОТАЦИЯ

Представленные в статье материалы основаны на результатах диссертационных исследований автора за последние три года. В статье предложены основные направления развития методов моделирования, алгоритмов управления и рекомендации по применению средств испытаний электронагревателей и их характеристик для систем обеспечения тепловых режимов космических аппаратов. В статье рассматривается новый подход в моделировании состояния электронагревателей для систем обеспечения тепловых режимов (СОТР) космических аппаратов (КА). Основу предложенного подхода моделирования составляют: «Принцип подобия электрических и тепловых цепей», «Комплексная эквивалентная электрическая схема замещения (тепловая SPICE-модель) НЭСТ в составе СОТР» и «Алгоритм комплексного управления группой НЭСТ в составе СОТР» впервые предложенные автором. Данный подход позволяет объединить принципы моделирования электрических цепей и тепловых сетей, обеспечивая комплексный подход в моделировании, управлении и испытаниях НЭСТ в составе СОТР КА, а также сформулировать основные принципы по созданию автоматизированного испытательного стенда НЭСТ и определить его параметры.

ABSTRACT

The materials presented in the article rest on the author's dissertation research over the past three years. The article suggests the primary areas of development for simulation methods, control algorithms, and some recommendations for the electric heaters testing tools implementation and their features for the spacecraft thermal control system. The article considers a new approach for simulation of electric heaters state for the SC TCS. The proposed simulation approach grounds on the following: «Electric and thermal circuits’ similarity principle», «Complex equivalent electric circuit (thermal SPICE model) for the electric fiberglass thin heaters substitution in TCS» and «Algorithm of integrated control of electric fiberglass thin heaters’ group in TCS» pioneered by the author. This approach allows for combination of the principles of electric circuits simulation and thermal networks, providing an integrated approach to simulation, control and testing of electric fiberglass thin heaters as a part of SC TCS, as well as propose basic principles of development of automated electric fiberglass thin heaters test bench and determine its characteristics.

Ключевые слова: электронагреватель; космический аппарат; испытания; испытательный стенд; внешние воздействующие факторы; программно-аппаратные средства; НЭСТ; СОТР; КА.

Keywords: electric heater; spacecraft; test; test bench; environmental factors; software and hardware; Electric fiberglass thin heaters; thermal control system (TCS); spacecraft (SC).

Введение

Развитие низкоорбитальных автоматических космических аппаратов связано с повышением эффективности, снижением стоимости, увеличением сложности и количества решаемых задач его отдельными системами и аппаратом в целом. Решение ряда таких задач связано с повышением эффективности системы активного терморегулирования за счёт использования комбинации современных программно-аппаратных средств и новых подходов в моделировании и управления в СОТР КА, что даёт значительные преимущества по точности и быстродействию регулирования климата по сравнению с рядом других систем, а также обеспечивает современные требования по живучести КА в целом.

Среди комплекса актуальных научно-технических задач, решение которых обеспечивает повышение эффективности системы активного терморегулирования бортовой аппаратуры, стоят задачи по снижению стоимости и трудоёмкости изготовления, повышения надёжности и энергоэффективности НЭСТ [1].

Также при разработке, изготовлении, испытаниях и эксплуатации НЭСТ важно снижение трудоёмкости испытаний, повышение быстродействия управления и энергоэффективности СОТР КА, что может быть достигнуто лишь за счёт создания АИС и оптимального АУ [2].

В настоящее время используемые средства проведения испытаний электронагревателей основаны на ручном задании режимов работы и могут приводить к ошибкам и субъективности принимаемых решений о годности электронагревателей, снижая достоверность информации о качестве выпускаемой продукции [3].

Общепризнано, что космический аппарат (КА) является объектом высшей категории сложности как в проектировании, так и в изготовлении и эксплуатации [4]. Традиции применения передовых технических и технологических решений при создании КА, начатые с первых изделий, определяют и в настоящее время лидирующую роль этой отрасли в техническом прогрессе современной техники [5]. В настоящее время разработано и выведено на околоземную орбиту значительное число КА, среди которых особое место занимают автоматические КА производства АО «НПО Лавочкина», АО ГНЦ «Центр Келдыша», АО «Воткинский завод», АО «ВПК «НПО машиностроения», АО «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева», ПАО «РКК «Энергия», АО «Решетнёв» [6].

Данные КА позволяют решать широкий круг важных научных задач, однако их дальнейшее развитие определяется тенденцией увеличения количества и сложности решаемых задач, в стремлении к снижению стоимости и повышению эффективности космических комплексов [7].

Решение этих задач в сложных условиях эксплуатации КА предопределило создание СОТР КА для создания температурных условий нормального функционирования бортовых систем в орбитальном полете [8].

Большой вклад в разработку СОТР на базе НЭСТ внесли известные учёные, исследователи: В.М. Новичков, А.О. Дмитриев, В.К. Сысоев, Р.И. Гуров, А.Д. Бугрова и др. [9]. Однако, в работах этих учёных, а также в других публикациях не рассматриваются вопросы по разработке автоматизированных средств испытаний НЭСТ. Достаточно очевидно, что в случае серийного изготовления НЭСТ крайне необходимо создание автоматизированного испытательного стенда (АИС) с целью повышения рентабельности (экономической эффективности) производства.

Отсутствуют также работы, в которых приводится комплексное моделирование мгновенных значений температур в группе (комплексе) НЭСТ с учётом алгоритмов управления СОТР и потерь энергии, расходуемой на обогрев корпуса КА или испытательной плиты (ИП) АИС. Также отсутствуют аналитические соотношения, устанавливающие взаимосвязь между параметрами процесса, при котором температура полимера изменяется в оптимальных заданных пределах при проведении периодического процесса с циклами нагрева и охлаждения корпуса КА (или ИП АИС).

При подаче электрического напряжения на НЭСТ его температура повышается и через определённое время он выходит на стационарный режим работы, при котором плотность потока тепловой энергии с его поверхности достигает максимума.

Необходимость анализа условий и быстродействия электронагревателя при выходе на стационарный режим работы, определения максимальной величины плотностей теплового потока и максимальной температуры его нагрева в конкретных условиях функционирования связана с возможностью повышения его энергоэффективности за счёт оптимизации его алгоритмов управления (АУ), а также, с возможностью автоматизации обоснованных контрольных и испытательных процедур, связанные с ужесточением режимов его работы и ускорением времени его испытаний.

При эксплуатации НЭСТ имеют место следующие режимы работы (рисунок 1):

Рисунок 1. Графики основных режимов работы НЭСТ

– продолжительный – при котором температура НЭСТ достигает установившегося значения и НЭСТ при этой температуре остаётся под нагрузкой сколь угодно длительное время;

– прерывисто-продолжительный – при котором НЭСТ остаётся под нагрузкой при установившемся значении температуры ограниченное техническими условиями (ТУ) время;

– повторно-кратковременный – при котором температура НЭСТ за время нагрузки не достигает установившегося значения, а за время паузы не уменьшается до температуры окружающей среды;

– кратковременный – при котором в период нагрузки температура НЭСТ не достигает установившегося значения, а в период отсутствия нагрузки достигает температуры холодного состояния;

– короткого замыкания – это частный случай кратковременного режима работы, когда температура частей НЭСТ значительно превосходит установившуюся температуру при нормальном режиме работы.

Экспериментальное моделирование тепловых режимов КА в условиях, максимально приближенных к натурным, сопряжено с большими техническими трудностями несмотря на то, что имитационная техника, существующая в реальном воплощении или в технических проектах, позволяет воспроизводить каждый из отмеченных факторов с достаточной точностью. Сложности вызваны тем, что необходима техническая организация совместной автоматизированной работы имитационных систем и испытываемого объекта. Поэтому важное значение приобретают приближенные методы моделирования внешнего теплообмена.

1. Алгоритм управления НЭСТ в составе СОТР и элементарная эквивалентная электрическая схема замещения (тепловая SPICE-модель) НЭСТ

В ходе выполнения диссертационной работы был выполнен обзор существующих методов моделирования, управления и испытаний НЭСТ, а также обзор основных ВВФ, влияющих на параметры НЭ, что позволило автору разработать комплексную SPICE-модель теплового функционирования НЭСТ в составе СОТР, подтвердить её адекватность для заданных условий и ограничений, оптимизировать их алгоритмы управления и испытаний по уровню энергоэффективности бортовой СЭС КА и СЭС АИС.

1.1. Принцип подобия электрических и тепловых цепей

Основу предложенного подхода моделирования составляют предложенные «Принцип подобия электрических и тепловых цепей», «Эквивалентная электрическая схема замещения (тепловая SPICE-модель) НЭСТ в составе СОТР» и «Алгоритма управления НЭСТ в составе СОТР». Процесс создания модели связан с трансляцией физической структуры теплового компонента в электрическую схему. Подобное преобразование возможно благодаря выявленному принципу подобия, согласно которому к расчёту тепловых сетей применимы некоторые приёмы расчёта электрических цепей с нелинейными сопротивлениями.

В преддверии комплексного моделирования СОТР был выполнен синтез элементарной эквивалентной электрической схемы замещения (тепловой SPICE-модели) НЭСТ (рисунок 2).

зелёным цветом – график задающих импульсов; синим цветом – график температуры НЭСТ; красным цветом – график температуры элементарного участка корпуса КА (ИП АИС)

Рисунок 2. Элементарная эквивалентная электрическая схема замещения НЭСТ и графики основных характеристик

1.2. Семантика схемы замещения

Участок V1+R1+C1+R2 – источник тепловой энергии (упрощённая модель цепей управления ШИМ-контроллера, драйвера, выходного ключа для i-го канала СОТР, фильтр, i-й НЭСТ);

R1 – эквивалент потерь в цепях передачи энергии к НЭСТ;

C1 – эквивалент тепловой инерционности НЭСТ (определяет скорость нагрева/остывания НЭСТ) без учёта влияния корпуса КА и ИП АИС;

R2 – эквивалент тепловых потерь внутри НЭСТ, обусловленных в т.ч. омическим активным сопротивлением НЭСТ – определяет скорость остывания НЭСТ без учёта влияния корпуса КА и ИП АИС;

R3 – эквивалент тепловых потерь подложки (контакта) НЭСТ, обусловленные тепловым сопротивлением связующих слоёв между корпусом КА (ИП АИС) и НЭСТ (таких как клей, стеклотекстолит, лак, покрытие корпуса КА и ИП АИС, термопаста);

С2 – эквивалент тепловой инерционности корпуса КА и ИП АИС (определяет скорость нагрева/остывания элементарного i-го участка корпуса КА и ИП АИС);

R4 – эквивалент тепловых потерь корпуса КА и ИП АИС, обусловленный потерями тепла на «обогрев» окружающей среды – определяет скорость остывания элементарного i-го участка корпуса КА и ИП АИС.

2. Комплексная эквивалентная электрическая схема замещения НЭСТ в составе СОТР

Рассмотрим пошаговую реализацию комплексной модели НЭСТ в составе СОТР. Вначале дополним элементарную модель НЭСТ элементами системы управления (МК+ШИМ-генератор+драйвер ключа)+силовой ключ i-го канала СОТР (рисунок 3).

Рисунок 3. Модель НЭСТ, совмещённая с элементами системы управления (МК+ШИМ-генератор+драйвер ключа+силовой ключ i-го канала СОТР)

На рисунке 3 представлен график задающих импульсов (обозначены синим цветом), график температуры i-го НЭСТ (зелёный), график температуры элементарного i-го участка корпуса КА / ИП АИС (красный).

Назначения элементов модели:

V1 – ШИМ-контроллер (ШИМ-генератор задающих импульсов).

Параметризация генератора V1 – PULSE (0 20 0 0.1u 0.1u 1 2 10):

V_initial= 0 – старт генератора с нулевого значения напряжения;

V_on = 20 – величина номинального уровня напряжения на ключе;

0 – старт генератора без временной задержки;

0.01u – продолжительность переднего фронта импульса (в о.е. времени по отношению к продолжительности импульса);

0.01u – продолжительность заднего фронта импульса;

1 – длительность импульса (t=1 о.е.)

2 – период следования (повторения) импульсов к (T=2 о.е.)

10 – число исследуемых импульсов (N=10);

.tran 140 – длительность моделирования равная 140 о.е. (состоит из 20 о.е. необходимых для достижения номинальной температуры корпуса КА и 120 о.е. до полного остывания корпуса КА (5% коридор, по аналогии с ПП).

Таким образом получаем: скважность импульсов S=T/t=2/1=2, коэффициент заполнения или рабочий цикл (англ. duty cycle) D=t/T=1/2=50%;

M1 – силовой ключ i-го канала СОТР;

V2 – источник питания (источник постоянного тока, СЭС, АБ) СОТР;

С3 – фильтр (конденсатор снабберный) – защищает полупроводниковый ключ от перенапряжений, возникающих при коммутации больших токов.

R5 – согласующее сопротивление (обуславливает согласование выходной цепи ШИМ-генератора и входной цепи ключа, а также учитывает потери энергии в цепях управления и в драйвере ключа)

Основу комплексной модели группы НЭСТ в СОТР составляют группы модернизированных элементарных эквивалентных электрических схем замещения (тепловые SPICE-модели) НЭСТ (рисунки 4 и 5).

Рисунок 4. Комплексная эквивалентная электрическая схема замещения (тепловая SPICE-модель) НЭСТ на примере трёхканальной СОТР

С целью реализации заданный условий и рассмотренных ограничений автором был предложен алгоритм комплексного управления группой НЭСТ в составе СОТР, заключающийся в чередовании временных моментов включения каналов управления с мёртвым временем и временем релаксации АБ. Приведём основные параметры алгоритма (рисунок 6, таблица 1):

1. Общее время (продолжительность) n-й серии импульсов на включение i-х каналов: T_on.

2. Время (продолжительность) «релаксации АБ» (продолжительность отсутствия импульсов в периоде): T_off=T-T_on.

Рисунок 5. Графики основных характеристик комплексной модели группы НЭСТ на примере трёхканальной СОТР

3. Коэффициент заполнения или общий рабочий цикл, справедливый для ВСЕХ каналов СОТР: D=T_on/T=½=50% (такая величина гарантировано обеспечивает, как минимум, двукратный запас по номинальной ёмкости АБ);

4. «Мёртвое время» (пауза) между i-ми импульсами на включения i-го канала СОТР: t_паузы_i=T_on/(2·N_каналов);

Рисунок 6. Графическая иллюстрация алгоритма комплексного управления группой НЭСТ в составе СОТР

5. Продолжительность включения одного (i-го) канала: t_on_i=T_on/(2·N_каналов);

6. Коэффициент заполнения или рабочий цикл для ОДНОГО (i-го) канала СОТР: d_i=t_on_i/T;

7. Текущий номер серии рабочих импульсов (разрешения на работу) каналов (за пределами T_off): n;

8. Мгновенное значение момента времени включения i-го канала СОТР, для n-го номера серии импульсов:

t(i, n)=t_on_i·i+t_паузы_i·(i-1)+T·(n-1).

Таблица 1.

Численная реализация алгоритма комплексного управления группой НЭСТ в составе СОТР (тайминги МК)

3. Упрощённая структурная схема и основные характеристики разрабатываемого АИС для НЭСТ

Существенным недостатком технических средств испытаний НЭСТ, используемых в настоящее время, является человеческий фактор и ручной труд. Для устранения указанного недостатка автором разработана замкнутая по температуре корпуса КА (ИП АИС) система регулирования. В процессе исследования получена линеаризованная SPICE-модель НЭСТ по электрическому току и напряжению для последующего синтеза регулятора и формулирования законов регулирования микроконтроллера (МК) в составе СОТР. Решение исходной модели осложнялось наличием нелинейности: квадратичная зависимость мощности НЭСТ от напряжения и тока. Известным методом решения поставленной задачи является линеаризация нелинейных зависимостей. В частности, в результате разложения известных квадратичных зависимостей мощности НЭСТ в ряд Тейлора получены линеаризованные уравнения мощности нагревателя в функции напряжения и тока.

Анализ полученных математических моделей, представленных передаточными функциями, свидетельствует о том, что обеспечить процесс регулирования напряжения, тока и, как следствие, мощности в функции температуры корпуса КА возможно путём синтеза замкнутой системы  автоматического регулирования с обратной связью по температуре, установления законов регулирования и разработки на их основе программного обеспечения для МК, обеспечивающих регулирование коэффициентов усиления передаточных функций регулятора в функциональной температурной зависимости. При реализация этой концепции автором была предложена структурная схема АИС, предназначенного для контроля параметров и испытаний НЭСТ с имитацией СОТР КА (рисунок 7).

Рисунок 7. Структурная схема автоматизированного стенда контроля параметров и испытаний НЭСТ с имитацией СОТР КА

Заключение

Предложенный автором Алгоритм управления заключается в чередовании временных моментов включения каналов управления с мёртвым временем и временем релаксации АБ, что позволяет оптимизировать режимы работы СЭС КА и СЭС испытательного стенда НЭСТ по энергетической эффективности (в том числе по электромагнитной совместимости силовых энергетических каналов и слаботочных каналов управления, как в составе КА, так и в составе испытательного стенда (ИС)). Кроме этого, предложенный режим «мягкой коммутации» НЭСТ позволяет:

– снизить пиковую максимальную мгновенную нагрузку на АБ, силовые ключи и НЭСТ, что в свою очередь снижает в общем нагрузку на СЭС КА и СЭС испытательного стенда в целом;

– повысить коэффициент энергетической эффективности использования АБ за счёт снижения максимальных пиковых значений тока общей импульсной нагрузки и тем самым увеличить разрядную ёмкость АБ, обеспечивая возможность получения большего количество энергии от АБ до момента полного её разряда и продлить время разряда АБ;

– продлить срок службы АБ за счёт смягчения режимов её работы и обеспечения цикличности (ритмичности) её работы, тем самым повысить живучесть КА в целом, что особенно актуально в случае возникновения внештатных ситуаций, связанных с отказом альтернативных систем питания КА (т.к. солнечные панели, электрохимические источники тока, энергетические реакторы и др.);

– снизить взаимное влияние каналов управления НЭСТ друг на друга на энергетическом (силовом) уровне в составе СОТР, что особенно актуально при высоком значении внутреннего сопротивления АБ (обусловленного глубоким разрядом, износом или старением АБ);

– снизить уровень (энергию) электромагнитных помех, благодаря снижению пиковых значений тока разряда АБ и отказа от синхронной одномоментной работы силовых ключей;

– снизить стоимость комплектующих СОТР КА и СЭС ИС, за счёт снижения пиковой нагрузки и, следовательно, номинальных значений комплектующих этих систем.

Совместное использование предложенных автором Комплексной тепловой SPICE-модели и Алгоритма управления НЭСТ в составе СОТР составляет основу нового подхода (метода) моделирования и испытаний НЭСТ и позволяют:

– регламентировать (формализовать, параметризировать) алгоритмы испытаний НЭСТ (равно как и алгоритм работы испытательного стенда НЭСТ);

– прогнозировать и выявлять на ранних стадиях отклонения множества параметров группы НЭСТ в партии до начального этапа эксплуатации.

Список литературы:

1. Финченко В.С., Котляров Е.Ю., Иванков А.А. Системы обеспечения тепловых режимов автоматических межпланетных станций: науч. издание / Под ред. В.В. Ефанова и В.С. Финченко. Изд-во АО «НПО Лавочкина», 2018. 400 с.
2. Луконин Н.В., Головенкин Е.Н., Дмитриев Г.В., Шестаков И.Я. Увеличение эффективности исполнительных устройств системы терморегулирования космических аппаратов в условиях открытого космоса // Космические аппараты и технологии. 2019. Т. 3, № 4. С. 209-215. doi: 10.26732/2618-7957-2019-4-209-215.
3. Чеботарев В.Е., Фаткулин Р.Ф., Дмитриев Г.В., Луконин Н.В. Методика проектирования электрообогревателей негерметичного космического аппарата // Космические аппараты и технологии. 2022. Т. 6, № 4. С. 229-234. DOI: 10.26732/j.st.2022.4.01.
4. Ширшаков А.Е., Карчаев Х.Ж., Моишеев А.А., Лоханов И.В. На шаг впереди (к 80-летию ОКБ НПО имени С.А. Лавочкина) // Вестник НПО им. С.А. Лавочкина. 2019. № 2. С. 3-18.
5. Сеньшина Т.А., Холяков А.Е., Панин Ю.В., Борщев Ю.П. Обзор применения аддитивных технологий в тепловых агрегатах с фазопереходными процессами и пути совершенствования их конструкции на основе этих технологий // Вестник НПО им. С.А. Лавочкина. 2023. № 3. С. 81-87.
6. Моишеев А.А. Наш Георгий Николаевич Бабакин (к 110-летию со дня рождения) // Вестник НПО им. С.А. Лавочкина. 2024. № 3. С. 3-12.
7. Луконин Н.В., Дмитриев Г.В., Морозов П.С., Шестаков И.Я. Способ изготовления электронагревателей повышенной эффективности космических аппаратов негерметичного конструктивного исполнения // Решетневские чтения. 2017. № 21-1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sposob-izgotovleniya-elektronagrevateley-povyshennoy-effektivnosti-kosmicheskih-apparatov-negermetichnogo-konstruktivnogo (дата обращения: 17.06.2022).
8. Вятлев П.А., Шеманов А.Г., Харитонов С.Г., Мишин Ю.Н. К вопросу изготовления фольговых электронагревателей космического аппарата лазерными технологиями // Вестник НПО им. С.А. Лавочкина. 2020. № 1. С. 68-74.
9. Бугрова А.Д., Гуров Р.И., Котляров Е.Ю., Бондаренко В.А. Особенности построения и функционирования систем терморегулирования негерметичных приборных отсеков посадочных аппаратов АО «НПО им. С.А. Лавочкина» // Тепловые процессы в технике. 2021. Т. 13, № 1. С. 12-23.