_嫦娥五号_月球探测器隔热组件高温模拟与控制技术_朱熙.docx

《_嫦娥五号_月球探测器隔热组件高温模拟与控制技术_朱熙.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《_嫦娥五号_月球探测器隔热组件高温模拟与控制技术_朱熙.docx（7页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、第36卷笫2期航天器环境工程Vbl.36,No.22019年4月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING171E-mail:htqhjgc Tel:(010)68II6407, 68116408, 68116544(C) 1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. “嫦娥五号”月球探测器隔热组件高温模拟与控制技术朱熙，葛哲阳，邹世杰，郭赣，王奕荣(北京卫星环境工程研究所，北京100094)摘要：“嫦娥五号”月球探测器在着陆时要承受相当大的着陆冲击载荷

2、，一般采用大推力器来降低其着陆速度。推力器附近的隔热组件由于受到辐射和羽流的综合影响，其温度会在140s内达到1000C左右。文章利用在真空条件下红外加热的方法，采用非线性变增益PID控制器对隔热组件进行温度控制，以模拟发动机工作的温度边界条件。为此，研究了红外灯加热器的动态特性和高精度快速温度控制算法，并在真空容器内搭建高温模拟与控制系统，进行了该模拟方法的试验测试及验证。研究结果表明：对于970C的目标温度，控制算法使隔热组件温度达到稳定状态的时间为135s,超调量为0.5C,在实际试验中取得良好的控制效果。关键词：隔热组件；红外灯；高温模拟；温度控制；非线性PID中图分类号：V416.5

3、;0231.2文献标志码：A文章编号：1673-1379(2019)02-0171-05DOI:10.12126/see.2019.02.012HightemperaturesimulationandcontrolformultilayerinsulationofChang9E-5lunarlanderZHUXi,GEZheyang,ZOUShijie,GUOGan,WANGYirong(BeijingInstituteofSpacecraftEnvironmentEngineering.Beijing100094,China)Abstract:TheChangE-5lunarlanderis

4、subjectedtoaconsiderableimpactloadduringlanding,andahighthrustthrusterisgenerallyusedtoreduceitslandingspeed.Inthethermalinsulationcomponentnearthethruster,affectedbytheradiationandtheplume,atemperatureashighas1000wouldlikelybereachedwithin140seconds.Inthispaper,aninfraredlampundervacuumconditionsis

5、usedtosimulatethehightemperature,withanonlinearPIDcontrollertocontrolthetemperatureofthemultilayerinsulationfbrsimulatingthetemperatureboundaryconditionofthethruster.Thedynamiccharacteristicsoftheinfraredlampheaterarerevealedbythehighprecisionfasttemperaturecontrolalgorithm.Thehightemperaturesimulat

6、ionandcontrolsystemisbuiltinthevacuumchamber,andthetestandtheverificationofthemethodarecarriedout.Itisshownthatfbrthetargettemperatureof970C,thecontrolalgorithmensuresthatthetemperatureofthemultilayerinsulationreachesitssteadystateinnotmorethan135seconds,withanovershootissmallerthan0.5C,whichmeansag

7、oodcontroleffectintheactualtest.Keywords:multilayerinsulation;infraredlamp;hightemperaturesimulation;temperaturecontrol;nonlinearPIDcontrol收稿日期：2018-11-20;修回日期：2019-02-12基金项目：国家重大科技专项工程引用格式：朱熙，葛哲阳，邹世杰，等.“嫦娥五号”月球探测器隔热组件高温模拟与控制技术航天器环境工程,2019,36(2):171-175ZHUXfGEZYfZOUSJ,etal.Hightemperaturesimulationa

8、ndcontrolformultilayerinsulationofChangE-5lunarlanderJ.SpacecraftEnvironmentEngineering,20/9,36(2):171-175172航天器环境工程第36卷0引言我国“嫦娥五号”月球探测器的目标是实现月球月壤采样并返回地球。月球探测器在着陆时一般采用大推力器来降低其着陆速度。推力器附近的隔热组件由于受到辐射和羽流的综合影响，会在短时间内达到很高的温度。根据“嫦娥五号”月球探测器的研制要求，需要对其中的隔热组件在真空环境下进行瞬态高温热性能试验，即在140s内将其温度准确控制到970,并且温度超调量不大于5,以模

9、拟多层隔热组件朝向发动机一侧的温度边界条件，考核隔热组件的隔热性能。红外灯是红外模拟系统中的一种常用加热器，具有功率动态控制能力强、遮挡小、可重复使用、无污染等优点，在航天器热模拟试验中得到广泛使用。红外灯可提供色温高达2450K的辐射热流,与其他加热器相比更接近发动机喷管的辐射特性。因此，采用高密度的红外灯阵列不仅可以提供较高的热流密度，而且可以准确地模拟发动机喷管的辐射特性。美国NASA的兰利和德莱顿研究中心”、俄罗斯中央机械研究院强度研究所、德国DLRIABG实验室，都将红外灯作为高速飞行器气动加热试验模拟的主要手段。刘守文等67】通过对红外灯特性的研究，得到了其空间热流分布函数；研究了

10、用红外灯阵实现瞬变热流的模拟技术，解决了红外灯用于航天器真空热试验中的一些技术问题；并对航天器真空热试验用红外灯的光谱分布进行研究，通过对红外灯电流、电阻的相关分析和数值拟合，建立了红外灯的功率计算模型。在温度控制算法方面，季月明在常温大气条件下建立了红外灯作为加热源实现试件温度控制的试验装置，采用了模糊控制理论，仿真计算以及具体试验表明：该控制方法具有适应性强、控制精度高、可明显抑制试验系统温度滞后的优点。张军等研究了通过极点配置自适应PID控制器的设计，较好地解决了航天器热真空试验中控制系统智能性差和超调量大的问题。本文在研究真空热试验红外灯特性的研究基础上，对红外灯不同的控制方式进行研究

11、，提出了采用功率控制代替常规的电流控制的新方法；通过对高精度快速温度控制算法的研究，采用双曲余弦变增益环节的非线性PID控制器对“嫦娥五号”月球探测器隔热组件进行温度控制，以满足既具备快速升温能力又保证隔热组件温度控制过程中具有较小的超调量。1红外灯动态特性研究一般通过电流控制红外灯，即由程控电源输出某一电流值，将该电流值加载至红外灯从而对试件进行加热。由于红外灯的电阻值随着温度的升高会迅速增大，使其具有很强的非线性和时变特性。对于非线性特性，可以设计非线性环节予以抵消口叫而动态时间常数具有较大变化范围的时变特性会对系统动态特性产生很大的不确定性影响1。为了实现红外灯的快速升温，必须对其时变特

12、性进行研究，选择合适的控制方式减小其动态时间常数。在冷态（红外灯的灯丝温度处于常温）情况下对红外灯加载电流，在同一电流情况下测试60s,每隔3s读取红外灯的功率。图1是电流由0A阶跃至2A后的功率变化曲线，图2是电流由0A阶跃至3A后的功率变化曲线。从图1和图2可看出，红外灯的输入电流发生阶跃变化时功率的变化呈现为一阶惯性环节。图1电流由0A阶跃至2A时红外灯的功率变化曲线Fig.1 The power curve of the infrared lamp after the currentis jumped up from 0 A to 2 A图3红外灯功率随电流变化曲线Fig.3Thepo

13、weroftheinfraredlampagainstthecurrent对红外灯加载不同的电流，测试红外灯在该电流下的时间常数。并根据电流与稳态功率的对应关系，对红外灯加载与该电流对应的功率，测试红外灯在该功率下的时间常数。图4是红外灯在电流控制和功率控制下的时间常数对比，可看出红外灯的时间常数随着电流或功率的增加而迅速减小，采用功率控制比电流控制的时间常数更小，当红外灯的功率大于200W时，其时间常数小于1s。图2电流由OA阶跃至3A时红外灯的功率变化曲线Fig.2Thepowercurveoftheinfraredlampafterthecurrentisjumpedupfrom0Ato

14、3A根据图1、图2电流与功率的开环响应曲线,可以用一阶惯性模型近似表示红外灯电流与功率的图4红外灯时间常数随电流/功率变化曲线Fig.4Timeconstantoftheinfraredlampagainstthecurrent/power2期朱熙等：“嫦娥五号”月球探测器隔热组件高温模拟与控制技术173关系，其开环传递函数如式(1)所示。它的关键参可见采用功率控制能使红外灯具有更快的动态数有2个，即开环增益K和口寸间常数兀KG(s)=。(1)Zv+l在冷态情况下，以0.15A为间隔对红外灯加载不同电流，每个电流加载60s,读取每个电流对应的红外灯功率。图3是电流由0A加载至4.95A的功率变

15、化曲线。从图3可看出，红外灯的功率随着电流的增加迅速增大。响应速度，从而大幅降低红外灯的时变特性对系统动态特性产生的不确定性影响。2高精度快速温度控制算法2.1 系统模型“嫦娥五号”月球探测器隔热组件(以下简称隔热组件)温度控制系统模型如图5所示。控制器Q幻/Gp(s)G.()-非线性PID增益被控对象+图5隔热组件温度控制系统模型Fig.5Systemmodelfbrtemperaturecontrolofmultilayerinsulation控制器由变增益环节上和PID控制器Gp(s)航天器环境工程174苑晟，被控对象由二阶线性环节G(S)来表示，其Gp(s)=K(l+TPds),(2)0WnGc(s)=。