神舟载人飞船流体回路动态仿真研究

付 杨，范宇峰，于新刚，曹剑峰

(北京空间飞行器总体设计部空间热控技术北京市重点实验室，北京100094)

1 引言

流体回路系统在现今的大型航天器上得到了广泛的应用，例如国际空间站，我国的神舟飞船和天宫一号飞行器［1］。整个流体回路是一个复杂的系统，包括散热、流动、补偿等多种功能。在实际飞行过程中，整个系统会受到多方面的影响，比如飞行姿态的变化造成外热流的变化，并对辐射器的散热能力造成影响;大功耗设备的开关会使系统散热能力突然增加或减小;温度控制点的变化影响系统运行状态等。这就需要流体回路系统具有较好的控制稳定性，对系统的控制策略和算法有较高的要求。

国内，张立等［2］对单相流体回路的热性能和流动性能等进行了研究，并在SINDA/FLUINT下建立了仿真模型。付仕明等［3］使用 SINDA/FLUINT模型对大型航天器的回路系统进行建模。徐向华等［4］对流体回路进行了建模，并分析了系统重量与设计流量的关系。赵亮等［5］对航天器的流体回路系统进行数学建模，并比较了多种控制方法的控制性能。上述建模中主要对系统部件进行数学理论建模，并主要用于系统的稳态分析，由于数学模型与实际有差异，较难应用于动态分析，国内的动态建模仿真数据与实际数据的比较还未见报道。

对于实际控制算法和策略的优化，较为精确、和实际部件吻合较好的仿真模型显得尤为重要。本文以我国神舟飞船流体回路系统为物理模型，在Flowmaster软件下对部件进行建模，并通过部件的实际性能进行修正，得到与实际相吻合的部件的动态模型，在此基础上建立流体回路仿真模型，并对仿真结果与实际数据进行分析比较。

2 神舟飞船流体回路部件建模与仿真

流体回路部件众多，各个部件功能不同。流体回路系统通常由泵、补偿器、液-液换热器、气液换热器、冷板、温控阀和辐射器等组成。典型的流体回路原理如图1所示。［6］

图1 典型流体回路原理图Fig.1 The schematic diagram of a typical liquid loo p

在建模过程中，需要考虑每个部件传热和流动的特性。辐射器是唯一的散热设备，其动态特性决定了系统的散热特性;温控阀为主要的控温作动部件，其流体调节特性决定了系统的控制特性;补偿器作为系统压力补偿部件，同时决定了流体回路的工作压力。泵为系统动力提供部件，其工作状态决定了系统的压力和流量。其余的部件为热量的输入输出部件，如换热器和冷板，其他无传热特性的部件可以作为流动阻力部件进行模拟。下面对流体回路中辐射器、补偿器、温控阀、泵、冷板和换热器的建模进行具体分析。

2.1 辐射器

流体回路辐射器主要结构由管路与其相连接的蒙皮构成，管路相间分布［7］。可以简化辐射器传热单元如图2所示［8］。

图2 辐射器单元传热过程示意图Fig.2 The schematic diagram of the heat transfer in the radiator unit

辐射器工作原理为:流体回路收集飞行器设备的散热，并通过流体回路工质与辐射器管壁的对流换热传递到辐射器管壁，再通过辐射器结构的热量传导分散到辐射器表面，最后通过辐射器表面辐射到外层空间。辐射器传热过程是对流、导热和辐射的综合过程，辐射器传热的性能由这三种形式决定。

对辐射器蒙皮散热进行分析，从辐射器蒙皮与流体管连接处向两侧进行传热单元的划分，其散热示意图如图3所示。

图3 辐射器蒙皮换热示意图Fig.3 The schematic diagram of the heat transfer in the radiator plate

以第n个传热单元为例，当热平衡时，翅片温度不变，热容不变，遵循公式(1)。

式中:dQn－1为第n－1个单元向第n个单元传递的热量，dQn为第n个单元向第n+1个单元传出的热量。dQ外热流为单元所受的外热流热量。dQ辐射散热为第n单元外表面辐射散热量，其遵循斯蒂芬-波尔兹曼定律。

辐射器散热动态模型必须考虑辐射器的热容，包括辐射器管路内工质的热容和辐射器本身的热容。我们使用Flowmaster提供的热桥部件中设置液体体积对工质的热容进行模拟，使用附件质量部件来对辐射器结构热容进行模拟。附加质量的传热特性可以表示为公式(2)［9］。

式中，Qmass为辐射器辐射散热量，h为换热系数，Tmass为辐射器温度，T工质为工质温度，Cp为辐射器材料的比热容，Mmass为辐射器质量，ΔTmass为辐射器温度变化。

2.2 补偿器

补偿器工作原理为:在一密封容器中充入一部分气体，当管路内工质由于温度升高而体积膨胀时，工质流入补偿器，压缩气体，气体体积减小;当管路内工质由于温度降低而体积缩小时，工质流出补偿器，气体体积增大。利用气体的体积变化补偿流体回路工质体积的变化，从而维持管路内压力在一定合适范围。其工作原理图如图4所示［10］。

图4 补偿器工作原理图Fig.4 The working principle of the accumulator

补偿器工作时，各个时刻(0…n)其气体部分遵循公式(3)［9］。

式中:P0…Pn和V0…Vn分别代表不同时刻气体的压力和体积。

通过建立流体工质的物性曲线，在仿真的过程中根据工质温度实时计算工质的物性参数，可以模拟工质由于热胀冷缩造成的体积变化，反应在模型部件进出口体积流量的不同。例如辐射器出口温度低于入口温度，其出口的体积流量小于入口体积流量。流体回路模型各部件中体积变化最终反映在补偿器液位随环境温度的周期性变化上。

2.3 温控阀

温控阀为流体回路的控温部件。为了使泵在一个合理的范围内工作，神舟飞船流体回路温控阀采用三通设计，通过调节温控阀去往辐射器流量的大小，来实现温度的调节。

对温控阀的建模主要是模拟温控阀对流量的分配，本文通过对系统流阻进行匹配建模来实现温控阀对流量的分配。实际温控阀的转动受电机转速的限制，在温控阀仿真中，对每时刻的开度编写程序进行模拟，以达到与实际情况相吻合。

2.4 泵

泵为系统工质流动提供动力，驱动流体在系统中循环流动。对泵的建模需要构建泵的实际工作状态。当系统中阀门动作时，系统状态发生变化，流动阻力也发生相应变化。泵的流量与压头需要与系统阻力相匹配［1］。为了模拟泵随系统阻力变化输出流量和压头的不同，通过分析泵试验数据，建立泵压头与流量曲线，泵转矩与流量曲线。在系统模拟运算中，根据系统阻力与流量对泵状态进行求解，从而得到泵实际运行状态。

2.5 冷板和换热器

冷板主要为飞船大功耗设备提供散热。冷板构型为薄型的单层换热器，设备安装于其表面，冷却流体工质流动于其内部，通过冷板结构与设备的导热和冷板内部流体的流动换热，设备的热量被传递到流体中，从而使设备的温度降低。［1］在实际建模中，可以考虑成一个热流输入。

换热器的建模利用Flowmaster提供的板翅式换热器模型，可以方便的对换热器进行模拟。

3 流体回路建模

对上述辐射器、补偿器、温控阀、泵、冷板和换热器的部件建模的基础上，对神舟飞船流体回路整体进行建模，如图5所示。系统为内外两个回路，内外回路通过一个液-液换热器进行热量的耦合，其中控制部件主要在外回路，内回路主要模拟内回路收集的热量、流量和系统的热容［9］。

图5 流体回路系统模型图Fig.5 The model of the liquid loop system

神舟飞船流体回路控制采用闭环控制，为典型的负反馈系统和典型的定值控制系统。系统将温度控制点采集的温度信号经过控制算法的处理直接反馈到温控阀输入端，从而形成闭环控制。由于存在设备散热量的变化，以及外部空间外热流的变化等干扰的存在，使得系统实际输出偏离温度设定点，系统自身便利用负反馈产生的偏差所取得的控制作用去消除偏差，使系统温度恢复到控温设定点上［5］。本文模型中采用神舟飞船应用的成熟控制算法，此算法经过多次飞行验证。神舟飞船流体回路控制采用模糊控制方法，通过控温点采集数据与设定值比较，根据偏差量以及偏差量的变化，查询模糊控制矩阵，从而得到反馈值。

4 神舟飞船流体回路仿真结果及评价

使用动态模型，仿真模拟神舟飞船地面热平衡试验工况。

图6为3个工况下辐射器出口仿真温度与实际出口温度对比，其中B和C图的系统散热量不同。可以看出仿真数据和实际数据吻合较好。

图6 辐射器出口温度仿真结果和试验数据对比(点数据为试验数据)Fig.6 Comparison of the simulation result and the experimental data of the temperature on the radiator exit(the experimental data is shown by dots)

图7 为泵和温控阀联合建模之后系统流量匹配和分配结果，可以看出，泵与温控阀的建模可以较好的模拟系统真实的流量分配和流量的变化。

图7 温度阀开度与流量模拟数据和试验数据曲线(点数据为试验数据)Fig.7 Comparison of the simulation result and the experimental data of the valve position(the experimental data is shown by dots)

图8 为温控阀开度仿真数据，模型中设置系统初始状态为发射状态，离控温点差距较大，故当入轨控制启动后，为了快速达到控温点，温控阀开度达到最大，并随着系统温度水平降低逐步关小，最后达到平衡。平衡后由于阳照区和阴影区外热流不同而周期波动。此过程和飞行器发射后入轨状态一致，仿真结果反映实际趋势。图9为温控阀开度热平衡试验(平衡后)实际数据。可以看出采用实际控制算法的仿真模型可以较好的模拟温控阀实际的开度状态。

图8 温控阀开度模拟仿真结果Fig.8 The simulation result of the valve position

图10 为神舟飞船流体回路控温点仿真结果，模型中初始为发射状态，当模拟入轨控制启动后，温度快速下降，最后达到平衡，在整个阳照区和阴影区交替循环的工况中，控温点稳定在8±0.3℃。

图9 温控阀开度试验结果(平衡后)Fig.9 The experimental data of the valve position(balanced)

图10 流体管路温度控制点模拟仿真结果Fig.10 The simulation result on the temperature control point

图11 为补偿器液位仿真数据，初始数据与发射时数据一致，在入轨后控制启动，液位随着温度的下降而下降，平衡后随着阳照区和阴影区不同而周期波动。图12为热平衡试验(平衡后)数据，可以看出仿真模型可以较好的模拟回路内工质随环境温度改变而造成的热胀冷缩现象。

图11 补偿器液位模拟仿真结果Fig.11 The simulation result of the accumulator

图12 补偿器液位试验结果(平衡后)Fig.12 The experimental data of the accumulator(balanced)

5 结论

通过神舟飞船流体回路仿真模型数据与实际数据的比较，仿真模型能较好地动态模拟流体回路系统各点的温度、压力和流量状态，并对飞行器流体由于温度变化造成其体积的变化进行较好的模拟，把实际控制策略与仿真模型相结合，较好的模拟系统控制策略的动态执行情况。应用此模型可以对流体回路系统的控制算法和策略的优化进行进一步的分析优化。也能应用于诸如系统工质泄漏分析、压力波动分析和系统控温点选取等相关分析。

［1］侯增祺，胡金刚.航天器热控技术—原理及其应用［M］.北京:中国科学技术出版社，2007:242-253.

［2］张立，范含林.单向流体回路系统的性能集成分析［J］.中国空间科学技术，2004，24(4):11-17.

［3］付仕明，徐小平，斐一飞.空间站集成全局热数学模型的建模和分析［J］.航天器环境工程，2010，27(1):75-79.

［4］徐向华，程雪涛，梁新刚.载人航天器主动热控制系统流体回路的优化设计［J］.宇航学报，2011，32(10):2285-2293.

［5］赵亮，满广龙，曹剑峰，等.单相流体回路控温算法建模与仿真分析［J］.航天器工程，2011，20(6):8-43.

［6］闵桂荣，郭舜.航天器热控制［M］.第2版.北京:科学出版社，1998:216-221.

［7］Gilmore D G.Spacecraft thermal control handbook［M］.Second edition.EI Segundo，CA:The Aerospace Corporation Press，2002:91-121.

［8］付杨，范宇峰.流体管路辐射器动态散热性能仿真方法［C］//第十一届空间热物理学术会议论文集.北京:2013:232-236.

［9］Flowmaster Reference Help［CP/CD］.Ver 7.5，Flowmaster，Inc.，Northants，England，U.K.，2007.

［10］范宇峰，黄家荣.热控流体回路补偿器的热计算方法［J］.宇航学报.2008(03):826-830.