阿尔法磁谱仪热控制系统在轨运行规律研究

摘要

本文以阿尔法磁谱仪(AMS)电子设备热控制系统为研究对象，基于实际飞行数据，论证了热控系统设计思路的正确性和有效性，分析了阿尔法磁谱仪探测器热控制系统在轨运行的基本规律，研究了国际空间站(ISS)的操作对阿尔法磁谱仪热控制系统的影响，分析了在运行过程中出现的温度预警现象规律和原因，并提出了基于调节热环境的热控制建议。
　　本文首先介绍了AMS实验的目的、意义以及已经获得的物理学结果。本文分析了国际空间站上的外部热环境、AMS自身内部热负荷情况以及热要求，介绍了AMS热控制系统的方案。由于例子探测需要以及与国际空间站相配合，AMS热控制系统设计思路与以往航天器的“完全包覆式”热控制不同，AMS热控制设计使用了大热容材料应对近地轨道热环境的周期性剧烈变化。电子设备热控制系统实际运行数据表明，电子设备成功启动，启动过程温度曲线与模拟结果吻合;断电时各电子箱均能保持在最低存活温度以上;热工况中各电子箱温度低于最高存活温度;轨道周期内温度波动处于允许的范围内。长时间飞行数据证明了热控制系统设计思路的正确性以及热控制系统的有效性。
　　AMS在国际空间站上运行后，在监控过程中发现，AMS热控制系统运行状态受到国际空间站β角的明显影响，并呈现出一定的规律性。由于温度测点过多（1100多），温度数据量过大（每分钟读取一次温度数据），轨道周期内温度波动明显，本文选取AMS主散热器上的8个测温点，基于三年的温度数据(2011.06.01-2014.05.31)，用一个轨道周期内算术平均温度代表轨道周期温度水平，得到了AMS局部温度随口角变化规律，并通过数学拟合对变化规律进行了描述。温度变化规律给出了AMS主散热器的冷热工况β角区间，并且显示在特定β角区间，RAM主散热器会发生温度骤变现象，并分析了原因。通过计算轨道周期内温度变化标准差，进一步分析了轨道周期内温度波动随β角的变化规律。使用双三次样条插值构建不同β角下的散热器温度场，温度场表明，主散热器整体温度随β角变化与轨道平均温度随β角变化一致，并在较冷工况时会激活加热器，对低温区域加热效果明显，热控制是有效的。基于飞行数据对运行规律的研究为AMS长时间（～20年）在轨运行提供了热控制参照依据。
　　除了正常运行状态外，国际空间站会因执行任务而进行一些特殊操作，主要有锁定太阳光伏面板、改变飞行姿态以及调整空间站右舷侧主散热板的固定角度。锁定太阳能光伏面板是出现次数最多的操作，通常会造成主散热器温度下降。由于在轨运行的复杂多变，本文选取了47次锁定太阳能光伏面板的操作和WAKE主散热器上四个温度测点，计算了操作发生后两个轨道周期内的温度下降幅度，通过统计分析发现，该操作对WAKE主散热器造成的温度下降幅度随β角变化呈现出一定的规律性。较低β角时，温度下降幅度通常更大。β处于正极值时锁定太阳能光伏面板也会造成WAKE散热板温度大幅下降，会自动激活PDS加热器。飞行姿态调整通常不会对AMS的温度造成重大影响。调整俯仰姿态是国际空间站调整最频繁的飞行姿态，对AMS影响较小;后端向前的飞行姿态使用较少，在这种姿态中（β≈-51°），AMS局部温度与其在相反β角时的走势类似;在一些复杂的姿态调整中，AMS主散热器温度受到明显影响，但仍处于安全运行范围之内;在侧向飞行姿态中，WAKE主散热器长时间受到照射，处于极热工况，而RAM主散热器不受太阳照射，处于极冷工况，电子设备热控制系统能够成功保障电子元件处于所要求的温度范围之内。调整国际空间站右舷侧主散热板角度对AMS左舷侧和WAKE主散热器的温度会有影响，这是因为散热板面能够向上述位置反射太阳辐射热。通过计算得出了一定β角下右舷侧主散热板对AMS反射太阳热辐射的最高效率角度，并通过对比不同工况中的WAKE主散热器温度场验证了计算。国际空间站操作对AMS局部温度的影响本质上是因为其短暂改变了AMS所处的热环境，本研究不仅为AMS长期在轨运行热控制提供了参照依据，也为太空平台上的科学仪器热控制设计提供了参考。
　　AMS在运行过程中，少数工况下的个别部件会由于外部热环境的变化出现温度预警现象。处于温度预警中的部件能够正常运行，但需要采取措施防止温度进一步恶化。重点分析了国际空间站特殊操作对TRD气体循环箱（低温预警）、硅微条探测器第一层（低温预警）和下层飞行时间计数器中的光电倍增管（高温预警）的温度影响。通过拓展使用前文规律分析方法，得到了轨道周期最低（高）温随β角变化的规律，进一步得到了易发生温度预警的β区间，并分析了国际空间站操作对发生温度预警部件的影响。基于这些外部热环境因素的影响，提出了对应的热控制操作建议，为AMS在轨运行热控制提供了额外可选择的方法。
　　本文的研究为太空中科学仪器的热控制设计提供了新的思路，为太空承载平台上的科学仪器热控制系统设计和热控制方法提供了参考，为AMS长期在轨运行提供了热控制参照依据。