（通信与信息系统专业论文）面向工程件的ttpp驱动板的设计与实现.pdfVIP

面向工程件的t t p p 的设计与实现 专业：通信与信息系统 硕士生：李华龙 指导教师：倪江群教授 摘要 本论文选题来自国家科技部2 0 0 3 年“国际科技合作重点项目计划”中的“阿 尔法磁谱仪( a m s ) 轨迹探测器热控制系统( t t c s ) 的研制”项目。由中国中 山大学、美国麻省理工学院、荷兰航空航天局等科研机构合作研制的t t c s 系统 对硅微条探测器三至五年的太空运行起着关键的温度保障作用。中山大学t ic s 系统研发团队包括电子组、热工组和机械组。电子组负责t t c s 系统电子控制子 系统( t t c e ) 的研制。 轨迹探测器热控系统压力和泵驱动板( t t p p ) 作为t t c e 中的主要驱动电 路板，承担了采集绝对压力传感器肘目对压力传感器( a p s d p s ) 信号和泵( p u m p ) 转速信号，接受t t e c 的控制信号并控制泵和阀门( v a l v e ) 等重要部件的任务， 其功能的实现和性能的高低直接决定着t t c e 的系统性能表现。 r r p p 的研制分为工程件和飞行件两个阶段。工程件是对t t p p 设计理念的 验证性实现，在功能、可靠性及稳定性等方面的向飞行件的改进提供依据；飞行 件则是针对t t p p 运行的空间环境，在防干扰、防辐射、防震动等方面对工程件 设计进行改进，使” p p 达到空间运行要求。 论文首先分析了r r p p 的整体需求，然后从整体架构、硬件设计、软件设计 和测试四部分进行叙述。r r p p 具体的模块包含三个，分别是p u m p 驱动控制模 块、a p s d p s 驱动控制模块和v a l v e 驱动控制模块。本文对每个模块进行了介绍 和需求分析，接着进行芯片选择和硬件设计，然后进行相对应的软件设计，最后 是测试环境建立、测试和测试结果分析。由于t t c s 项目的限制，目前的对t t p p 工程件的测试验证仅局限在仿真环境，在真实t t c s 回路中的运行情况将有待进 一步验证。 关键词：阿尔法磁谱仪0 2 ，轨迹探测器热控系统，驱动板，泵，压力传感器 l i t i t l e ：t h ee n g i n e e r i n gm o d e lo r i e n t e dd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f t t p pb o a r d m a j o r c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e ：l ih u a l o n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r n ij i a n g q u n a b s t r a c t t h et h e s i sb a s e so nt h ep r o j e c t t h ed e v e l o p m e n to fa l p h a - m a g n e t i c s p e c t r o m e t e r ( a m s ) t h a c k e rt h e r m a lc o n t r o ls y s t e m ( t i c s ) ”，w h i c hw a so n eo f t h e k e yp r o j e c t so f i n t e r n a t i o n a ls c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a lc o o p e r a t i o n l e a d e db y m i n i s t r yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fc h i n ai n2 0 0 3 a m s ，w h i c hi n c l u d e st w o p h a s e s a m s - o la n da m s - 0 2 ，i st h ei n t e r n a t i o n a lp r o j e c tc o l l a b o r a t e db y5 6r e s e a r c h i n s t i t u t e so f15n a t i o n s , a i m i n ga ts e a r c h i n gf o r t h ea n t i - m a t t e ra n dd a r km a t t e ri nt h e s p a c ea n ds t u d y i n gt h ei n g r e d i e n t sa n de n e r g yc h a r t so fc o s m i cr a d i a l d e v e l o p e d c o o p e r a t i v e l yb ys u ny a t - s e nu n i v e r s i t y ( c h i n a ) ，m a s s a c h u s o t t e s i n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ( u s a ) ，n a t i o n a la e r o s p a c el a b o r a t o r y ( n e t h e r l a n d s ) ，t r a c k e rt h e r m a l c o n t r o ls y s t e m ( t t c s ) ，p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nk e e p i n gt h et e m p e r a t u r ea ta c e r t a i nl e v e ls ot h a tt h et r a c k e rc a no p e r a t ee f f e c t i v e l yf o r3 - 5y e a r si nt h es p a c e a s o n eo ft h em e m b e r si nt t c sd e v e l o p m e n t ，s u ny a t s e nu n i v e r s i t yh a st h r e et e a m s w o r k i n gc o l l a b o r a t i v e l y , n a m e l y , t h ee l e c t r o n i cg r o u p , t h et h e r m a lg r o u pa n d m e c h a n i c a l g r o u p s p e c i f i c a l l y , t h e e l e c t r o n i cg r o u pi sr e s p o n s i b l ef o rt h e d e v e l o p m e n to f t r a c k e rt h e r m a lc o n t r o le l e c t r o n i c s ( t r e e ) ，o n eo f t h es u b s y s t e m s i l l t r c s a st h ed r i v i n gb o a r do ft t c e ，t r a c k e rt h e r m a lc o n t r o ls y s t e mp u m pa n d p r e s s u r ec o n t r o lb o a r d ( 1 r p p ) i ss e r v e dt oa c q u i r ed a t ao f t h ep r e s s u r eo f t t c sl o o p , c o n t r o lt h es p e e do f t h ep u m p sa n ds w i t c ho f t h ev a l v e si nt h el o o p , i no r d e rt oc o n t r o l t h em a s sf l o wa n dp r e s s u r ei nt h el o o p t h ed e v e l o p m e n to ft 1 1 pi sd i v i d e di n t ot w op h a s e s e n g i n e e r i n gm o d e l ( e m ) a n df l y i n gm o d e l ( f m ) e mi sd e s i g n e dt ov e r i f yr r p pp h i l o s o p h y , h a v et h e s a m ef u n c t i o n 猫f mb u tm a n u f a c t u r e dw i t h o u tf u l ls p a c eq u a l i f i e dp a r t s ；f mi s m a n u f a c t u r e da c c o r d i n gt os p a c eq u a l i f i e ds t a n d a r d s t h et h e s i sf i r s t l yw r i t e st h er e q u i r e m e n to f t t p pa n dt h e nd i v i d e si n t of o u rp a r t s t o a l _ 1 a l y s e s ，m c l i l d i n g w h o l ec o n s t r u c t ，h a r d w a r ed e s i g n , s o f t w a r ed e s i g na n d v e r i f i c a t i o n t t p pi n c l u d e st h r e em o d u l e s ，t h e ya r ep u m pd r i v i n gc o n t r o lm o d u l e ， a p s d p sd r i v i n gc o n t r o lm o d u l ea n dv a l v ed r i v i n gc o n t r o lm o d u l e e a c hm o d u l e w o u l db ei n t r o d u c e d 丘o mr e q u i r e m e n t c h i pi n t r o d u c t i o n , h a r d w a r ed e s i g n , d r i v e r d e s i g na n dv e r i f i c a t i o n b e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no ft h et t c sp r o j e c t ，t h e c u r r e n t v e r i f i c a t i o no ft t p pi sb o u n dt os i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t f u r t h e rv e r i f i c a t i o ni nr e a l t t c sl o o pw i l lb en e e d e di nf u t u r e k e yw o r d s ：a m s 一0 2 ，t t c s ，t t p p ，p u m p ，p r e s s u r es e n s o r 面向工程件的1 1 即的设计与实现 第1 章绪论 第二代太空磁谱仪( a l p h am a g n e t i cs p e c t r o m e t e r - 0 2 。a m s - - 0 2 ) 的研制是由 遍布1 5 令国家的5 6 个研究机构合作承担的大型国际性科研项目，是人类在国 际空间站上唯一的大型科学实验【”】。阿尔法磁谱仪轨迹探测器热控制系统 ( t r a c k e r t h e r m a l c o n t r o l s y s t e m , t t c s ) 的研制项目则是由中国中山大学、美 国麻省理工学院、荷兰航空航天局、瑞士日内瓦大学等科研机构承担的a m s 0 2 计划中的重点攻关项目，是国家科技部国际科技合作重点立项项目。 本论文重点研究了t t c s 项目中泵和压力驱动板t t p p 工程件的设计与实 现，为提出可行的t t p p 飞行件设计方案作铺垫。本章介绍了论文研究背景、 论文研究内容、研究意义及论文的内容结构。 1 1 研究背景 1 1 1 科学意义 是什么物质组成了宇宙中的不可见的质量? 宇宙中是否存在反物质? 例如 对应宇宙中存在的氦、碳等元素，是否也有存在着反氦、反碳等元素的反宇宙 存在呢? 茫茫的宇宙中到底是否存在，存在多少反物质和暗物质? 来源于遥远 星系超新星爆炸的高能粒子为我们带来哪些信息? 这是近年来高能物理界一直 孜孜探求的问题。反物质是由反粒子组成的物质，反粒子是电极性与传统粒子 如质子、电子等极性相反，但带电量与其相当的粒子，诸如反质子、反电子等。 虽然反物质与物质在理论上已被证明成对存在，但至今仍没有从自然界获得大 量反物质。暗物质是科学家对宇宙质量缺失的假设结果，据大部分科学家推测， 宇宙中9 0 以上的物质是以“暗物质”的方式隐藏着，而反物质的庐山真面目 至今仍不能解开1 6 - s l 。 为此，物理学家丁肇中教授联合多国科研机构，领衔主持了a m s 计划1 4 叶， 第1 章绪论 产生了由1 5 个国家的5 6 个研究机构合作承担的国际性大型科研项目：a m s 0 2 ( a l p h a - m a g n e t i cs p e c t r o m e t e r ，第二代阿尔法磁谱仪) 。其目的就在于寻找太 空中的反物质和暗物质，并研究宇宙射线的成分与能谱。a m s 0 2 不仅是国际 空间站上唯一的大型科学实验，还是人类第一次在太空中使用粒子物理探测仪 器和技术的实验 大型空间科学实验a m s 计划有三大主要物理目标 1 0 - 1 3 1 ： ( 1 ) 探寻宇宙中的反物质。以往人们仅仅利用带超导磁铁或永久磁铁的高 空气球实验和卫星实验在空间中寻找反物质，但由于受到飞行高度、大气等因 素影响，这些实验均得出否定结论。a m s 实验利用特制精准的磁谱仪，在宇宙 中直接捕获粒子在磁场中运动轨迹，大大提高灵敏度，有可能成功寻找反氦核、 反碳核等反原子核。 ( 2 ) 探寻宇宙的暗物质。暗物质的存在可通过观测它对别的物质的引力效 果来确定。受暗物质作用，宇宙中的反质子、正电子或光子能谱会形成独特的 分布。a m s 在空间长期运行，所收集的大量反质子、正电子运动轨迹，能精确 测量其能谱，进而对暗物质的探索提供更充分的依据。 ( 3 ) 探索宇宙射线起源。a m s 在距离地球约4 0 0 k i n 的轨道上运行，设置 的六个粒子探测器，将能精确测量不与地球大气碰撞的宇宙射线，对诸如d 、 8 h e 和4 h e 、9 b e 等同位素的丰度进行精确测量。这些重要的实验数据将对研 究宇宙线的起源、宇宙线在星系的禁闭时问及其在星系间的传播行为提供更为 确切的信息。 1 1 2a i d s 简介 根据研究的时间先后，a m s 计划分为a m s 一0 1 和a m s 0 2 两个阶段。 第一阶段计划己成功完成，a m s 原型a m s 一0 1 t 1 4 - t 6 1 于1 9 9 8 年6 月由编 号s t s 9 1 的美国“发现号”号航天飞机搭载完成了先驱飞行。a m s 一0 1 在距离 地球高度3 6 2 5 k m - 3 9 0 k m 高空飞行1 0 天，连续工作1 8 4 小时，采集了数十亿 数据。虽然a m s 一0 1 并没观测到任何刚度的反氦粒子，但收集了2 8 6 1 0 6 氦核 面向工程件的t t p p 的设计与实现 及大量近地轨道的粒子，验证了a m s 探测器的设计理念，使科学家积累了大 量在真空飞行条件下的操控a m s 的经验，也为a m s 一0 2 的设计和制造打下了 基础。 经重新设计后，科学家们提出了a m s 0 2 的研翩方案。a m s 0 2 弓l 入了超 导磁体、星系探测器等多种探测器，在灵敏度、粒子吸收统计量、刚度，3 d 建 模等方面做了较大改善。a m s 0 2 将于2 0 0 8 年进入国际空间站，并运行三至五 年，正式执行探寻反物质和反物质的任务。 如图1 1 所示，a m s 0 2 1 ”o l 由六大子系统构成：硅微条轨迹探测器( s i l i c o n t r a c k e r ，s t ) 、穿越辐射探测器【2 1 1 ( t r a n s i t i o nr a d i a t i o nd e t e c t o r ，t r d ) 、飞行 时间计数器 2 2 1 ( t i m e o f - f l i g h tc o u n t e r ，t o f ) 、环像切仑可夫探测器 ( r i n g - i m a g i n gc e r e n k o vd e t e c t o r ，r i c d ) 、电磁热量机田】( e l e c t r o m a g n e t i c c a l o r i m e t e r , e c a l ) 和反聚合否决计数器( a n t i - c o i n c i d e n c ev e t oc o u n t e r ，a c c ) 。 图1 1 , 枷s - 0 2 全图 其中硅微条轨迹探测器1 2 1 1 是a s m 一0 2 高精准粒子磁场偏转运动轨迹探测 器，也是反氦粒子探测的关键部件。硅微条探测器包含八块扁平的带状硅片， 每块硅片上含有数百万铝粒，带电粒子偏转进入探测器撞击铝片时，铝片将产 第1 章绪论 生电信号，从而带电粒子的运动轨迹被精确地记录，精度达1 0 微米，共有2 0 万读出信道。电信号的强弱表明带电粒子的电量，粒子轨迹的偏转程度表明粒 子的动量及极性。通过对五种探测器的综合数据进行分析，进而获取更详尽的 粒子信息。 硅微条探测器 2 5 , 2 6 1 2 0 万信道容量，使其附带的电子设备结构复杂且产生大 量的功耗( 约1 4 4 瓦特) ，为了使磁体内部大量的热量得以散发，避免过多消耗 使超导磁体冷却的液氦含量，引入了t t c s 系统1 2 7 1 。t r c s 系统主要任务是将 探测器内部1 9 2 个数据采集设备产生的约1 4 4 瓦热量通过两相二氧化碳循环冷 却系统辐射到空间，维持探测器温度高度稳定。中山大学在a m s 0 2 项目承担 t t c s 的研制任务，包括建立a m s 0 2 科学运作中心( s c i e n c eo p e r a t i o nc e n t e r ， s o c ) 及从事相关研究工作，在该中心内建立一套t t c s 地面系统，用于对空 间系统的模拟仿真，并负责空间t t c s 运行状态的实时监测及实验数据采集， 分析t t c s 在空间运行中遇到各种问题，提出相应的解决方案。 1 2 研究现状 中山大学t t c s 系统研制团队分为电子组、热工组和机械组【2 s 】。t t c s 电 子组负责t t c s 系统的电子控制子系统的研发，主要包括热控制系统控制电子 组件( t r a c kt h e r m a lc o m r o ls y s t e me l e c t r o n i c s ，t t c e ) ，热控制系统电源组件 ( t r a c k e rt h e r m a lp o w e rd i s t r i b u t i o n ) ，数据采集计算机( j o i n tm a i nd a t a a c q u i s i t i o nc o m p u t e r ，j m d c ) 和地面支持系统( e l e c t r o n i cg r o u n ds u p p o r t e q u i p m e m ，e g s e ) 。t t c s 系统的研制，细分为t t c s 原型件( p r o t o t y p em o d e l ) 研制、t t c s 工程件( e n g i n e e r i n gm o d e l ) 和飞行件( f l y i n gm o d e l ) 的研制三 个阶段。原型件的研制对t t c s 设计理念的验证性实现，；工程件的研制侧重于 可靠性、稳定性及实验性，根据飞行件性能需求，对原型件在功能、可靠性及 稳定性等方面的迸一步完善、提高；飞行件的研制则针对t t c s 运行的空间环 境，在防干扰、防辐射、防震动等方面对工程件设计进行改进，使t t c s 达到 空间运行要求。 4 面向工程件的t t p p 的设计与实现 项目启动至今，t t c s 电子组对t t c s 电予控制予系统原型件和工程件的 研制已完成。t t c e 的运行的仿真环境已搭建，通过功能测试。t t c e 也已经在 l o o p 的t e s tb e d 版本中通过测试，最近正在等待l o o p 的工程件搭建完毕，进 一步从各方面来验证t t c e 。 1 3 论文研究工作及意义 本论文参考a m s 0 2 系统总体设计方案，根据t t c s 系统设计需求，将目 标设定于面向工程件的1 t p p 的驱动控制电路板( t r a c kt h e r m a lc o n t r o ls y s t e m p r e s s u r ea n dp u m pb o a r d ，t t p p ) 的设计与实现。根据设计的总体安排，研制 的工作分为两个阶段：t t p p 工程件的设计与实现和t t p p 飞行件的设计与实现。 工程件是对t t p p 设计理念的验证性实现，在功能、可靠性及稳定性等方面的 向飞行件的改进提供依据；飞行件则是针对t t p p 运行的空间环境，在防干扰、 防辐射、防震动等方面对工程件设计进行改进，使t t p p 达到空间运行要求。 本论文选题研究内容有如下意义： 从微观的角度看，首先，t t p p 是t t c s 系统的前端驱动板，肩负着采集数 据，提供可靠驱动控制的重任，其成功的研制将对t t c s 系统的正常运作起着 重要的作用，为a m s 0 2 中的硅微条探测器在空间散热恶劣条件下工作提供可 靠的温度保障机制；其次，工程件设计侧重于可靠性、稳定性与实验性，从多 角度、多层次考虑，设计较可靠的工程件对飞行件方案的设计有较大的借鉴意 义。 从宏观的角度看，首先a m s 0 2 是人类首次在空问探寻的大型科学实验， 其成功完成预期任务将有助于对反物质、暗物质的探寻，有助于人类解开宇宙 之谜，开拓未来世界；其次，t t c s 对中山大学，乃至a m s 计划而言，是前所 未有的，而t t c s 的成功研制极具创新性与挑战性；最后，a m s 计划既是一次 国际性科研工作者大协作，也是一次跨学科空间试验。通过与国际一流科研团 队协作，中山大学培养了一支有较强战斗力的科研团队，也填补了在空间电子 设计方面经验的空白。 5 第1 章绪论 1 4 论文的内容安排 论文分为六章论述研究工作，各章内容大致安排如下： 第一章为绪论，概述了论文选题的背景信息、研究现状、研究内容及意义。 第二章为t t c s 项目相关信息，分层次介绍t t c s 各子系统，重点描述与 t t c e 相关的背景知识。 第三章为t t p p 总体设计方案，重点论述t t p p 总体设计方案，器件的遴 选，各模块的硬件设计。 第四章为t t p p 软件设计，论述了在t t e c 上实现的各模块的软件设计。 第五章为研制成果展示及设计验证，重点阐述了t t p p 工程件设计成果， 并展示了t t p p 的部分测试结果。 第六章为总结与展望，总结论文研究工作，并对后续的研制工作做出展望。 6 面向工程件的1 1 p p 的设计与实现 第2 章t t c s 项目信息 t t c s 是热和电结合的智能可控系统。本章介绍了t t c s 系统的设计目的、 结构及组件功能，重点阐述t t c s 电子控制子系统的结构、组件功能及设计目 标。 2 1t t c s 总体介绍 硅微条探测器【2 9 。是由大量电子采集电路和硅片组成的大功耗设备，运行 时将在探测器真空腔内产生1 4 4 瓦的热量，该热量一方面直接影响了探测器电 子设备的工作环境，另一方面增加了用于冷却超导磁体的液氦的工作负荷：由 于整个a m s 0 2 的运行生命周期在某种程度上由液氦的消耗量所决定，因此须 采取额外的冷却措施，带走这1 4 4 瓦的热量。t t c s 系统正是基于这个考虑而 创设。图2 1 表明了t t c s 系统在a m s 0 2 系统中的位置。 图2 - 1t t c s 与a m s 一0 2 关系 第2 章t t c s 项目信息 t t c s 系统相当于硅微条探测器的生命保障系统，利用两相二氧化碳循环 流通对探测器进行导热控温。二氧化碳具有环保、有较低的液气密度比p 3 】， 在气液并存的状态下，温度保持在蒸发点附近时有很好的导热效果。 图2 2 展示了t t c s 系统的内部逻辑结构【2 8 1 。t t c s 系统通过热管与硅微条 探测器外围的蒸发器相连，通过气液共存的二氧化碳传导探测器多余的热量。 图中右侧是t t c s 系统的两大子系统导热子系统和电子控制子系统。导热 子系统是由泵、冷凝器、辐射板等热机械器件组成，其作用是使二氧化碳在回 路内循环流动，将热量通过辐射板辐射至空问：电子控制系统由t t c e 、j m d c 等电子控制通信组件组成，其作用是对导热子系统进行温度监测和控制。 8 面向工程件的丌仲的设计与实现 图2 - 2t t c s 系统逻辑结构囤 导热子系统与电子控制子系统是相辅相成，不可或缺的【2 b 】。导热予系统是 电子控制子系统的受控对象，电子控制予系统是导热子系统的保障、监测系统。 导热子系统中的压力器件、液体分流器件、辐射板，为二氧化碳的在回路的流 动、分流和热量转移提供的必要的物理作用，但由于太空中的恶劣温度环境及 系统的运作情况，可能会出现危害导热子系统本身器件的温度情况，如气穴现 0 - 第2 章t t c s 项目信息 象、结冰现象，此时就需要一套额外的监测和控制系统，控制维护导热子系统。 电子控制子系统正是发挥这样的作用，通过电子控制子系统，地面的操作人员 可实时观测导热子系统的运行情况，并及时发出各种控制策略。 t t c s 系统也是多级冗余系统【2 扪。从整体上看来，t t c s 系统分为初级回路 ( p r i m a r yl o o p ，p l ) 和次级回路( s e c o n d a r yl o o p ，s l ) ，每个回路包含完整 的导热子系统和电子控制子系统各一套，回路互为备份，一般情况下只需一个 回路开启，条件恶劣时则需要两个回路同时开启，互相补充；从子系统看来， 电子控制子系统分为t t c e a 及t t c e b ，系统在运行时，t t c e a 可同时操 控p r i m a r yl o o p 组件和s e c o n d a r yl o o p 组件，同理t t c e b 也是如此；通信方 面，电子控制子系统配备4 台冗余的专用计算机( j m d c ) ，通过两条c a n 总 线与t t c e a b 进行冗余通信，进一步提高通信的可靠性，此外，对电子控制 子系统的供电也采用了冗余备份。 2 2t t c s 导热子系统 2 2 1 导热子系统组件 导热子系统的作用是实现二氧化碳的气液两相转化，为二氧化碳的传输、 汽化提供足够条件。导热子系统采用初、次两级回路冗余结构，图2 3 是初级 回路结构图。 1 0 面向工程件的1 1 即的设计与实现 图2 3 丌c s 初级回路 初级回路的物理组件包括【2 7 】：蒸发器( e v a p o r a t o r ) ，冷凝器( c o n d e n s e r ) 、 辐射板( r a d i a t o r ) 、离心泵( p u m p ) 、阀门( v a l v e ) 、温度传感器( s e n s o r ) 、绝 对压力传感器( a b s o l u t ep r e s s u r es e n s o r ) 、差分压力传感器( d i f f e r e n t i a lp r e s s u r e s e n s o r ) 、储液器( a c c u m u l a t o r ) 、液体流量计( l i q u i df l o wm e a s u r e ) 、加热器 ( h e a t e r ) 和冷却片( p e t t i e r ) 、换热器( h e a t e re x c h a n g e r ) 。其中离心泵、阀门、 换热器和储液器在t t c s 组件箱( t t c b ) 里面，冷凝器和辐射板暴露在太空中。 次级回路结构与初级回路相似，但没有双向阀门和压力传感器。 各组件的功能【2 8 】如下： 蒸发器：分布在探测器上下外界的热管上，其作用是收集来自硅微条探测 器电子设备产生的热量，将热量传导到二氧化碳中去。二氧化碳的蒸发温度受 热管的压力所影响。 冷凝器：与辐射板相连，将二氧化碳液体中的热量转移到辐射板。 辐射板：具有高发射率和低太阳能吸收率的特点，将热量以电磁波的形式 向太空散发；t t c s 回路中有两块方向相反的辐射板，这样设置的意图是保证 t t c s 在任何角度下至少有一块背向太阳，辐射余热。 - 第2 章t t c s 项目信息 离心泵：置于冷凝器后，用于调节回路内二氧化碳流的流速。 双向阀门：在回路切换时起疏导二氧化碳流的作用，此外，向两块辐射板 分流二氧化碳液体流。 温度传感器：监控回路组件的温度，是导热子系统与电子控制子系统的接 口。回路中有数字温度传感器( d a l l a s ) 及电阻温度传感器( p t l o o o ) 两种， 数字温度传感器用于监测t t c s 系统温度，而电阻温度传感器用于监测t t c s 中关键组件的温度。 绝对压力传感器：监测回路内部的液体压力。 差分压力传感器：监测离心泵两端的压力差。 储液器：储存气液并存的二氧化碳，用于间接调节回路内二氧化碳流的温 度和压力，从而控制蒸发点温度。 液体流量计：监测回路的液体流量。 加热器：回路中多处设置了电阻加热器，如在二氧化碳流进入探测器前， 需加热器将液体预热至蒸发点附近；对储液器进行温度控制时，需加热器与冷 却片共同作用，以达到准确的储液器预设温度( s e t p o i n t ) 。 冷却片：贴于储液器外侧，冷却储液器的液体。 换热器：其功能类似于预热器，通过热交换的形式加热即将流入探测器的 二氧化碳流。 2 2 2 回路冷却原理 图2 4 抽象了t t c s 回路的主要组件以及二氧化碳流向。两相二氧化碳的 冷却原理是1 2 7 】：液态的二氧化碳流在离心泵的作用下( a ) ，经过换热器注入被 热管围绕的硅微条探测器( b ) ，此时，热管的周围附着的蒸发器吸收了硅微条 探测器里集成电路产生的热量，通过二氧化碳的汽化过程将热量转移n - - 氧化 碳中，实现了热的首次交换，二氧化碳的液一气变化，探测器的冷却；二氧化 碳气体从探测器输出后( c ) ，经换热器进入两侧的冷凝器，此时，气态二氧化 1 2 面向工程件的1 1 w - 的设计与实现 碳被液化，释放的热量经过辐射板释放到空间，实现了热的第二次交换，二氧 化碳的气一液转化；在阀的作用下，二氧化碳液体汇流( d ) ，进入离心泵，开 始下一次的循环。 图2 - 4 1 1 s 热交换图 要保障二氧化碳冷却回路正常的工作，回路中需要满足以下两个依赖于电 子控制子系统的关键要求 2 7 1 ： ( 1 ) 局部冷却和预热。进入探测器的二氧化碳液体的温度越接近佛点，越 易于蒸发，导热效果越好；离心泵的运行将有可能引发气穴现象，导致泵的机 械损坏。基于上述的要求，t t c e 需要对泵入口处的二氧化碳液体进行局部冷 却，对泵出口处的液体进行局部预热。在t t c s 系统设计中，使用热交换器和 电阻加热器实现完成上述任务。热交换器和电阻加热器用于预热离心泵输出的 1 3 - 第2 章t t c s 项目信息 二氧化碳液体，同时冷却从探测器热管中流出的二氧化碳气体，达到降低回路 平均温度的目的。而温度的监测和电阻加热器的控制都依赖于t t c s 电子控制 子系统。 ( 2 ) 回路初设温度。在不同的轨道环境中，回路需以指定的液体温度启 动( 一1 0 t o + 1 5 ) ，故需在回路的储液器中装置电子冷却片和电阻加热器， 以提供适当的热量，维持初始启动温度，其温度的精准控制也由t t c s 电子控 制子系统负责。 2 3t t c s 电子控制子系统 t t c s 电子控制子系统融】是为监控t t c s 初级回路、次级回路的组件而设 的测控系统。系统包括控制电子组件t t c e 、电源分配组件t t p d 、专用数据收 集计算机j m d c 和地面支持系统e g s e 四部分。除地面支持系统外，其余各组 件均运行于空间站。图2 2 表明了电子控制子系统的工作方式：j m d c 是电子 控制子系统中拥有最高控制权限的计算机( 上位机) ，直接监测t t c e 和导热系 统组件的运行情况，并及时发出适当的控制策略；t t c e 是下位机，需要遵循 j m d c 的指令工作，实时监测t t c s 初级回路及次级回路，并在j m d c 授权下， 对回路组件实行闭环控制。 下面首先阐述电子控制系统的任务，然后介绍子系统组件功能、子系统通 信机制和主控板t t e c 的功能需求。 2 3 1 电子控制子系统任务 t t c s 电子控制子系统是对t t c s 系统组件温度的监测控制通信子系统， 其作用是通过监测、控制t t c s 回路中关键组件的温度，关键组件的开合，使 t t c s 回路的两相二氧化碳流及回路组件在恶劣的太空轨道环境中能正常工作。 根据a m s 系统要求，t t c s 温度数据获取的周期是1 s ，模拟温度采集精度为士o 5 ，其主要的任务可概括为【3 4 】： ( 1 ) 通过采集p t l 0 0 0 模拟温度传感器数据，监测储液器的温度，并驱动 1 4 面向工程件的1 w p 的设计与实现 加热器调节储液器在不同轨道环境中的初始工作温度( s e t p o i n t ) ，以满足探测 器在各种工作模式下成功启动的要求。 ( 2 ) 通过采集p t l 0 0 0 模拟温度传感器数据，监测蒸发器入口处的二氧化 碳液体温度，并在适当的时候驱动预热器加热二氧化碳液体，使其达到蒸发点， 保证二氧化碳流以气液双相并存的状态进入蒸发器热管，更好地吸热。 ( 3 ) 通过采集p t l 0 0 0 模拟温度传感器及d s l 8 2 0 数字温度传感器的数据， 监测t t c s 、辐射器及热管温度。 ( 4 ) 通过控制离心泵的转速，控制初、次级回路二氧化碳气液的流速。 ( 5 ) 通过控制双向阀门的开合，在初级回路和次级回路切换时，分流二氧 化碳液体。 ( 6 ) 通过专用计算机( j m d c ) ，利用c a n 总线接收由地面控制中心发出 的遥控指令，并做出及时准确回应。这些指令包括向地面控制中心传送关键点1 的温度测量值、传送t t c s 系统组件的健康状况及组件的运行状态和按照地面 控制中心的指令，进行相应的控制参数、控制策略、和运行模式的切换。 根据上述任务的实时性和自动化程度，可将任务概括为高级控制和低级控 制。如图2 5 所示。高级控制是地面控制中心收集相关的采集数据和t t c s 系 统的健康状况后，通过j m d c 发出的控制指令，包括对组件初始启动温度的设 定，对离心泵和阀的开关和方向控制；低级控制是无需地面控制中心直接干预 的自动控制过程，由t t c e 根据地面指挥中心发出的控制指令，实时采集控制 点温度和控制受控源( 加热器或制冷片) ，以达到预期的控制目标，包括关键点 的温度实时控制、离心泵的转速控制等。 ) 乏键点指影响同路性能的父键器件，与之相对应的有非关键点。 1 5 - 第2 章t t c s 项目信息 图2 5 高级控制与低级控制 2 3 2 电子控制子系统组件 t t c e 是电子控制子系统的核心部分，由t t e c ( t r a c k e r t h e r m a le l e c t r o n i c s c o n t r o ls y s t e m ) 、t t e p ( 1 r a c k e r t h e r m a l e l e c t r o n i c s p o w e r b o a r d ) 、t t p p ( t r a c k e r t h e r m a lp u m p sa n dp r e s s u r es e n s o r sb o a r d ) 、t t b p ( t r a c k e rt h e r m a lc o n t r o l e l e c t r o n i c sb a c k p l a n e ) 四块接口板组成1 3 4 1 。为了实现冗余，t t c e 有t t c e a 和t t c e b 两套系统，每套系统包含四块接口板，置于t t - c r e a t e 中，如图2 2 所示。二者具有相同的功能，t t c e b 是t t c e a 的冷备份。一般情况下，只 需t t c e a 系统工作，当t t c e a 组件意外失效时，由t t p d 切换电源启动 t t c e b 系统。 t t e c 是智能核心控制板，其功能包括提供通过双c a n 总线与j m d c 建立 可靠通信、采集回路关键点模拟温度传感器数值、采集t t c s 数字温度传感器 1 6 面向工程件的t t p p 的设计与实现 数值，并实现低级回路温度控制算法和执行组件安全保护策略。 t t e p 是功率驱动和电源板，其任务是将由t t e c 板输出的微弱p w m 信号 或数字开关量，转换成大功率信号，驱动p e l t i e r 和h e a t e r 进行制冷或加热：同 时将来自t t p d 的+ 2 8 v 电压转换成+ 5 v 及+ 1 5 v ，为t t e c 板、t r p p 板供 电。 t t p p 是泵和阀的监测控制板，负责监测泵的转速，读取压力传感器数值， 并控制泵和阀的开关。其中t t p p 采用了5 0 冗余设计，即其冗余的两板合并在 一块与t t e c 具有同样规格的板上。 t t b p 是t t c e 子系统背板，用于为t t c e 的其他电路板提供总线及连接 接口。图2 - 6 表明了t t c e 各冗余接口板的功能及关系。 圈2 - 6t 1 e 冗余组件功能结构图 j m d c 是专用数据采集计算机，是安装了l i n u x 操作系统的p o w e r p c 。如 图2 7 所示，j m d c 放置于j - c r a t e ，在t t c s 系统中有三大功能： ( 1 ) 飞行场景和t t c s 应用控制：前者是地面控制中心对j m d c 及t t c s 系统工作模式及策略的直接控制；后者是由地面控制中心发出的对t t c s 系统 组件的直接操控。 ( 2 ) 高级回路控制：根据t t c s 系统运行状况，发出一系列组件的初始温 度设置及功能控制。 1 7 第2 章t t c s 项目信息 ( 3 ) j m d c 与t t c e 通信：以m a s t e r 的身份，通过c a n 总线与t t c e 通 信。j m d c 与t t c e 通信的指令有控制指令( t e l e c o m m a n d ，t c ) 和汇报信息 ( t e l e m e t r y ，t m ) 两种。t c 是j m d c 发送至t t c e 的带参数命令，t t c e 只作 应答，不需回复任何数据；t m 是j m d c 发出的获取数据请求由t t c e 响应， 并需回复相关的状态信息。 为了提高系统的可靠性，j m d c 也采用冗余设计4 台j m d c 将挂接在 两条c a n 总线上，任何时刻，通过热备份保障至少有一台j m d c 主机与t t c e 进行可靠通信。 地面支持系统是在t t c s 系统安装调测时的模拟工具，在不同的测试环节， 需要e g s e 提供不同情况下的模拟，通过电阻元件模拟t t c s 的实际温度传感 器及受控对象，实现对t t c s 的组件测试。 2 4t t p p 设计需求 r r p p 是t t c s 当中的接口驱动板，连通着t t e c 主控板和相应的器件，其 性能与可靠性直接决定着t t c s 的运行性能。根据t t c s 系统电子控制系统的 任务及t t p p 在其中的作用，可进一步明晰r r p p 的设计需求。 ( 1 ) 驱动转速可调的p u m p ，通过转速计向t t e c 传输转速脉冲，控制p u m p 的电源。 ( 2 ) 采集两个绝对压力传感器a p s 和两个相对压力传感器d p s 的数值， 给t t e c 提供四个传感器的采集数值。 ( 3 ) 通过控制t t c s 回路上的阀门v a l v e ，来控制t t c s 回路的开断和二 氧化碳的通断与分流。 ( 4 ) 由