空间材料加热实验的遥操作技术研究

2013-09-19李世其刘世平朱文革王明明

载人航天 2013年5期

李世其，余昆，刘世平，朱文革，王明明

(华中科技大学机械学院，武汉430074)

1 引言

利用在地面无法获得长期的空间微重力、超高真空和超净等极端的实验条件进行空间材料科学实验，可以帮助材料科学家揭示空间环境下材料形成过程中的科学规律，为科学研究提供直接的实验数据，为有规模的空间材料生产打下基础［1］，科学地指导地面材料研究、生产和应用［2-3］。由于空间环境和航天器的限制，空间实验与地面实验区别很大，因而人为的干预控制是提高实验成功率与效率的重要手段。空间环境难以预知，实验舱处于长期无人照看的状态，且空间材料实验存在样品数量和种类增加的趋势，加之实验设备故障需要排除等需求，使得空间材料科学实验需要解决地面实时控制的问题，遥操作是解决这类需求的重要技术手段。

从20世纪70年代起，科学家开始在航天器上进行微重力材料科学研究，在空间材料加热实验方面，比较先进的实验装置有加拿大 ATEN(Advanced Thermal Environme nt)，俄罗斯 POLIZON加热炉，日本的GHF(Gradient Heating Furnace)，欧空局低梯度炉(Low Gradient Furnace，简称LGF)。加拿大ATEN可通过位于加拿大宇航局(CSA)载荷遥操作中心(PTOC)的计算机进行遥操作［4］;俄罗斯的POLIZON通过遥操作在地面站对加热炉的温度、压力等诊断传感器进行监视和控制，充分利用空间环境资源［5］。日本GHF可以通过遥操作灵活改变每一个加热单元的位置以及完成样品的自动更换，其中料仓、机械臂和样品夹的运动可自动操作或由地面进行遥操作［6］。

国外先进的空间材料加热实验设备有许多共同点，基本上都使用了遥操作手段［7］。而我国的空间科学实验设备几乎不具备遥操作能力，只有少数设备进行过初步的遥操作实验［1］。限于天地通信链路尚未全程覆盖以及受通信量的限制，我国以往的空间科学实验多采用指令注入方式，实验过程按预编程序进行，且预制的程序主要按照地面的实验条件和预想的结果来编制;近年来我国也逐渐利用程序注入来调整、控制实验流程和参数，甚至更换空间材料实验装置的主程序。

研究、利用遥操作技术对空间材料科学实验进行实时交互控制是空间材料科学实验亟需解决的关键技术之一。文中通过研究晶体生长加热炉试验的遥操作系统及其关键技术，进行基于遥操作的晶体生长加热炉试验来对空间材料加热实验的遥操作技术进行研究。

图1 晶体生长加热炉试验遥操作方案图Fig.1 The scheme of crystal growth furnace experiment of teleoperation

2 遥操作系统及关键技术

2.1 晶体生长加热炉试验系统

根据空间站长期在轨自主飞行、无航天员时舱内空间材料加热实验情形以及晶体生长加热炉试验对遥操作的需求，制定了遥操作试验方案，图1为基于遥操作技术的晶体生长加热炉试验方案图。

晶体生长加热炉试验运用遥操作技术进行控制，该遥操作系统由主端子系统、从端子系统、时延模拟器和网络通信系统组成。

主端子系统有一个集成化的遥操作控制台，主要功能是向从端控制软件发送控制信息，控制试验装置完成样品的加热及取回等一系列操作，并监视和控制样品抓取、加热过程中的样品位置、速度以及温度等参数，并可以实时发送宏指令改变这些试验参数。遥操作晶体生长加热炉试验主端子系统界面如图2所示。从端子系统主要功能是给加热炉控制部件发送控制命令，实现遥操作的目的。遥操作晶体生长加热炉试验从端子系统界面如图3所示。试验中为了再现真实时延，需要使用时延模拟器，用以产生和真实情况相近的时延，使试验结果接近真实情况。网络通信系统用于实现主、从端的实时通信。晶体生长加热炉装置由外筒、反光材料、绝热材料、加热单元和待加热样品五部分构成，用于进行样品的加工。其结构如图4所示。加热单元分为3个温区，分别可以设置不同的温度。晶体生长加热炉虚拟模型如图5所示。

图2 晶体生长加热炉试验主端子系统界面Fig.2 The main terminal system interface of crystal growth furnace experiment

图3 晶体生长加热炉试验从端子系统界面Fig.3 The subordinate terminal system interface of crystal growth furnace experiment

从端传感器获取的温度数据发送回主端用于进行温度场的预测仿真，使用数值求解获得的各个离散点的温度值预测下一时刻炉内各个温区温度的变化以及温度值，且使用求解值进行三维温度场可视化，并以此为依据来进行实验过程中的遥操作控制与干预，所以晶体生长加热炉试验的遥操作技术研究，将温度场的预测仿真作为关键技术研究。

图4 晶体生长加热炉结构图Fig.4 Structure of crystal growth furnace

图5 模拟晶体生长加热炉虚拟模型Fig.5 Virtual model of crystal growth furnace

2.2 遥操作晶体生长加热炉试验温度场的预测仿真

2.2.1 三维温度场可视化仿真

温度场是各个时刻物体中各点温度分布的总称，它是时间和空间的函数，即t=f(x，y，z，τ)［8］。空间晶体生长实验中，晶体生长加热炉内温度场的分布对晶体生长有着直接的影响，关系晶体生长的质量。在试验过程中通过反馈的试验数据对加热炉内的温度进行复现，可视化显示温度场，利用求解的离散温度值进行温度预测，使用遥操作控制试验过程。图6为晶体生长加热炉温度场建模及可视化方法总体流程图。

结合晶体生长加热炉自身的结构特点和加热原理，建立晶体生长加热炉的数学模型。针对模型求解比较复杂的特点，采用数值求解，对棒料进行网格剖分，利用热平衡法建立每个微元体的能量守恒方程，形成迭代方程组。

在密闭空间的特殊环境下，电阻丝对棒料加热属于热传导和热辐射结合的导热问题，建模和求解可简明地表示为:

图6 晶体生长加热炉温度场建模及可视化方法总体流程图Fig.6 Temperature field modeling and visualization methods of crystal growth furnace

在对所有材料进行包括质地均匀等一些列符合工程问题的假设基础上，在圆柱坐标系下，对棒料内部微元体(m，n)建立离散方程(2)，用微元体m，n周围的4个微元体的温度来表示微元体(m，n)的温度。

对棒料和电阻丝组成的封闭的环境进行多表面系统辐射换热计算，可以建立离散方程组:

其中，Xij为微元面间的角系数，通过数值拟合求得。整理离散方程组，可以得到Ji的表达式。对棒料表面微元环与电阻丝微元环之间的热量交换简化处理后，得到晶体生长加热炉温度场模型的控制方程组(4):

1)中间微元体

2)左边界微元体

3)右边界微元体

4)下边界微元体

5)上边界微元体

以(4)作为单值性条件，对于棒料内部微元体采用高斯——赛德尔迭代法;对于边界微元体，热传导部分的温度采用上一轮迭代计算的值，把热辐射部分的温度作为未知量，通过迭代公式计算出它的值，作为本轮迭代计算的结果，用此分而治之的方法对单值性条件方程组进行迭代求解。最后，用逐点插入法［10］，采用 Delaunay四面体作为三角网［11］，将数值求解得到的各个离散点连接成一个三角网的拓扑结构，并在此基础上，采用直接线段连接法计算绘制三角面等值线［12］、利用“Marching Tetrahedron”(MT)法计算绘制等值面，按照场景图使OpenInventor构建树形场景［13］，向场景中加入网格化加热炉、等值线、等值面等，实现温度场可视化。图7为三维温度场可视化结果。

2.2.2 加热炉温度场预测技术

晶体生长加热炉试验中，在炉体各温区内壁放置几个热电偶用于测量样品表面的温度。利用各点的温度进行炉内温区温度的预测，判断样品的当前与未来的加热状况，通过遥操作指令，改变各电阻丝功率控制炉内各温区温度，控制样品的运动(如插入长短、位置等)，改变样品加热时间，来控制试验过程。

图7 三维温度场可视化结果显示Fig.7 Result of visualization of three-dimensional temperature field

在空间的微重力环境中，对流引起的热交换影响可以忽略;通过空气的传导引起的热交换远小于通过热辐射的热交换，炉丝到材料间的热传导也可以忽略。可以假设微重力环境下炉丝到样品之间的热交换决定于热辐射。

根据系统辨识理论［14-15］，采用相关系数法和最小二乘法对晶体炉的系统阶次和参数辨识，取采样周期为30 s，可得到离散时间传递函数矩阵(q－1是向后一步时间平移算子，q－1u(t)=u(t－1)):

其中，ui(i=1，2，3)是各温区炉丝加热控制的输入数字量，范围是［1，4853］根据输出yi(i=1，2，3)查询热电偶特性表可以得到各测量点的温度，并采用插值法拟合各温区棒料表面温度tf=f(z)。

根据所建模型，设置预测时间t，根据各个温区的输入数据，以及上一时间的测量和数值计算的值，通过Y(t)=G(q－1)。U(t)可以测算出随着时间t变化，输出数据的变化趋势以及最终温度。并把该时刻的测量数据作为下一时间的计算数据进行滚动预测。根据预测的温度遥操作交互控制试验过程。

3 试验描述

遥操作晶体生长加热炉试验的主要步骤如表1所示。表中的“*”步骤为样品2加工前的抓手位置初始化。

试验中，操作者通过外设(数据手套、位置跟踪器、手控器等)发送遥操作任务或指令信息，对晶体生长加热炉进行操作，并依据视频反馈和三维温度场的分布情况以及温度变化的预测，向从端试验装置控制系统发送遥操作指令实时地修正实验参数，如发送宏指令提前或者推迟取出样品、通过宏指令控制样品的插入深度以及位置、通过加热炉装置的控制部件遥操作改变电阻丝的功率以及各个温区的温度，以形成恒温温场或梯度温场等方式进行试验过程的遥操作监控，使实验能够达到预期的效果。图8为样品加热过程中的温度曲线和实时数据显示，分别按时间和空间显示温度曲线，并且将温度数据实时显示。

表1 遥操作晶体生长加热炉试验过程Table 1 Process of crystal growth furnace experiment of teleoperation

图8 试验中温度曲线绘制与数据显示(℃)Fig.8 Temperature profile and data in experiment(℃)

4 结论

晶体生长加热炉试验中，基于三维温度场可视化结果和温度预测数据，运用了遥操作技术，通过调整电阻丝功率、加热时间、样品的运动，对实验过程交互控制，提高试验的成功率。通过遥操作控制，原本定时加热12 h的样品加热时间依据交互调整有所浮动，大部分情况下加热时间减少，效率约提升12.5%，并且样品的合格率较之非遥操作方式从70%提高到了接近90%。通过遥操作晶体生长加热炉试验，验证了利用遥操作技术进行空间材料加热实验的可行性和有效性，将遥操作技术应用于空间材料加热实验能提高实验效率与成功率。

［1］于强.空间材料科学实验中的几个关键技术［J］.载人航天，2007，13(3):1-4.

［2］潘明祥.空间材料科学研究与人类未来生活［C］.中国空间科学学会空间材料专业委员会2011年学术交流会论文集.2011，06.

［3］刘岩，艾飞，潘秀红，等.空间材料科学实验技术总体方案构想［J］.载人航天，2010，16(3):19-23.

［4］常凤翥，刘淑敏.空间晶体生长控制系统的设计及研究［D］.北京:北京化工大学，2009:2-5.

［5］ Rosenthal J.Programmable multizone furnace for material processing in space［R］.96-117.01 1968，AI Signal Research Inc，1996.

［6］ Nakamura Tomihisa.Development of the gradient heating furnace for ISS［C］.The International Symposium on Physics Science in Space Spacebound.2004.

［7］于强.国外几种先进的空间材料科学实验装置［J］.载人航天，2006，12(5):9-13.

［8］赵镇南.传热学［M］.第二版.北京:高等教育出版社，2008:23-24.

［9］王怀柱.三维非稳态导热问题的高效稳定数值解法［J］.河北北方学院学报，2009，25(5):1-4.

［10］钟正，樊启斌，张叶挺.3维离散数据四面体快速生成算法研究［J］.测绘学院学报，2004，21(4):286-291.

［11］孔娟华，郑江滨.一种三维离散点数据生成非结构四面体算法［J］.计算机工程与科学，2009，31(1):35-37.

［12］赵伟，赵卓宁，李五生.一种有效的离散数据场等值线生成方法［J］.成都信息工程学院学报，2007，22(1):116-121.