人工衛星ヒータ制御の熱モデル化に関する考察
Consideration for thermal modeling of satellite heater control
井本 寛之＊

酒井 菜名子＊

北嶋 麻里絵＊＊平出 和広＊

Hiroyuki Imoto, Nanako Sakai, Marie Kitajima, Kazuhiro Hiraide

人工衛星の熱制御方式の一つであるヒータ制御は、ヒータに供給する電力の on/off により、温度維持を行うものである。ヒータ制御において、制御系設計に依存する給電遅れが発生するが、熱モデルでこの遅れを考慮しないことが多い。本稿では、ヒータへの給電遅れを考慮した熱モデルを用いて従来モデルとの差異を評価し、ヒータ制御の熱モデル化について考察した。
A heater control system, one of satellite thermal controls, maintains the temperature by turning on/off the power supplied to the heater. In the heater control, a power supply delay due to the design ofthe control system occurs, however this delay is not usually considered in the thermal model. In thisreport, we evaluated the difference from the conventional model by using the thermal model considering the power supply delay to the heater, and considered the thermal modeling of the heater control.

1．
まえがき

2．
人工衛星のヒータ制御概要

人工衛星の熱制御系に求められる役割は、要求された能動型熱制御方式の一つであるヒータ制御は、ヒータ期間において、衛星の全ての構造物、搭載機器に対してに供給する電力の on/off により、低温維持、又は、許容適切な温度環境を与えることである。人工衛星の熱設計温度範囲が狭い機器の温度維持を行うために用いられる。

は衛星システムの寿命及び性能に直接関与する基盤技術

人工衛星では、主にシートヒータが用いられ、温度制御であると言える。また、熱設計の検討及び検証の手段と対象近傍の構体パネル面等に接着剤により実装される。

して、熱解析（数値シミュレーション）が活用される。

ヒータの on/off 制御には、サーモスタット方式による自動ここで、数値シミュレーションに共通する注意点とし制御とコマンド方式による指令制御がある。本稿では、て、全ての現象を正確に模擬しているわけではない点がサーモスタット方式のうち、ヒータ制御機器を用いた電挙げられる。例えば、人工衛星で一般的に使用される子式サーモスタットについて考える。

ヒートパイプは、管の内部に封入した流体の相変化を電子式サーモスタットは、温度センサとヒータの組合利用した熱制御デバイスであるが、通常、衛星システムせと、これらを制御するヒータ制御機器から成る。ヒータ全体の熱数学モデルでは、流体の相変化を模擬せず、簡制御機器は (1) 温度センサの出力を検知し（電圧値をデジ易的なモデル化を採用することが多い。この場合、熱解タルデータとしてハンドリング）、(2) 設定された温度制御

析結果からヒートパイプ熱輸送能力の範囲内にあること範囲に収まるようにヒータの on/off を判定し、(3) ヒータ等を確認する必要がある。このように、目的に応じて、へ電力を供給する。ここで、ヒータ制御系設計に依存す適切なモデル化及び評価手法を選択する必要がある。

る給電遅れが発生する点に注意が必要である。典型的な

本稿では、人工衛星の熱設計の中から、能動型熱制御

電子式サーモスタット方式の模式図を図１に示す。

方式の一つであるヒータ制御に着目する。まず、設計ヒータ制御に関連する主な設計項目を表１に示す。こパラメータを整理し、次に、ヒータ制御について通常採れらは衛星システムリソース及び各サブシステム設計の用される熱モデル化について説明し、模擬されていない制約の範囲内で決定する必要があり、衛星システム及び項目を識別する。さらに、識別した項目の模擬の有無に各サブシステムとのインタフェース調整が必要となる。

よる熱解析結果の差異を確認し、ヒータ制御の熱モデル熱制御系の中でクローズするものではないことに注意が化について考察する。

必要である。

＊鎌倉事業部 宇宙第二技術部＊＊日本アドバンス・テクノロジー
1

MSS 技報・Vol.29

温度制御対象

温度センサ

アナログ電圧(温度テレメトリ)

表２

ヒータ

ヒータ電力

ヒータ制御機器(1) 温度センサ出力検知(2) ヒータon/off判定(3) ヒータへの給電

図１

電子式サーモスタット方式の模式図

表１

ヒータ制御に関連する主な設計項目仮定するコンフィギュレーション

項目

内容

温度制御
対象

衛星内部（放熱面を有しないパネル）に搭載される機器
・許容温度下限（動作時）– 10 ℃
・動作時発熱 なし

環境温度

構体内部放射シンク – 15 ℃（一定）・ヒータ２系統（主系及び従系）
・ヒータ容量５W ／系統（バス電圧一定）
ヒータ仕様 ・ヒータ制御温度（主系）
on 温度：–２℃／ off 温度：０℃
・シートヒータ３枚／系統
その他

設計項目
ヒータ系統数・機器、ヒータ及び温度センサはヒートシンク（アルミ合金）上に搭載。配置を図２に示す。
・主系ヒータにより温度制御される場合を考える。

ヒータ on/off 判定周期
ヒータ容量（ヒータ抵抗値・結線）

ヒートシンク

ヒータ制御温度（on 温度／ off 温度）
ヒータ制御方式
ヒータレイアウト
温度センサレイアウト
ハーネスレイアウト
温度センサ種類及び個数
温度データ更新周期
ヒータ接着剤

3．ヒータ制御の熱モデル化に関する考察
２章で説明したヒータ制御の検討及び検証のため、熱解析を活用する。ヒータ制御に関連する熱モデル設定
項目を以下に示す。
(1)

ヒータ(主系)機器

ヒータ発熱量（バス電圧が変動する場合は、その変動を考慮）

図２

ヒータ(従系)■ 温度センサ

機器、ヒータ及び温度センサの配置(2)

ヒータ制御温度（on 温度／ off 温度）(3)

温度センサに対応するノード(4)

ヒータに対応するノード（発熱を印加するノード）

本稿の熱解析では、汎用熱解析ソフトウェアである(5)

ヒータ制御アルゴリズム（複数の温度データを使用

Thermal Desktop 及び SINDA/FLUINT を使用した。

する場合、最低温度／最高温度／平均温度のうち節点法の温度ソルバである SINDA/FLUINT は Fortran

どの情報でヒータ on/off を判定するか）ベースのツールであり、ユーザが作成したプログラムをヒータ on/off 判定に使用する温度の A/D 変換ス組み込むことが可能である。上記 (6) 及び (7) は、ユーザ

テッププログラムでモデル化した。

(6)
(7)

設定の妥当性を評価することになる。

ここで、衛星構体内部に搭載される機器をヒータ制御ヒータ給電までの遅れ時間（温度データ更新周期、するコンフィギュレーションを想定し、ヒータ制御モデヒータ on/off 判定周期等に依存）
汎用熱解析ソフトウェアでは、ヒータ制御を模擬する

ル化の差異が解析結果及び評価結果に与える影響を確認ための機能が具備されており、上記の項目 (1) ～ (5) をする。想定するコンフィギュレーションを表２に示す。

設定する仕様となっている。通常の衛星システム全体を上述の熱モデル設定項目 (6) 及び (7) をパラメータと対象にした熱モデルでは、上記の項目 (6) 及び (7) を模擬し、表３に示す４つの解析ケースを設定した（Case １がしないことが多い。つまり、これらについては理想的な通常のモデル化に相当：A/D 変換ステップと給電遅れの制 御 が仮 定 された解 析 結 果 を得 ることになる。この影響を考慮しない）。

場合、解析結果（時系列のデータ）から、ヒータ on/off

解析結果一覧を表４に示す。また、各ケースの温度及の周期が十分大きいこと等を確認し、項目 (6) 及び (7) のびヒータステータスの時系列データを図３～６に示す。

2

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表3

解析ケース一覧

項目

Case １Case ２

Case ３

Case ４

ヒータ on/off 判定に使用する温度の A/D 変換ステップ

０℃

１℃

０℃

１℃

ヒータ給電までの遅れ時間

0 sec

0 sec

30 sec30 sec

通常のモデル化–––

表4

解析結果一覧

備考

項目

Case １Case ２

Case ３Case ４

機器取付点温度– 2.3 ～ – 0.7 ℃（1.6 ℃）– 2.7 ～ – 0.3 ℃（2.5 ℃）– 2.4 ～ – 0.4 ℃（2.1 ℃）– 2.8 ～ 0.0 ℃（2.9 ℃）

ヒートシンク平均温度– 2.0 ～ 0.3 ℃（2.3 ℃）– 2.5 ～ 0.8 ℃（3.3 ℃）– 2.1 ～ 0.7 ℃（2.8 ℃）– 2.6 ～ 1.2 ℃（3.8 ℃）

27 %

27 %

27 %

27 %

ヒータ Duty※括弧内は温度変動幅

3

機器取付点温度

機器取付点温度センサ温度2センサ温度ヒータON温度21

ヒータ給電-1-2-3

ヒータon/off
ヒータ給電

0-1-2-3-4-4-50180360

図3540

720
時間[sec]9001080

1260-514400

時系列データ（Case １）

360

図4540

720
時間[sec]9001080

1260

1440

1260

1440

時系列データ（Case ２）33

機器取付点温度

機器取付点温度

センサ温度

2

センサ温度

2

ヒータON温度

1

ヒータ給電

0-1
-2-3

A/D変換後のセンサ温度

ヒータOFF温度

1

ヒータon/off
ヒータ給電

0

温度[℃]

ヒータon/off

センサ温度
ヒータON温度

ヒータon/off or ヒータ給電ステータス

ヒータOFF温度

温度[℃]

180

ヒータon/off or ヒータ給電ステータス

温度[℃]0A/D変換後のセンサ温度

ヒータOFF温度

1

温度[℃]

ヒータon/off

センサ温度
ヒータON温度

ヒータon/off or ヒータ給電ステータス

ヒータOFF温度

ヒータon/off or ヒータ給電ステータス

3-1-2-3-4-4-5-50

180360

図5540720
時間[sec]9001080

126001440

時系列データ（Case ３）

180360

図63540720
時間[sec]9001080

時系列データ（Case ４）

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図７

ヒートシンク温度分布図(4)

さらに、Case １及び Case ４について、ヒートシンクの今回のコンフィギュレーションでは、ヒータ容量の解析結果の評価を以下に示す。
(1)

妥当性評価は、Case １に相当する通常の熱モデル化

Case １と Case ２の機器取付点温度の変動幅を比較で大きな問題は無いと言える。

すると、Case ２の方が A/D 変換の１ステップ分

(2)

(3)

Case １～ Case ４のヒータ Duty（ヒータ on 時間の割合）を比較すると、有意な差異は見られない。

温度分布図を図７に示す。

（１℃）程度大きくなる。ヒータ on/off 温度を検討す

今回、解析ケースを設定しなかったが、従系ヒータ制る際は、A/D 変換の温度テーブルを確認する必要が御時の結果を併せて確認する必要がある。また、ヒータある。また、温度変動が問題となる場合は、温度セ及び温度センサのレイアウトの条件を変えた解析ケース

ンサ種類、A/D 変換カーブ等の見直しを検討する。

を設定することにより、レイアウトの最適化に必要な情

Case １と Case ３の機器取付点温度の変動幅を比較報が得られる。

すると、Case ３の方が 0.5 ℃程度大きくなる。今回

以上より、ヒータ on/off 判定に使用される温度の A/Dの条件では温度変動の周期は 10 分程度（ヒータ on変換、制御系設計に依存する給電遅れの熱モデル化有無

継続時間が３分程度、ヒータ off 継続時間が７分程が解析結果に与える影響を定量的に確認できた。条件に度）であったが、周期がより短くなる場合、ヒータよってはヒータ制御による温度変動幅に影響がある。熱給電までの遅れ時間の影響は相対的に大きくなる。

モデルで模擬されていない項目を理解し、その影響の程度問題となる結果であれば、温度データ更新周期、を認識しておくことで、通常のモデル化で得られた解析ヒータ on/off 判定周期等の見直しを検討する。

結果から十分な評価を実施できる場合が多いと考える。

Case １と Case ４のヒートシンク平均温度を比較す

ヒータ制御に限らず、衛星システムや各サブシステムると、温度変動の大きさは 1.5 ℃程度異なる。温度とインタフェースする項目については、基本設計の段階変動による変形が気になる場合等は熱解析結果を用で大きな問題がないか確認し、必要なリソースの確保及びいて影響を評価する。

インタフェース条件の調整を実施しておく必要がある。

4

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その際、熱解析結果を活用した定量的なトレードオフ

European Space Thermal Analysis Workshop，

は、衛星開発の進捗及び性能向上に貢献すると考える。

Appendix F（2015）(6) 舟生 豊朗，ほか：次世代熱制御システムの標準化

4．
むすび検 討， 第 57 回 宇 宙 科 学 技 術 連 合 講 演 会 講 演 集，JSASS–2013–4085（2013）

人工衛星ヒータ制御の熱モデル化に関して、ヒータ(7) 宇宙航空研究開発機構：JAXA 共通技術文書 電気

on/off 判定に使用される温度の A/D 変換、制御系設計に設計標準，JERG–2–200（2008）

依存する給電遅れの熱モデル化有無による熱解析結果の差異を確認した。条件によってはヒータ制御による温度変動幅に影響があることが分かった。これらの項目は、Thermal Desktop、SINDA/FLUINT は、C&R

通常の衛星システム全体を対象にした熱解析で考慮されTechnologies，Inc. の登録商標です。

ないことが多い。今回、一例としてヒータ制御を取り上げたが、熱制御系として評価すべき項目は多岐に渡る。

執筆者紹介

他の項目についても解析対象（衛星システム）を理解し、井本 寛之

目的に合った熱モデル化を選択し、要すればモデルを使2006 年入社。入社以来、宇宙機の熱設計・解析業務等にい分けて必要な検討・検証を網羅することが必要である。

従事。技術士（航空・宇宙部門）。

参考文献

酒井 菜名子(1) 大西 晃，ほか：宇宙機の熱設計，名古屋大学出版会

2009 年入社。入社以来、宇宙機の熱設計・解析業務等に（2014）従事。

(2) Gilmore，D. G.：Spacecraft Thermal Control
Handbook Volume I：Fundamental Technologies，

北嶋 麻里絵Second Edition，The Aerospace Press（2002）

2011 年入社（日本アドバンス・テクノロジー株式会社）。

(3) C&R Technologies，Inc.：Thermal Desktop User's

入社以来、宇宙機の熱設計・解析業務等に従事。

Manual，Version 6.0（2017）(4) C&R Technologies，Inc.：SINDA/FLUINT User's

平出 和広

Manual，Version 6.0（2017）1991 年入社。入社以来、宇宙機の熱設計・解析業務等に(5) Celotti，L.，et al.：MASCOT thermal design：howto deal with late and critical changes，29

従事。

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