基于熱光學技術的空間光學系統熱設計

陳立恒，吳清文，劉 巨，郭 亮，于善猛

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

基于熱光學技術的空間光學系統熱設計

陳立恒，吳清文，劉 巨，郭 亮，于善猛

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

為了驗證空間光學系統熱設計的合理性，利用光-機-熱集成的熱光學分析技術論證了空間光學系統的熱設計方案。首先，闡述了熱光學技術的一般方法以及熱光學技術與熱設計的關系，同時根據空間光學遙感器所處的空間環境和結構特點，應用被動和主動熱控技術對空間光學系統進行了熱設計。然后，利用有限元方法對熱控后的溫度場和熱彈性變形進行了分析，得出該溫度載荷條件下光學元件表面的變形量及剛體位移量，利用Zernike多項式進行了波面擬合。最后，用CodeⅤ光學設計軟件計算了熱載荷作用下光學系統的傳遞函數。結果表明，各種工況下全視場范圍內光學系統分辨率為50lp時，傳遞函數均超過0.5，成像良好，能夠滿足光學設計指標，熱設計方案合理可行。

空間光學；光學系統；熱設計；熱光學分析

1 引言

空間遙感器是長壽命對地觀測衛星的主要有效載荷，通常是具有較高分辨率的大型光學儀器。衛星的軌道壽命與任務性質要求遙感器在嚴酷的空間環境下具有可靠的光學性能，因此，必須有較高的熱穩定性，即良好的抵抗空間熱載荷的能力。空間光學遙感器在整個壽命期間處于真空冷黑環境中，受到不斷變化的空間外熱流和內部熱源的影響，其溫度水平和分布狀態也處于不斷變化之中，因此光機結構中呈現出不同部位具有不同的溫度，甚至同一部位在不同時刻溫度也不相同。這種不斷變化的溫度狀態給光學成像系統成像質量帶來極大的影響，主要體現在光學元件的折射率發生變化，形成折射率梯度；光學元件因不均勻熱膨脹而導致面形變化；由于結構熱變形導致光學元件剛體位移即離軸、離焦和相對傾斜［1］。這3種效應都會使光學系統產生視軸漂移、波前畸變，使光學系統光學傳遞函數下降，導致成像質量變差。為了保證相機滿足光學性能要求，必須進行嚴格的熱光學分析（Thermal-optical analysis），以便改進相機的設計，提高相機的熱光學性能。

所謂熱光學分析技術，就是直接采用光學指標對空間光學遙感器的熱設計進行評價和優化［2］。在熱光學分析過程中，溫度數據僅僅是一種中間變量和設計結果，不作為熱設計的最終指標。美國早在20世紀70年代，就開始采用熱光學分析法對高分辨率光學窗口和大口徑空間望遠鏡進行熱設計，并采用波前探測器實時測量光學元件的波面變化。俄羅斯莫斯科空間研究所設計的熱光學試驗裝置，可在真空罐中實時檢測帶有真實溫度梯度的主鏡光學面形變化。在國內，中科院長春光機所近年來結合課題進行了大膽的嘗試，引進了幾套國際通用的熱、結構和光學分析軟件，自行編制了軟件間的接口程序，基本具備了熱光學分析能力，并首次采用熱光學分析法對詳查相機光學窗口和外遮光罩進行了熱設計，得到了滿意的結果［2～7］。本文對某空間光學遙感器的光學系統進行了熱設計，并利用光-機-熱集成的熱光學分析技術對光學系統的熱設計方案進行了論證，驗證了熱設計的合理性。

2 熱光學分析技術

空間光學遙感器光學系統的熱設計是在其熱光學分析的基礎之上，采取各種熱控措施來組織遙感器系統內、外的熱交換過程，以保證遙感器系統各元件在整個應用周期內的溫度場都保持在熱光學分析所制訂的溫度指標范圍內。空間光學遙感器系統的熱控措施是對抗環境溫度劇烈波動，保證遙感器光學系統正常工作的主要手段，因此，遙感器系統的熱設計是工程設計中極為重要的一個環節。熱設計時應盡量降低熱控系統的質量和能耗，同時保證較高的適應性和可靠性。圖1所示為一個典型的熱光學分析與熱設計流程簡圖，本文所要研究的內容就是從熱設計到光學分析，再到熱設計這樣一個閉環過程，以驗證熱設計的合理性。

圖1 熱光學技術與熱設計流程簡圖Fig.1 Flowchart of thermal-optical analysis and thermal design

熱光學技術反映的是空間光學遙感器系統的光學性能和空間熱環境之間的相互關系，能為進一步開展熱控設計提供方向和目標，因此，熱光學分析在熱設計中的地位尤為重要。空間光學遙感器系統的熱光學分析同時又是一個非常復雜的課題，它涉及熱學、力學、光學、空間物理學、數學和材料學等內容，是典型的跨學科的綜合性技術。圖2為熱光學分析流程圖。熱光學分析的基本過程是：首先建立研究對象，根據空間光學遙感器的光機結構模型得到熱模型；將假設的溫度載荷作為邊界條件輸入到熱模型中進行溫度場計算，得到溫度場分布；計算在設定溫度場分布作用下光學表面的熱彈性變形情況，包括光學元件剛體位移和面形變化，提取表面參數進行波面擬合；把擬合得到的系數通過數據接口代入到光學模型中計算光學系統在熱彈性變形的情況下是否能滿足光學指標。通過以上幾個步驟的迭代計算，可以得到光機結構可適應的邊界溫度，根據這個臨界溫度來確定熱控指標；通過熱光學計算也可以對熱設計的合理性進行驗證。

圖2 熱光學分析流程圖Fig.2 Flowchart of thermal-optical analysis

3 光學系統的熱設計

空間光學遙感器作為航天器的有效載荷，在衛星平臺上的搭載方式為裸露于太空中，其軌道壽命與任務性質決定了其必須在嚴酷的空間環境下具有可靠的光學性能。遙感器安裝在衛星平臺外壁面上，在軌道運行過程中，受到太陽輻照、地球紅外輻射、地球陽光反照及空間冷黑熱沉的交替加熱和冷卻，其表面各部分接受輻射熱量不均勻性和隨時間的變化，將造成表面溫度分布的不均勻和波動。遙感器與衛星平臺外壁面上的法蘭連接，與外界的熱交換主要通過輻射及與衛星平臺安裝界面的熱傳導進行。而內熱源功耗較大，會給熱設計增加一定的難度。

熱設計的目的就是要減少攝像機所處的惡劣空間環境所帶來的影響，保證其各部分維持在各自的溫度范圍內，確保光學組件正常工作。熱控系統的功能是通過控制光學遙感器內部和外部熱交換過程，使其溫度在整個工作期間維持在要求的范圍內，并且滿足高可靠性和低功耗等要求。為此，熱控系統的設計原則被確定為［8～12］：

（1）以被動熱控為主，主動熱控為輔；

（2）盡量采用成熟技術，嚴格遵循各項熱控規范和標準，以保證熱控系統的高可靠性；

（3）綜合考慮光、機、電、熱及空間軌道環境條件，從系統高度出發進行整體熱控優化。

根據上述的原則，針對遙感器結構特點及所處的空間環境，對其光學系統進行了熱設計。首先，光學鏡頭鏡座的前端圓柱面和后端圓柱面包覆多層隔熱材料（MLI），采用尼龍搭扣將其固定在鏡頭的鏡座上。其次，鏡座與箱體之間用聚酰亞胺墊隔離，鏡座與箱體連接處采用鈦合金螺釘，以增強隔熱效果。同時，在光學鏡頭前端安裝隔熱窗口，隔熱保護窗口組件由窗口玻璃與窗框組成，窗口玻璃與窗框間用硅橡膠熱隔離，窗口玻璃外表面鍍反紅外透可見光的ITO膜，窗口組件與箱體間用聚酰亞胺隔熱墊隔熱。最后，為保證光學系統工作時軸向溫差在指標要求范圍之內，同時在遙感器不工作時維持光學系統的溫度水平，采用電加熱的方法，在鏡座的前端圓柱面和后端圓柱面粘貼聚酰亞胺電加熱膜，當遙感器不工作時，通過溫差驅動的方式，分別對光學鏡頭鏡座的前端圓柱面和后端圓柱面的兩個加熱區進行加熱，直至將成像鏡組軸向溫差拉平。

總的來看，該空間光學系統的主要熱控策略是在被動熱控的基礎上加主動熱控。被動熱控主要采用包覆多層隔熱材料與熱控涂層以及加隔熱墊等手段進行熱隔離；主動熱控主要采用電加熱膜進行溫差補償的辦法將溫度拉平至熱控指標范圍之內。具體的熱控效果需通過熱光學分析來進行驗證。

4 光學系統的熱光學分析

熱光學分析是計算在給定的溫度載荷作用下，由于結構的熱彈性變形引起的光學表面的面形變化、幾何位置變化及透鏡折射率梯度變化所引起的光學系統光程差的變化情況。空間光學系統的熱光學計算主要包括溫度場計算、熱彈性計算和光學計算3個主要步驟。目前國內外通常用調制傳遞函數法對高質量光學系統進行像質評價，這種方法便于對整個通道中的各個環節進行綜合討論，因此，這里采用系統中光學系統傳遞函數MTF作為成像質量的評價指標，本文討論的光學系統傳遞函數為MTF（@50lp/mm）≥0.5。

4.1 溫度場計算

根據前一節熱設計采取的熱控措施得到的計算參量見表1，將不同工況作為輸入條件，計算整個光學遙感器的溫度場分布，在熱傳遞路徑中考慮構件連接的接觸熱阻以及熱輻射耦合等因素，經穩態計算得到的空間光學遙感器光機結構關鍵部件的溫度數據如表2。

表1 主要計算參量Tab.1 Main parameters of calculation

表2 光學系統部件的溫度數據Tab.2 Tem perature data of optical system

圖3 光學系統的有限元模型Fig.3 FEA model of optical system

4.2 熱彈性計算

將溫度場計算所得到的溫度場分布作為熱彈性計算的邊界條件，并作為溫度載荷施加到光學系統，同時考慮自重和邊界約束條件，計算了在該溫度場作用下光學系統的熱變形情況，得到光學表面面形以及光學元件間相對位置變化，進而轉換為光學計算的輸入條件，進行光學性能評價。本文利用有限元軟件MSC.PATRAN/NASTRAN進行分析計算，建立的光學系統有限元模型如圖3所示，包括1 284個單元，1 778個節點。將溫度場計算所得到的溫度數據轉化為結構分析的溫度載荷，同時加上與光學元件相連的成像鏡組鏡座的邊界約束條件，進行熱彈性計算，經處理后得到了光學系統各個光學表面節點的位移值。光學元件在溫度場載荷作用下的變形如圖4所示。

圖4 高溫工況時光學元件變形圖Fig.4 Displacement and deformation ofmirror in high temperature operating condition

4.3 光學計算

空間遙感器的光機結構在環境載荷的作用下，其光學元件面形會發生變化，而面形的變化又導致光學系統性能的下降。對光學系統，人們關心的是各種因素引起的鏡面變形對反射或透射波面的影響，通常用光學波像差來衡量，而其主要評價指標為波像差PV值和RMS值，可通過計算實際波面和理想波面之間的光程差獲得。熱彈性變形的結果由光學表面提取，基于最小二乘法，利用Zernike多項式進行波面擬合得到各個鏡面的波前差值。由于Zernike多項式的各項與光學像差有相應的對應關系，可以精確地描述畸變光學表面，并且每一項都對應明確的物理意義，因此，把Zernike多項式作為光學和結構分析的接口工具是十分方便的。然后應用光學軟件Code V進行光學計算。Code V是具有代表性的光學設計分析程序，對光學系統進行光學性能分析是其基本應用之一，它有直接讀取.INT文件數據的功能，將變形結果擬合的數據轉化為變化的面形，分別對原始光學元件面形進行修正，使修正后的面形與熱變形后的面形相符。

經過熱彈性計算得到鏡面變形值后，可以通過擬合得到Zernike多項式系數，將其寫入到一個.INT文件，作為光學軟件CodeⅤ的輸入文件。CodeⅤ軟件根據讀取的擬合數據可以得到光學系統在不同工況下發生熱彈性變形時的MTF曲線，如圖5和圖6所示。

圖5 光學系統低溫工況時的傳遞函數Fig.5 MTF of optical system in low temperature operating condition

圖6 光學系統高溫工況時的傳遞函數Fig.6 MTF of optical system in high temperature operating condition

從圖5和圖6中可以看出在全視場范圍內光學系統分辨率為50lp時傳遞函數均超過0.5，成像良好，能夠滿足光學設計指標，從而驗證了針對空間光學遙感器光學系統的熱設計的合理性。

5 結論

本文針對某空間光學遙感器的光學系統進行了熱設計，并利用熱光學分析方法對空間光學系統的熱設計方案進行了論證。結果表明，全視場范圍內光學系統分辨率為50lp時傳遞函數均超過0.5，成像良好，能夠滿足光學設計指標，驗證了熱設計的合理性。本文所述光學系統的熱設計和熱光學分析實現了光學設計-結構設計-結構熱分析-結構熱力學分析-光學設計的閉環設計過程，其研究方法及技術路線完全可以推廣應用到其它空間光學系統，具有一定的工程意義。

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Thermal design of space optical system based on thermal-optical technique

CHEN Li-heng，WU Qing-wen，LIU Ju，GUO Liang，YU Shan-meng
（Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）

The thermal design of space optical systems is proved by an integrated method of optical-mechanical-thermal analysis.The generalmethod for thermal-optical is explained，and the relationship between thermal-optical analysis and thermal design is expressed.Then，a thermal control system for space cameras is designed by active and pasitive thermal controlmethods according to its space environment and structure characteristics.The temperature field and thermal elastics at some special boundary conditions are analyzed based on the finite elementmethod，and the displacements and deformations of all the optics surfaces are fitted with Zernike polynomials.Finally，the Modulation Transfor Function（MTF）of space optical system is calculated by CodeⅤ.The results show that the MTF of space optical system is better than 0.5 when its resolution is 50 lp，which meets the requirements of optical design，and proves that the thermal design is reasonable and feasible.

space optics；optical system；thermal design；thermal-optical analysis

2009-01-15；

2009-04-19

1674-2915（2010）03-0223-06

V243.5；V416.4

A

陳立恒（1979—），男，吉林農安人，助理研究員，博士，主要從事空間光學遙感器熱控制技術方面的研究。E-mail：chenliheng3@163.com

吳清文（1968—），男，四川簡陽人，博士，研究員，博士生導師，主要從事光學精密儀器CAD/CAE研究和空間光學遙感器熱控技術的研究。E-mail：wuqw@ciomp.ac.cn