天文探測衛(wèi)星定點(diǎn)觀測模式外熱流變化規(guī)律分析

周宇鵬 趙欣 孫騰飛 陳春亮

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

1 引言

對于絕大多數(shù)繞地球軌道運(yùn)行的衛(wèi)星，其觀測目標(biāo)均在地球表面，因此該類衛(wèi)星的觀測載荷大多布局在對地面，采用三軸穩(wěn)定對地姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)對地球目標(biāo)的觀測；而對于天文探測衛(wèi)星，其觀測目標(biāo)通常是分布在整個宇宙中的黑洞、中子星、暗物質(zhì)等特殊物體，衛(wèi)星探測載荷依據(jù)任務(wù)需求可能朝向整個宇宙空間的任一方位，其工作模式及姿態(tài)與以往發(fā)射的衛(wèi)星截然不同［1-2］。一般來說，天文衛(wèi)星主要觀測模式包括：巡天觀測模式、定點(diǎn)觀測模式和特殊天區(qū)掃描觀測模式。其中，為了確保對某一目標(biāo)天體進(jìn)行精確定位和長期觀測（如Lockman Hole區(qū)域以及斯隆數(shù)字巡天（Sloan Digital Sky Survey，SDSS）的部分X 射線源密集區(qū)域［1，3］），衛(wèi)星往往采用定點(diǎn)觀測的工作模式，即在衛(wèi)星飛行過程中，衛(wèi)星采用慣性空間三軸穩(wěn)定定向，使其探測載荷光軸始終對準(zhǔn)慣性空間某一天體目標(biāo)，并根據(jù)用戶觀測需求通過姿態(tài)機(jī)動對準(zhǔn)不同觀測目標(biāo)，這直接導(dǎo)致了定點(diǎn)觀測模式下衛(wèi)星外熱流與之前大多數(shù)對地觀測衛(wèi)星的差異。外熱流變化規(guī)律是衛(wèi)星熱控設(shè)計(jì)非常重要的設(shè)計(jì)參考和依據(jù)［4-5］，其決定了散熱面設(shè)計(jì)與極端工況的選擇，因此對具有定點(diǎn)觀測模式的天文衛(wèi)星熱控設(shè)計(jì)提出了新的要求。

目前，國內(nèi)外報(bào)道的有關(guān)天文探測衛(wèi)星定點(diǎn)觀測模式下外熱流變化規(guī)律的研究還較少，僅有的國外相關(guān)文獻(xiàn)也是以衛(wèi)星的熱設(shè)計(jì)狀態(tài)為主［1-2］。本文以傳統(tǒng)六面體衛(wèi)星為例，首先介紹了定點(diǎn)觀測模式下的衛(wèi)星特定姿態(tài)和相關(guān)科學(xué)觀測約束，基于對觀測約束的分析，并結(jié)合考慮衛(wèi)星有、無遮陽擋板的狀態(tài)，展開了較為全面的外熱流變化規(guī)律分析，可為天文探測衛(wèi)星的熱控設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

2 天文探測衛(wèi)星定點(diǎn)觀測模式及約束

2．1 定點(diǎn)觀測模式描述

天文探測衛(wèi)星采用的是六面體結(jié)構(gòu)（如圖1所示），為了空間探測任務(wù)的需要，所有的探測載荷均安裝在-Z面上（即傳統(tǒng)對地觀測衛(wèi)星的對天面上），衛(wèi)星采用的是單自由度太陽翼，分別安裝在衛(wèi)星的-Y、＋Y側(cè)。衛(wèi)星在飛行過程中，因科學(xué)任務(wù)的需求會采用多種觀測模式（如巡天觀測模式、定點(diǎn)觀測模式等），其中定點(diǎn)觀測模式是為了實(shí)現(xiàn)對天體目標(biāo)（如黑洞、中子星、活動星系等）的精確瞄準(zhǔn)并進(jìn)行長時(shí)間觀測，以分析其快速光變和能譜性質(zhì)。由于天體目標(biāo)在慣性空間中的位置在較長時(shí)間里是不變的，因此可以通過姿態(tài)控制實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星慣性空間-X對日定向姿態(tài)轉(zhuǎn)為探測器（-Z面）指向目標(biāo)慣性空間中某一指定的觀測目標(biāo)。

考慮到地磁異常的南大西洋區(qū)（SAA）、高能質(zhì)子、磁力線分布、范·艾倫輻射帶等宇宙特殊的物質(zhì)及現(xiàn)象，此類天文探測衛(wèi)星多采用的是高度較低的傾斜軌道［1，6］。這樣，β角（太陽矢量與軌道平面的最小夾角）在軌變化范圍較大，且受地球紅外和反照影響較大，因此對于該類衛(wèi)星的外熱流分析將帶來較大的難度。

圖1 天文探測衛(wèi)星定點(diǎn)觀測約束示意圖Fig．1 Configuration and pointing observation restrictions of an astronomical satellite

2．2 約束條件及分析

天文探測器探測的是宇宙目標(biāo)天體的光譜特性，因此為了防止干擾，其觀測視場與入射太陽光之間需要滿足一定的位置關(guān)系，也就是要求對于定點(diǎn)觀測時(shí)具有相應(yīng)的姿態(tài)約束條件：即目標(biāo)方向與太陽方向的夾角θ（如圖1所示）須滿足定點(diǎn)觀測的約束條件：

圖2分別給出了冬至、春分不同θ角所對應(yīng)的觀測區(qū)域。

除了對觀測條件的約束，從整星能源及熱控設(shè)計(jì)角度考慮，也可以對定點(diǎn)觀測模式下的衛(wèi)星姿態(tài)提出額外的約束條件：

（1）保證太陽光方向始終與太陽翼正面法向平行，這樣能保證充足的能源條件；

（2）保證太陽矢量與星體±Y面平行，且與衛(wèi)星＋X方向夾角始終不小于90°，保證在整個定點(diǎn)模式下，衛(wèi)星＋X、±Y面不受太陽照射，給衛(wèi)星平臺提供穩(wěn)定良好的散熱面；

（3）如果天文探測器有較低的溫度要求時(shí)，則需要對-Z面設(shè)置遮陽擋板，避免陽光直接照射到探測器表面，遮陽擋板設(shè)計(jì)則須考慮探測器的尺寸、布局及θ角。

基于以上約束條件，使得六面體衛(wèi)星各個表面與地球之間的角系數(shù)始終在變化，因此紅外熱流及反照熱流也隨著衛(wèi)星定點(diǎn)觀測時(shí)的不同位置而變化。后文將以43°的傾斜軌道，且以θ角在70°～180°的某型號衛(wèi)星為例，分析定點(diǎn)觀測模式下衛(wèi)星的外熱流變化規(guī)律，以及考慮有、無遮陽擋板對外熱流的影響。

圖2 定點(diǎn)觀測觀測范圍示意圖（其中陰影區(qū)域?yàn)橛^測區(qū)域）Fig．2 Observation area of pointing observation mode（showed as the shadow area）

3 定點(diǎn)觀測模式外熱流分析

3．1 無遮陽擋板下外熱流分析

在分析定點(diǎn)模式下的外熱流前，先確定43°傾斜軌道的β角變化范圍。β角與升黃赤經(jīng)夾角之間是相互關(guān)聯(lián)的，其關(guān)系如下［7］：

式中：iRI為衛(wèi)星軌道傾角；Ωθ為升黃赤經(jīng)夾角；Ω為升交點(diǎn)赤經(jīng)，｜δS｜≤23．5°。

根據(jù)式（2），可以得到

式中：sinΩS≤1。

由式（4）可以推導(dǎo)出β角的變化范圍為：-66．5°≤β≤＋66．5°，在后續(xù)的外熱流分析中，將選取β角的極小值（β＝0°）和極大值（β＝-66．5°）來考慮。

為分析定點(diǎn)觀測不同約束角θ下的外熱流，選取了某個特定天球區(qū)域的觀測點(diǎn)（δobj＝23．5°，取夏至?xí)r刻太陽赤緯）和相對應(yīng)的特定時(shí)間（冬至，δS＝-23．5°，ΩS＝270°，太陽常數(shù)1411 W／m2），同時(shí)考慮2．2節(jié)的約束條件（1）、（2）。

依據(jù)式（1），冬至?xí)r刻，約束角為θ時(shí)的定點(diǎn)觀測目標(biāo)經(jīng)度Ωobj范圍見表1。

表1 定點(diǎn)觀測目標(biāo)經(jīng)度（Ωobj）范圍與約束角（θ）的關(guān)系（冬至）Table 1 Relationship between longitude range of pointing observation object（Ωobj）and restriction angle（θ）（winter solstice） （°）

為進(jìn)一步分析定點(diǎn)觀測模式下的外熱流特點(diǎn)，選取θ＝70°的約束條件（即最小約束條件），討論選取不同觀測點(diǎn)下的外熱流，并考慮不同β角的影響，具體結(jié)果見表2和圖3。

表2 定點(diǎn)觀測模式下不同觀測點(diǎn)下的軌道周期平均外熱流密度（θ＝70°）Table 2 Periodic average external heat flux of different pointing observation objects（θ＝70°）

圖3 定點(diǎn)觀測模式下不同觀測點(diǎn)下的周期平均外熱流曲線圖（θ＝70°）Fig．3 Graph of periodic average external heat flux of different pointing observation objects（θ＝70°）

對以上結(jié)果分析可知：

1）太陽直照＋地球反照

（1）在約束條件的Ωobj內(nèi)（Ωobj≤216．6°），與其他面相比，衛(wèi)星＋Z面、-X面受到的太陽直照和地球反照外熱流較大，不適合作為衛(wèi)星的散熱面；其中當(dāng)Ωobj＝90°時(shí)（此時(shí)太陽、衛(wèi)星、地球和觀測目標(biāo)處于同一直線），＋Z面受到的太陽直照和地球反照外熱流達(dá)到峰值，-X面受到的太陽直照和地球反照外熱流為最小值。

（2）從圖3（a）、（b）外熱流分析可以看到，依據(jù)2．2節(jié)的約束條件（2），衛(wèi)星＋X、＋Y、-Y面的太陽直照和地球反照外熱流很小而且穩(wěn)定，也可選作為衛(wèi)星的穩(wěn)定良好散熱面，也驗(yàn)證了2．2節(jié)的約束條件（2）在定點(diǎn)觀測模式下對于熱控設(shè)計(jì)的重要性。

（3）對比圖3（a）、（b）外熱流可知，相對于β＝-66．5°時(shí)，β＝0°時(shí)主散熱面＋X、＋Y、-Y面的太陽直照和地球反照外熱流更大，＋Z、-X面的太陽直照和地球反照外熱流的更小，說明β＝0°時(shí)衛(wèi)星的太陽直照和地球反照外熱流環(huán)境更惡劣。

（4）-Z面（即有效載荷面）的太陽直照和地球反照外熱流在Ωobj＞180°時(shí)也開始明顯增大，這對于有較低溫度要求的天文探測器是一個不利的定點(diǎn)觀測區(qū)域，該分析結(jié)果可以為衛(wèi)星的在軌觀測計(jì)劃提供參考。

2）地球紅外

由圖3（c）、（d）可知，相對于太陽直照和地球反照外熱流，地球紅外熱流在約束條件的Ωobj內(nèi)（Ωobj≤216．6°）變化波動較小（30 W／m2以內(nèi)），特別是對于衛(wèi)星的主散熱面（＋X面、＋Y面、-Y面），定點(diǎn)觀測區(qū)域的變化對衛(wèi)星主要散熱面的散熱能力影響不大。

3．2 有遮陽擋板下外熱流分析

考慮對天文探測器有較低溫度要求時(shí)，依據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)和探測器布局，對定點(diǎn)觀測模式下衛(wèi)星-Z面需要設(shè)置遮陽擋板，以避免陽光直接照射到探測器表面，即2．2 節(jié)的約束條件（3）。在前文的基礎(chǔ)上，本節(jié)進(jìn)而對比分析有遮陽擋板情況下的外熱流（僅考慮β＝0°的情況），其中基于衛(wèi)星-X面對著太陽，遮陽擋板在-X面的-Z方向加載，具體外熱流分析結(jié)果如表3和圖4所示。

表3 定點(diǎn)觀測模式下不同觀測點(diǎn)下的軌道周期平均外熱流密度（θ＝70°，β＝0°，有遮陽擋板）Table 3 Periodic average external heat flux of different pointing observation objects（θ＝70°β＝0°，sun shield）

對以上的結(jié)果分析可發(fā)現(xiàn)：

1）地球紅外

如圖4（a）所示，在約束條件的Ωobj內(nèi)（Ωobj≤216．6°）遮陽擋板對-Z面（即探測器觀測面）地球紅外熱流均有一定的遮擋效果，且遮擋效果接近（有、無遮陽擋板的地球紅外熱流相差11～15 W／m2），但考慮到熱控涂層的紅外吸收率相對于其太陽吸收比要大很多，因此遮陽擋板對地球紅外熱流的遮擋效果也不可忽視，特別是對搭載低溫天文探測器的近地軌道衛(wèi)星。

2）太陽直照＋地球反照

如圖4（b）所示，在約束條件的Ωobj內(nèi)（Ωobj≤216．6°），遮陽擋板對-Z面（即探測器觀測面）太陽直照和地球反照熱流均有一定的遮擋效果，特別是在Ωobj＞180°時(shí)，遮陽擋板的遮擋效果明顯（有、無遮陽擋板的太陽直照＋地球反照熱流相差246．7 W／m2），這對于有低溫要求的衛(wèi)星載荷，在定點(diǎn)觀測模式下是非常值得考慮增加遮陽板的。

圖4 定點(diǎn)觀測模式下不同觀測點(diǎn)下周期平均外熱流曲線圖（θ＝70°，β＝0°，-Z 面）Fig．4 Graph of periodic average external heat flux of different pointing observation objects（θ＝70°，β＝0°，-Z）

4 結(jié)果對比

表4給出了冬至?xí)r刻的特定定點(diǎn)觀測目標(biāo)下，衛(wèi)星六個面有、無遮陽擋板下的軌道周期平均熱流密度，以及按文獻(xiàn)［8］計(jì)算所得的艙板對應(yīng)虛擬熱沉溫度（T），如式（5）所示。

式中：αS為太陽吸收比；εl為紅外發(fā)射率；（qCO＋qAL）為太陽光譜熱流密度；qIR為地球紅外熱流密度。

表4 冬至?xí)r刻衛(wèi)星六個面所對應(yīng)的軌道周期平均熱流及虛擬熱沉溫度（β＝0°，δobj＝23．5°，θ＝70°）Table 4 Periodic average external heat flux and suppositional heat sink temperature of the six satellite boards in winter solstice（β＝0°，δobj＝23．5°，θ＝70°）

從表4結(jié)果分析可知：①衛(wèi)星＋Y、-Y面的虛擬熱沉溫度受Ωobj和遮陽擋板的影響較小，且相對較低，可考慮作為衛(wèi)星定點(diǎn)觀測模式下的穩(wěn)定散熱面；②衛(wèi)星-Z面（即有效載荷面）的虛擬熱沉溫度受遮陽擋板的影響較大，且隨Ωobj的增大遮擋效果越明顯，可以保證-Z面散熱面的更大散熱能力，這說明在定點(diǎn)觀測模式下，增加對-Z面的遮陽擋板有利于滿足探測器的低溫要求。

5 結(jié)論

本文以傾斜軌道的傳統(tǒng)六面體衛(wèi)星為例，針對天文探測衛(wèi)星定點(diǎn)觀測模式下的特定姿態(tài)，并結(jié)合有關(guān)科學(xué)觀測約束，以及能源和熱控設(shè)計(jì)約束，進(jìn)行了較為全面的外熱流分析，可為天文探測衛(wèi)星的熱控設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)，主要結(jié)論如下：

（1）定點(diǎn)觀測模式下，衛(wèi)星六個面的太陽直照和地球反照外熱流在其不同觀測區(qū)域內(nèi)有3個面的波動較大，從保證整星散熱面的角度考慮，需要在定點(diǎn)觀測模式下對衛(wèi)星的觀測姿態(tài)提出約束；

（2）通過對探測器在有、無遮陽擋板下的外熱流對比分析表明，遮陽擋板可以有效地避免陽光直接照射到探測器表面（特別是對于探測器觀測面入射陽光直照熱流大的定點(diǎn)觀測區(qū)域），增設(shè)遮陽擋板對于有低溫要求的定點(diǎn)觀測天文探測器的熱控有較大作用；

（3）通過虛擬熱沉溫度比對，驗(yàn)證了相應(yīng)的定點(diǎn)觀測模式下外熱流分析結(jié)果，得出對于天文探測衛(wèi)星定點(diǎn)觀測模式下衛(wèi)星的＋Y面、-Y面和-Z面是其適合的散熱面。

（References）

［1］Gehrels N，Chincarini G．The Swiftγ-ray burst mission［J］．New Astronomy Reviews，2004，48（5-6）：431-435

［2］Kraft P，Kenter T．Design and testing of a low-cost xray CCD camera for the HRC program and beyond［C］／／Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering．California：Society of Photo-Optical，Instrumentation Engineers，1999：552-563

［3］李惕碚，吳枚．空間硬X 射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡［J］．物理，2008（9）：648-651

Li Tipei，Wu Mei．The hard X-ray modulation telescope mission［J］．Physics，2008（9）：648-651（in Chinese）

［4］閔桂榮，郭舜．航天器熱控制［M］．2版．北京：科學(xué)出版社，1998

Min Guirong，Guo Shun．Spacecraft thermal control［M］．2nd ed．Beijing：Science Press，1998（in Chinese）

［5］侯增祺，胡金剛．衛(wèi)星熱控制技術(shù)—原理及其應(yīng)用［M］．北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2007

Hou Zengqi，Hu Jingang．Satellite thermal control technology：principle and its application［M］．Beijing：Chinese Science and Technology Press，2007（in Chinese）

［6］Krimm，Hans A．The Swiftγ-ray burst MIDEX mission［J］．New Astronomy Reviews，2004，48（5-6）：551-557

［7］Gilmore D G．Spacecraft thermal control handbooks：volume I［M］．EI Segundo California：The Aerospace Press，2002

［8］趙欣，張加迅，李一凡，等．虛擬熱沉的理論分析及應(yīng)用［C］／／深空探測技術(shù)論文集．北京：中國空間技術(shù)研究院，2008

Zhao Xin，Zhang Jiaxun，Li Yifan，et al．Analysis and application of the suppositional heat sink［C］／／The Conference on Deep Space Observation Technology．Beijing：China Academy of Space Technology，2008（in Chinese）