一體化星敏感器溫度控制措施及試驗驗證

孫鵬 趙欣 劉偉 江海

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，空間熱控技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100094)

一體化有源像元(APS)星敏感器由于其姿態(tài)測量精度高，在要求高地面定位精度的光學遙感衛(wèi)星上獲得越來越多地應(yīng)用[1-2]。該星敏感器由于采用一體化結(jié)構(gòu)，單機熱耗集中且在不開啟制冷器時高達8 W，對星敏感器法蘭的溫度水平及穩(wěn)定度影響較大。此外，由于星敏感器大都安裝在衛(wèi)星對天面，空間外熱流波動較大，也會對星敏感器法蘭的溫度水平及穩(wěn)定度產(chǎn)生較大影響。由于星敏感器的光學組件直接安裝在法蘭上，法蘭的溫度水平及穩(wěn)定度直接影響星敏感器的姿態(tài)測量精度，進而影響衛(wèi)星的地面定位精度。因此，在熱設(shè)計過程中必須考慮星敏感器法蘭的高精度高穩(wěn)定性的溫度控制措施[3-4]。

目前,在軌航天器較少對星敏感器提出(T±1)℃(T為針對不同類型航天器星敏感器的溫度要求)高穩(wěn)定度的溫度控制需求，尚未見關(guān)于小型APS星敏感器集中布局的高穩(wěn)定度熱設(shè)計和試驗研究報道。本文以太陽同步軌道衛(wèi)星為例，針對(20±1)℃高穩(wěn)定度的溫度控制要求，對3臺一體化APS星敏感器集中布局的情況進行了全新熱控設(shè)計并進行了試驗驗證[5-6]。

1 星敏感器組成及布局

一體化APS星敏感器主要由星敏感器本體、光學系統(tǒng)、遮光罩、制冷器、電路等組成，其外形和在衛(wèi)星上的安裝位置如圖1和圖2所示[7-8]。3臺星敏感器通過1個一體化支架安裝在整星-Z側(cè)。

單臺星敏感器不開制冷器時熱耗為8 W，制冷器開啟后熱耗為12.1 W。星敏感器組熱耗集中，且法蘭接口溫度要求在整個壽命期間控制在(20±1)℃。

2 星敏感器組件溫度控制措施

星敏感器熱設(shè)計的目標是控制星敏感器安裝法蘭的溫度水平和穩(wěn)定度，而星敏感器法蘭的溫度水平和穩(wěn)定度主要受外熱流波動和內(nèi)熱源影響，在熱設(shè)計中，需盡量減少星敏感器吸收的外熱流，同時設(shè)計合理的散熱途徑將星敏感器吸收的外熱流和自身內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱量排散出去。此外，當星敏感器處于軌道陰影區(qū)時，外熱流突降會加劇星敏感器法蘭的溫度波動，需要設(shè)計合理的主動控溫回路。

綜上，下文通過熱擾動源波動控制、熱量傳遞路徑設(shè)計和高精度溫度控制參數(shù)選擇3方面，對星敏感器進行熱設(shè)計。

2.1 熱擾動源波動控制

由于星敏感器組件位于整星-Z側(cè)，外熱流在一個軌道周期內(nèi)可從0變化到1300 W/m2。需針對外熱流峰值和星敏感器熱耗最大極端工況進行熱設(shè)計，且熱設(shè)計需同時滿足衛(wèi)星正常飛行和姿態(tài)機動飛行姿態(tài)。

為有效抑制熱擾動源的波動，采取如下措施：

(1)星敏感器外表面包覆多層隔熱組件，盡量減少星敏感器(進光口除外)的吸收外熱流，減少其熱擾動源的總量；

(2)通過星敏感器遮光罩設(shè)計逐層消弱進光口的吸收外熱流，并通過星敏感器遮光罩與本體的隔熱手段，降低外熱流對星敏感器本體的影響；

(3)在星敏感器集熱冷板布置主動控溫加熱回路，以抑制星敏感器外熱流突降情況下造成的溫度波動。

2.2 熱量傳遞路徑設(shè)計

為將星敏感器熱擾動源波動疏散出去，需要構(gòu)建快速有效的傳熱通道，將傳遞到星敏感器的熱擾動快速排散，從而保證星敏感器法蘭具有極高的溫度穩(wěn)定度，具體措施如下：

(1)在星敏感器法蘭與星敏感器支架之間設(shè)計集熱冷板，收集外熱流波動和星敏感器自身熱耗波動帶來的熱量變化；

(2)在整星外熱流波動最小的艙板外建立星敏感器的獨立散熱面，以快速排散星敏感器的熱擾動；

(3)在集熱冷板和散熱面之間構(gòu)建三維熱管網(wǎng)絡(luò)作為傳熱通道。

由于熱管的傳熱能力隨著長度的增加而減小，單根熱管無法滿足長距離熱量的傳遞，且熱量傳遞為三維立體路徑，單根熱管需要多次彎扭才能實現(xiàn)熱量的傳遞，為保證熱量傳遞路徑的有效性和可靠性，在集熱冷板與散熱面之間的熱量傳遞路徑中設(shè)計過渡冷板，單臺星敏感器先使用2根三維小熱管將熱量從集熱冷板傳遞至過渡冷板上，再使用1根大熱管將熱量從過渡冷板傳遞至星敏感器獨立散熱面。

由于整個熱量傳遞路徑復(fù)雜，需要精確計算傳遞路徑每一環(huán)節(jié)的熱阻，其中小熱管與集熱冷板的接觸熱阻在熱量傳遞路徑中較為關(guān)鍵，在熱設(shè)計過程中需合理設(shè)計傳熱阻值，并做相應(yīng)的敏感性分析。

2.3 高精度溫度控制參數(shù)選擇

為保證星敏感器法蘭接口溫度在光照區(qū)和陰影區(qū)均滿足要求，在星敏感器集熱冷板布置主動控溫加熱回路，選用精度為±0.1 ℃的熱敏電阻進行控溫，并選用控溫精度為12 bit的控溫儀對加熱回路進行比例溫度控制。

基于以上熱設(shè)計方法的星敏感器組件最終熱控措施如圖3所示。

3 星敏感器熱仿真分析

3.1 計算模型及網(wǎng)格劃分

本文使用Thermal Desktop熱分析軟件求解熱網(wǎng)絡(luò)模型，考慮整星艙板外表面對星敏感器的遮擋和紅外輻射影響、以及星內(nèi)設(shè)備對星敏感器的輻射影響。針對第2節(jié)采用的熱控措施，在熱仿真分析中主要進行如下操作：

(1)對星敏感器進行精細建模，精確計算星敏感器遮光罩之間以及遮光罩與星敏感器本體之間的熱阻；

(2)對三維熱管網(wǎng)絡(luò)精細建模，將地面等效熱管傳熱試驗數(shù)據(jù)代入熱分析模型，以保證熱管傳熱能力的正確性；

(3)對集熱冷板主動控溫回路進行比例控溫設(shè)置，以對熱設(shè)計方案進行等效仿真分析。

熱分析模型節(jié)點共4423個，熱分析模型見圖4。

3.2 熱分析結(jié)果分析

根據(jù)任務(wù)需求，綜合考慮在軌姿態(tài)機動、整星工作模式等因素，在整星熱分析模型中單獨對星敏感器設(shè)計工況進行分析[9]，極端高低溫計算結(jié)果見表1。圖5分別顯示了高溫工況下星敏感器組件的溫度和法蘭溫度。

在三軸穩(wěn)定對地定向飛行姿態(tài)下，由于星敏感器散熱面不受照，外熱流波動對集熱冷板的溫度影響較小。低溫工況和高溫工況集熱冷板溫度差別不大，高溫工況比低溫工況略有增加。低溫工況和高溫工況最大溫差分別為0.93 ℃和0.90 ℃，滿足(20±1)℃的指標要求。

表1 一體化星敏感器在軌極端工況下計算溫度Table 1 Numerical temperature of integrated star sensor in on orbit extreme case ℃

4 星敏感器熱平衡試驗驗證

4.1 熱平衡試驗的等效性

由于星敏感器使用的熱管為三維結(jié)構(gòu)，無法保證在整星熱平衡試驗過程中正常啟動，為了驗證熱設(shè)計的正確性，對星敏感器進行部組件級熱平衡試驗。由于3臺星敏感器光軸指向各不相同，調(diào)整星敏感器支架只能保證一臺星敏感器的小熱管處于水平位置能正常啟動，故熱平衡試驗只能有1臺星敏感器參加。因3臺星敏感器熱設(shè)計相同，通過控制其它2臺未參加熱平衡試驗星敏感器熱接口及參試星敏感器外熱流，可對3臺星敏感器均進行驗證[10]。

為保證熱管在試驗過程中正常啟動，試驗中熱管均水平放置，且試驗熱管與熱設(shè)計熱管長度、彎曲半徑及數(shù)量一致，從而試驗熱管與熱設(shè)計熱管具有等效的傳熱能力。星敏感器熱平衡試驗狀態(tài)如圖6所示。

在試驗組件安裝時，用水平儀測試熱管的水平度。關(guān)閉真空模擬器前，在真空模擬器內(nèi)用經(jīng)緯儀復(fù)測并調(diào)節(jié)熱管的水平度，以保證試驗熱管的水平度滿足要求。

綜上所述，使用單臺星敏感器參加熱平衡試驗，其傳熱路徑、熱阻、散熱能力等均能與正樣設(shè)計狀態(tài)等效，且能覆蓋3臺星敏感器的外熱流狀態(tài)。

4.2 試驗結(jié)果及分析

高溫工況星敏感器集熱冷板的溫度試驗結(jié)果如圖7所示。集熱冷板1共放置4個熱敏電阻，熱敏電阻溫度在19.49～20.18 ℃之間，4個熱敏電阻測點溫度差最大值為0.69 ℃(見圖7)；而高溫工況下，集熱冷板1的熱分析溫度結(jié)果為19.50～20.34 ℃，最大溫差為0.84 ℃。無論是溫度水平還是溫差試驗結(jié)果與熱仿真分析結(jié)果均吻合較好(見表2)。

℃

5 結(jié)束語

本文提出了對星敏感器組件進行溫度控制的措施，以太陽同步軌道衛(wèi)星為例，針對(20±1)℃高穩(wěn)定度的控溫要求，對3臺星敏感器集中布局的情況從控制熱擾動源波動、控制熱量傳遞路徑和高精度溫度控制參數(shù)選擇等方面分析并采取了有效的措施，熱設(shè)計仿真分析結(jié)果為星敏感器法蘭接口溫度波動在1 ℃以內(nèi)。針對熱設(shè)計開展了星敏感器的熱平衡試驗，試驗結(jié)果充分驗證了熱設(shè)計的正確性。

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