高分七號(hào)衛(wèi)星雙線陣立體測(cè)繪相機(jī)熱設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

殷亞州 傅偉純 黃金印 肖朋

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部 空間熱控技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094) (2 北京控制工程研究所，北京 100094)

高分七號(hào)衛(wèi)星雙線陣立體測(cè)繪相機(jī)由前視相機(jī)、后視相機(jī)共同組成，分別從前后兩個(gè)方向?qū)Φ孛嫱痪拔镞M(jìn)行不同角度的觀測(cè)，獲取地面景物的全色和4個(gè)多光譜譜段的影像，從而形成立體測(cè)量。相機(jī)的成像質(zhì)量除了取決于相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)外，還與成像光路上各部件本身及相互之間的變形直接相關(guān)，而部件的溫度水平和溫度梯度是引起部件熱變形的不可忽視的重要因素[1-2]。為此，熱控設(shè)計(jì)方案應(yīng)主要考慮：①衛(wèi)星運(yùn)行在太陽(yáng)同步軌道，太陽(yáng)入射光線與衛(wèi)星軌道面的夾角(β角)在一年中有季節(jié)性的變化，各方向的外熱流密度變化很大；②相機(jī)采用離軸反射式光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)對(duì)溫度的敏感性較高，熱形變會(huì)引起光學(xué)參數(shù)變化，影響相機(jī)成像質(zhì)量；③相機(jī)成像精度要求前視、后視相機(jī)之間的夾角變化不能超過1″，對(duì)整個(gè)主框架溫度穩(wěn)定性要求苛刻；④相機(jī)CCD最大功率密度超過2000 W/m2，且單軌工作時(shí)間長(zhǎng)，需要有效的散熱路徑及時(shí)將廢熱排散，以確保器件的溫度水平。因此，必須對(duì)雙線陣相機(jī)光機(jī)部分、電子設(shè)備進(jìn)行合理的熱控設(shè)計(jì)，改善其溫度分布狀態(tài)，確保儀器正常工作。

本文在詳細(xì)分析外熱流密度的基礎(chǔ)上，提出基于可展開式遮光罩和雙多層的隔熱方案，最大限度地降低外熱流密度對(duì)相機(jī)溫度場(chǎng)的影響。大功率密度器件CCD與散熱面之間的傳熱，采用外貼熱管直接連接，相比于傳統(tǒng)的小熱管轉(zhuǎn)接方式，傳熱熱阻更小，適應(yīng)性更高。上述設(shè)計(jì)思路可應(yīng)用于同類型相機(jī)的熱設(shè)計(jì)。

1 外熱流密度分析

高分七號(hào)衛(wèi)星相機(jī)安裝在衛(wèi)星一體化支架頂部(見圖1)，直接暴露在空間環(huán)境中，其溫度直接受空間環(huán)境的影響。通過計(jì)算得到β角1年中變化的情況[3-4]，如圖2所示。可以確定：β角在一年中的變化范圍為16.0°～26.1°，一天內(nèi)的變化量很小，但是一個(gè)軌道周期內(nèi)相機(jī)各個(gè)面的太陽(yáng)輻射熱流密度變化很大，參見β角最大時(shí)正常姿態(tài)各方向到達(dá)的太陽(yáng)直照熱流密度和反照熱流密度(如圖3所示)。

圖1 相機(jī)星上安裝示意Fig.1 Installation of camera on GF-7 satellite

圖2 β角一年變化率Fig.2 Annual change rate of beta angle

圖3 各方向到達(dá)的太陽(yáng)直照熱流密度和 地球反照熱流密度Fig.3 Direct solar heat flux and return heat flux of the earth in all directions

對(duì)于安裝在高分七號(hào)衛(wèi)星外部的相機(jī)而言，外熱流通過進(jìn)光口直接影響核心光學(xué)元件和主框架的溫度，因此需要結(jié)合相機(jī)構(gòu)型和安裝方位對(duì)相機(jī)進(jìn)光口的外熱流進(jìn)行詳細(xì)的分析：使用Thermal Desktop熱分析軟件建立熱分析模型，分析到達(dá)外熱流情況。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在相機(jī)出陰影時(shí)刻，前視相機(jī)主框架內(nèi)部受太陽(yáng)直射，最大到達(dá)熱流密度為920 W/m2，最長(zhǎng)直照時(shí)間約為10 min，不同時(shí)刻受曬區(qū)域示意如圖4所示。后視相機(jī)因安裝角度關(guān)系，在進(jìn)出陰影時(shí)刻僅局部遮光罩內(nèi)表面受曬。

圖4 前視相機(jī)內(nèi)部受曬區(qū)域(紅色區(qū)域)Fig.4 Schematic of sun exposure area of forward looking camera (red)

2 熱設(shè)計(jì)方案

2.1 熱設(shè)計(jì)需求

為了在空間條件下實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的成像要求，利用光-機(jī)-熱集成的分析方法[5-6]得到相機(jī)的熱控指標(biāo)：鏡體組件溫度為20.0 ℃±1.0 ℃，主框架溫度為20.0 ℃±1.5 ℃，溫差穩(wěn)定度優(yōu)于0.2 ℃；支撐結(jié)構(gòu)溫差長(zhǎng)期穩(wěn)定度優(yōu)于0.8 ℃；CCD器件溫度為0.0～15.0 ℃。

2.2 難點(diǎn)分析

為保證相機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，主框架選用低導(dǎo)熱的碳/碳化硅材料，平均設(shè)計(jì)厚度不超過3 mm，熱容很小。主框架熱設(shè)計(jì)的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在：①整個(gè)主框架的溫度均勻性要求高，材料的導(dǎo)熱率低，星上可利用的加熱回路資源有限；②整個(gè)框架的溫度穩(wěn)定性要求高，需要最大限度地避免外熱流波動(dòng)帶來的影響，而且衛(wèi)星出地影時(shí)刻前視相機(jī)主框架內(nèi)部受曬情況必須規(guī)避。

CCD器件除了具有體積小、質(zhì)量小、熱容小的特點(diǎn)外，還具有熱耗大、熱流密度大、安裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間小的特點(diǎn)[7]。其中，后視相機(jī)單片CCD的熱耗達(dá)到9 W。傳統(tǒng)上使用小熱管轉(zhuǎn)接大熱管的散熱通道，不僅空間結(jié)構(gòu)不適應(yīng)，而且會(huì)增大傳熱熱阻。為此，需要建立CCD器件與散熱面的直接傳熱路徑。

2.3 設(shè)計(jì)方案

2.3.1 外熱流抑制

考慮到相機(jī)主體完全暴露在空間環(huán)境中，一個(gè)軌道周期內(nèi)外表面各個(gè)方向的外熱流波動(dòng)較大，以最大β角時(shí)刻整星正常姿態(tài)的平均外熱流密度分析作為參考，分析結(jié)果見表1。

計(jì)算表1數(shù)值時(shí)，多層當(dāng)量發(fā)射率參照經(jīng)驗(yàn)取值0.032，面膜按照F46半球發(fā)射率取0.69，末期太陽(yáng)吸收率取0.4；主框架材料采用C/SiC，厚度為3 mm，密度為2500 kg/m3，比熱容為700 J/(kg·K)。

從分析結(jié)果來看，在包覆單多層狀態(tài)下，僅考慮相機(jī)主框架外部到達(dá)熱流，主框架的最大溫升超過4 ℃，不能滿足20.0 ℃±1.5 ℃的指標(biāo)要求。為了最大限度地隔絕外熱流影響，設(shè)計(jì)雙層多層的隔熱方案，采用雙層銷釘安裝。雙層銷釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)示意見圖5，底部多層通過底部壓片卡槽固定，頂部多層通過頂部的2個(gè)壓片卡槽支撐和固定。這種雙層多層安裝方式，使主框架整體尺寸外擴(kuò)不超過30 mm。

為了抑制相機(jī)進(jìn)光口外熱流波動(dòng)的影響，前視、后視相機(jī)主框架內(nèi)部包覆5單元的低溫多層隔熱組件，各鏡體組件在安裝背板布置控溫回路，不影響光路的表面均包覆多層隔熱組件，主框架內(nèi)的多層面膜均采用黑色滲碳聚酰亞胺膜。

表1 外熱流密度影響分析Table 1 Analysis of influence of external heat flux

圖5 雙層銷釘結(jié)構(gòu)外形Fig.5 Outline of double-layer pin

根據(jù)高分七號(hào)衛(wèi)星軌道β角范圍、相機(jī)安裝角度及當(dāng)前固定遮光罩長(zhǎng)度，分析計(jì)算出為規(guī)避衛(wèi)星出地影時(shí)刻前視相機(jī)進(jìn)光口太陽(yáng)直照，增加可展開式遮光罩長(zhǎng)度為600 mm?？烧归_遮光罩外表面為鋁氧化蒙皮，內(nèi)表面發(fā)黑處理，與固定遮光罩之間隔熱安裝?？烧归_遮光罩僅為太陽(yáng)直照起遮擋作用，不進(jìn)行其他控溫措施，地面為壓緊狀態(tài)，入軌后展開，狀態(tài)如圖6所示。

圖6 可展開遮光罩示意Fig.6 Schematic diagram of expendable hood

2.3.2 溫度均勻性控制

采用C/SiC編制成型的主框架結(jié)構(gòu)，不同區(qū)域?qū)?yīng)相機(jī)進(jìn)光口的角系數(shù)不同，進(jìn)光口外熱流對(duì)不同區(qū)域的影響有差異，而這種材料的導(dǎo)熱系數(shù)不超過15 W/(m·K)。為合理利用控溫回路資源，在主框架外表面粘貼面向?qū)嵯禂?shù)超過600 W/(m·K)、厚度為0.3 mm的高導(dǎo)熱石墨元件，處理后的主框架等效導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到68 W/(m·K)，能夠顯著地提高主框架溫度均勻性，減少對(duì)控溫回路資源的需求。

2.3.3 CCD器件的散熱

CCD器件要固定在光路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上，還要接入電子學(xué)系統(tǒng)，這就使得可供散熱路徑的空間極其狹小。另外，相機(jī)屬于短期工作載荷，工作期間要及時(shí)將廢熱排散，不工作時(shí)要有控溫回路進(jìn)行功率補(bǔ)償，CCD器件本身沒有可供布置加熱器的區(qū)域，采用傳統(tǒng)5 mm×3.4 mm的矩形小熱管雖然能夠提供加熱器的安裝位置，但是熱管的傳熱能力與單片CCD熱耗9 W不匹配。因此，在CCD器件光路的另一側(cè)面安裝Ω型熱管，直接連接到散熱板上，并且在散熱板上布置加熱回路進(jìn)行功率補(bǔ)償。散熱路徑示意如圖7所示。

圖7 CCD器件散熱路徑示意Fig.7 Schematic diagram of CCD cooling path

2.3.4 相機(jī)夾角穩(wěn)定性控制

前視、后視相機(jī)通過支架安裝在載荷艙頂部，除了相機(jī)主體的溫度控制保證指向精度外，相機(jī)與支架之間隔熱安裝，安裝支架采用線膨脹系數(shù)較小的碳纖維結(jié)構(gòu)，安裝支撐采用線膨脹系數(shù)較小的鈦合金材料。溫度控制方面，整個(gè)相機(jī)支架布置12路控溫回路，相機(jī)支撐的安裝區(qū)域控溫點(diǎn)盡量靠近支撐結(jié)構(gòu)，相機(jī)支撐外表面多層隔熱組件分2次包覆，盡量減小外熱流的影響，保證相機(jī)安裝支撐溫度水平和溫度的一致性，以確保相機(jī)夾角的穩(wěn)定性。

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證熱設(shè)計(jì)結(jié)果，對(duì)相機(jī)在空間環(huán)境條件下的熱平衡狀態(tài)建立有限元差分分析模型進(jìn)行仿真分析，規(guī)劃的試驗(yàn)工況為：①低溫工況，相機(jī)安裝支架控溫目標(biāo)值為18 ℃，相機(jī)處于-269 ℃冷黑空間，相機(jī)長(zhǎng)期待機(jī)，外熱流密度按照β角最小取值，涂層為壽命初期。②高溫工況，相機(jī)支架控溫目標(biāo)值為22 ℃，相機(jī)處于-269 ℃冷黑空間，相機(jī)單軌最長(zhǎng)工作時(shí)長(zhǎng)取值15 min，外熱流密度按照β角最大取值，涂層為壽命末期。仿真分析結(jié)果見表2。從相機(jī)支撐的高溫、低溫工況溫差，計(jì)算得出長(zhǎng)期溫差穩(wěn)定度為0.43 ℃。

表2 相機(jī)關(guān)鍵部件的溫度分析數(shù)據(jù)Table 2 Temperature data of key parts of camera ℃

從上述分析計(jì)算結(jié)果可以看出：采取本文第2節(jié)的熱控措施后，鏡體組件和主框架的溫度水平、溫差及穩(wěn)定度， CCD器件的溫度水平，影響相機(jī)長(zhǎng)期指向穩(wěn)定性的相機(jī)支撐溫差穩(wěn)定性，均能夠滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

4 在軌驗(yàn)證

2019年11月3日，高分七號(hào)衛(wèi)星成功發(fā)射，在軌測(cè)試階段相機(jī)分別按照5 min，3 min，4 min成像，成像過程中CCD器件的溫度變化見圖8。可以確認(rèn)，相機(jī)在不工作階段，控溫回路能夠?qū)CD器件溫度控制在目標(biāo)值，成像期間CCD溫升最大不超過0.6 ℃/min，并且在一個(gè)軌道周期內(nèi)能夠恢復(fù)到平衡狀態(tài)。

鏡體組件、主框架及相機(jī)支撐在軌近一個(gè)月的溫度量遙測(cè)見圖9～11。從溫度遙測(cè)可以看出：前視、后視2臺(tái)相機(jī)的鏡體組件在軌的溫度穩(wěn)定，波動(dòng)不超過0.2 ℃；主框架各個(gè)面的溫度穩(wěn)定，溫度波動(dòng)不超過0.2 ℃，靠近相機(jī)進(jìn)光口附近的框架前端溫度波動(dòng)相對(duì)其他部位的溫度波動(dòng)偏大一些，最大不超過0.6 ℃；相機(jī)各個(gè)支撐溫度穩(wěn)定波動(dòng)不超過0.2 ℃，相機(jī)支撐相互之間的溫差保持穩(wěn)定，不超過0.2 ℃。因此，相機(jī)熱設(shè)計(jì)滿足任務(wù)要求。

圖8 相機(jī)成像期間CCD溫度Fig.8 CCD’s temperature during camera imaging

圖9 相機(jī)鏡體組件在軌溫度Fig.9 Mirrors’ temperature of camera on orbit

圖10 相機(jī)主框架在軌溫度Fig.10 Main frame’s temperature of camera on orbit

圖11 相機(jī)支撐在軌溫度Fig.11 Support structures’ temperature of camera on orbit

5 結(jié)論

針對(duì)高分七號(hào)衛(wèi)星相機(jī)的構(gòu)型特點(diǎn)、任務(wù)需求和約束條件，提出了以外熱流抑制和無轉(zhuǎn)接的熱管傳熱為核心的被動(dòng)熱控方案，并通過合理布局閉環(huán)控溫回路，解決了相機(jī)高精度控溫以及大功率電子器件熱量收集、傳輸和排散的難題。根據(jù)相機(jī)熱分析和在軌溫度結(jié)果，可得出如下結(jié)論。

(1)以精細(xì)的外熱流分析為基礎(chǔ)，通過增加可展開遮光罩的方式，在滿足空間尺寸約束條件下，規(guī)避衛(wèi)星出地影時(shí)刻從相機(jī)進(jìn)光口進(jìn)入相機(jī)內(nèi)部的太陽(yáng)直照。

(2)采用外部雙層多層的外熱流抑制方案，在有限空間條件下最大限度地減小外熱流波動(dòng)的影響，并且該設(shè)計(jì)對(duì)質(zhì)量的要求低，解決了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中質(zhì)量的難題。

(3)在低導(dǎo)熱材料外部粘貼高導(dǎo)熱石墨元件，以提高部件的有效導(dǎo)熱系數(shù)，從而有效提高部件溫度均勻性，節(jié)省控溫回路資源。

(4)與傳統(tǒng)的CCD器件安裝小熱管然后轉(zhuǎn)接大熱管散熱方式相比，單一的熱管傳熱路徑避免了轉(zhuǎn)接空間附加要求和轉(zhuǎn)接熱阻增大的問題，并且Ω型熱管空間適應(yīng)性高，能夠適應(yīng)復(fù)雜空間布局。