資源一號02D衛星高光譜相機熱設計及驗證

童葉龍 李一凡 劉書鋒 尹成爽 肖朋 劉銀年 朱海健 王帥

(1 北京空間飛行器總體設計部 空間熱控技術北京市重點實驗室，北京 100094)(2 中國科學院上海技術物理研究所 中國科學院紅外探測與成像技術重點實驗室，上海 200083)(3 北京衛星環境工程研究所，北京 100094)

高光譜相機是一臺大幅寬、高空間分辨率、高光譜分辨率的成像遙感儀器，是資源一號02D衛星(又稱為5米光學業務衛星)的主要載荷之一。相機的光學性能除了取決于相機光學系統的設計，還對溫度的變化非常敏感。一方面，相機的主結構和光學元件的溫度波動、溫度梯度使光學系統的光學間距發生變化；另一方面，光學元件內部的溫度波動和溫度梯度使光學元件的面型發生變化，從而影響相機光學成像質量[1-5]。因此，相機對光機結構、CCD組件、制冷機等關鍵部件提出了較高的溫度穩定性、均勻性要求。同時，相機通光孔徑大、各個面外熱流變化劇烈、內部光路復雜、內置的斯特林制冷機等組件熱耗大，也給相機熱設計帶來了較大的難度。

本文針對高光譜相機熱控需求，提出了一種基于多級隔熱的分區控溫方法，優化遮光罩設計，強化隔熱措施；采取電加熱主動熱控措施提高相機的溫度穩定性；采用一體化熱設計方案解決短波電路箱大功率散熱難題，并完成了熱平衡試驗及飛行驗證。

1 高光譜相機簡介

1.1 高光譜相機構型及熱耗

資源一號02D衛星為太陽同步軌道三軸穩定衛星，降交點地方時為10:30am，軌道高度為778 km，壽命為5年。高光譜相機由光機框架、主光學系統(主、次、三鏡)、可見光譜儀、紅外光譜儀、制冷機組件、CCD組件和電子學單機等部件組成。圖1給出了相機結構示意。

圖1 相機結構示意Fig.1 Camera structure

高光譜相機在軌工作模式主要分為入軌初期加熱除氣模式、待機模式、成像模式和定標模式4種。其中：成像模式熱耗最大，達190 W；加熱除氣模式熱耗為0 W，且光機結構需要控溫至28 ℃±3 ℃。每軌成像時間不超過15 min。

1.2 熱控指標

根據熱光學分析得到了高光譜相機溫度指標，具體見表1。

表1 相機溫度指標要求Table 1 Temperature requirements of camera

2 熱設計方案

高光譜相機熱設計以被動熱控為主，電加熱主動控溫為輔，采用多級隔熱、分區控溫方法，通過補償加熱實現精確控溫。采用的主要熱控手段為：①隔熱設計，即盡量減少光機組件與冷空間的熱量傳遞；②設計傳熱途徑以排散電子學單機及制冷機內熱耗，并盡量降低沿程熱阻；③電加熱主動控溫。

根據不同的熱控需求，將高光譜相機熱設計分為：①光學系統部分；②電子學組件及制冷機部分。

2.1 光學系統熱設計

2.1.1 遮光罩長度優化設計

遮光罩長度直接影響相機光機組件內表面吸收的太陽直射熱流、地球反照熱流的大小，對光機組件的溫度穩定性影響最大[6]，本文通過理論分析獲得了遮光罩長度與相機遮光罩內部外熱流計算公式。

(1)當遮光罩長度L>0.45D(D為進光口直徑)時，太陽直射熱流無法進入光機組件內表面；

(2)當遮光罩長度L∈[0.8D,1.0D]時，光機組件上到達的地球反照熱流波動量可降至30 W/m2以下。

在資源一號02D衛星包絡允許的條件下，遮光罩盡量長，本文設計為0.3 m。遮光罩外表面包覆15單元的多層隔熱組件，內表面發黑處理。遮光罩與相機支架之間加裝5 mm厚的聚酰亞胺隔熱墊，以降低遮光罩對相機支架溫度水平的影響。

2.1.2 主光學系統及光譜儀熱設計

主光學系統包括主框架及主、次、三鏡組件。主光學系統采用3級隔熱系統，其外設置蒙皮。在主光學系統外表面、蒙皮內外表面均包覆15單元多層隔熱組件，以增強隔熱效果，減少外熱流對主光學系統溫度場的影響。主框架熱接口復雜，與制冷機、光譜儀、主、次、三鏡組件均有機械接口，存在導熱換熱，且與遮光罩及冷空間有輻射換熱。主框架與制冷機溫度指標差異大，采用隔熱設計，通過減小接觸面積、使用聚酰亞胺分層隔熱墊片等措施減小導熱耦合。

根據外熱流及主光學系統周邊溫度差異，對主光學系統、光譜儀控溫區域進行了劃分。經詳細熱分析，在主框架上共布置主備各8路的控溫回路，其中與制冷機連接的部分布置單獨控溫回路；在主、次、三鏡組件上分別布置主備各1路的控溫回路；在光譜儀上布置主備各5路的控溫回路。控溫回路使用安裝在相機上的控溫儀進行控制，控溫儀采用16位模擬數字轉換器、開關加比例控制算法，控制周期3 s，可以保證0.1 ℃采集精度。

2.2 電子學組件及制冷機熱設計

2.2.1 CCD組件熱設計

由于CCD組件的溫度水平和溫度梯度直接影響成像質量，成像時要保證CCD組件的溫度維持在要求的溫度水平且溫度均勻，因此必須將CCD組件產生的熱功耗及時排散出去。同時，需要考慮CCD散熱板溫度交變對CCD組件的影響，為此在CCD組件散熱環節中增加了柔性換熱裝置。

本文采用偏冷設計方案，即利用陰面散熱面、縮短控溫周期、結合比例控制等措施，確保CCD組件的溫度穩定性。經詳細熱分析，最終確定熱控措施為CCD組件→銅導熱索→外貼熱管→相機+Y側散熱面，以保證CCD組件工作時廢熱的及時排散。同時，在CCD組件上布置控溫回路，以保證CCD組件不工作時其溫度也在指標范圍內。散熱面布置在相機+Y側，采用柿玻璃鍍銀二次表面鏡作為熱控涂層，面積為0.12 m2。圖2為CCD組件熱管及散熱面布局。

圖2 CCD組件熱管及散熱面布局Fig.2 Layout of heat pipes and radiators for CCD assembly

2.2.2 短波電路箱一體化熱設計

短波電路箱短期熱耗達52 W，每軌工作25 min。大功率電單機普遍采用“熱管+熱輻射器”的方案，即利用熱管將大功率單機熱量傳導至安裝在高光譜相機上的熱輻射器，在單機上布置補償加熱器的熱控方案。本文采用機電熱一體化熱設計，統籌考慮芯片散熱和整機散熱需求，以設備內部大熱耗器件為源頭，通過對大熱耗器件-設備-系統整個傳熱路徑的優化，達到既可以滿足器件工作溫度、又能使熱控質量功率等各方面代價降至最低的目的。

短波電路箱內部熱設計措施為：每一塊電路板分別設計了“日”字形框架，框架可以起到固定電路板、防止震動損壞的作用，另外，框架還與電路板導熱連接，可作為電路板的散熱路徑[7]。在大功率FPGA上加裝鋁擴熱板，將熱量傳遞至框架，然后框架導熱安裝至短波電路箱+Z面板上。考慮到短波電路箱散熱需求，將短波電路箱安裝至相機+Z側，在短波電路箱+Z面板開設散熱面，采用SR107-ZK作為熱控涂層，如圖3所示。在短波電路箱底板處布置1路主動控溫回路，以保證短波電路箱不工作時不影響相機的溫度。與“熱管+熱輻射器”的方案相比，本文方案簡單可靠，實施難度小，質量小。

圖3 短波電路箱散熱途徑示意Fig.3 Schematic of heat dissipation path for short wave circuit box

2.2.3 制冷機組件熱設計

制冷機組件包括壓縮機和膨脹機，為減少壓縮機和膨脹機之間的溫差，在膨脹機安裝座、壓縮機安裝座各引出2根工字形30×11.4(Ω)單孔氨軸向槽道熱管至高光譜相機+X側同一外板，并在該外板內預埋3根熱管，如圖1所示；該外板既作為相機的蒙皮，也作為散熱面使用，減少了相機的質量。散熱板采用15 mm厚的鋁蜂窩板，+X面開設0.41 m2的散熱面，采用柿玻璃鍍銀二次表面鏡作為熱控涂層。在膨脹機安裝座、壓縮機安裝座處各布置1路主動控溫回路，以保證制冷機不工作時不超過下限溫度。

3 熱分析及驗證

3.1 熱分析及試驗驗證

采用熱分析軟件進行建模分析，高光譜相機主體熱分析模型如圖4所示。

圖4 相機熱分析模型Fig.4 Thermal analysis model of camera

根據空間熱環境分析結果，選取高光譜相機在軌極端低溫、極端高溫2個工況進行分析計算。根據相機熱分析情況，通過試驗對在軌高溫、低溫工況進行驗證。試驗中控溫回路功率及布局、控溫閾值設置、外熱流情況均與熱分析模型中的數據一致。由于熱真空定標試驗需要在相機遮光罩進光口前端布置封閉的真空定標試驗裝置，導致無法直接模擬進光口處在軌外熱流，以往相機通常將熱平衡試驗與熱真空定標試驗分2次進行，而本文創新性地提出并采用等效試驗方案，即在遮光罩前端增加150 mm長的鋁筒，在定標裝置和鋁筒上布置控溫回路，設置定溫邊界溫度，以等效模擬進光口外熱流邊界條件，實現熱平衡試驗與熱真空定標試驗的統籌，縮短了試驗周期，節約了研制經費。

圖5給出了高溫工況下高光譜相機制冷機與CCD組件的溫度曲線。

圖5 高溫工況下相機溫度曲線Fig.5 Camera temperature curves in hot case

表2對比了熱分析結果與試驗結果，具體如下。①高低溫工況下，相機溫度水平計算值與試驗值相近，所有溫度數據均能滿足指標要求，其中相機光學系統溫度穩定，最大溫度波動不大于0.12 ℃，CCD組件溫度穩定，最大溫度波動不大于1.50 ℃。②在低溫工況下，熱分析模型預測的平均控溫功率為92.3 W，試驗值為83.3 W，偏差為9.75%，表明熱分析模型正確、可信。

表2 熱分析結果與試驗結果對比Table 2 Comparison between thermal analysis and thermal test

3.2 在軌數據分析

本節統計了衛星入軌1年內高光譜相機的溫度數據，具體見圖6。在軌數據表明：相機光機主結構溫度控制在18 ℃±1.5 ℃范圍內；CCD散熱板每軌溫度波動約為7 ℃，而CCD組件每軌溫度波動不大于0.5 ℃，有效抑制了散熱面溫度波動對CCD組件溫度的影響，其溫度穩定性優于國內同類相機[5，8]；短波電路箱溫度不超過26.9 ℃，驗證了內外一體化熱設計的正確性；制冷機溫度為-2～+3 ℃，周期平均控溫功率為75.7 W，均滿足指標要求，表明熱設計正確。

圖6 入軌1年相機在軌溫度曲線Fig.6 Camera temperature curve for the first year on orbit

4 結束語

本文針對高光譜相機熱控需求，采用基于多級隔熱的分區控溫方法，通過優化遮光罩設計、強化隔熱及電加熱主動熱控保證相機光機結構的溫度水平及溫度穩定性；采用一體化熱設計方案解決短波電路箱大功率散熱難題；巧妙利用相機結構布置散熱板，解決制冷機及CCD組件的散熱問題。試驗及飛行結果表明：本文提出的相機熱設計能較好地控制相機在軌溫度。其中的遮光罩長度設計、大功率單機內部外部一體化熱設計、等效試驗等方法，可為其他空間相機熱設計提供參考。