紫外成像光譜儀焦面CCD 散熱設計及驗證

姜 峰，孔 林，王建超，柏 添，曾 議

（長光衛星技術有限公司，長春 130033）

0 引言

紫外光學遙感是除可見光與紅外遙感之外的另一具有突出優勢的遙感技術。隨著紫外遙感技術的快速發展，紫外成像光譜儀的光譜分辨率與空間分辨率指標不斷提升，其CCD 的熱耗增加，熱控制的難度也越來越大。焦面CCD 為發熱器件，工作時熱流密度較大，如不采取有效的散熱措施，會由于器件溫度會過高而導致光譜儀成像品質下降[1-4]。光譜儀焦面CCD 通常采用半導體制冷進行溫度控制，但半導體制冷器效率較低、能耗較大，需要排散的廢熱量也大，且在制造技術上存在連接器件之間不同的熱膨脹系數會造成熱應力的問題。空間光學遙感器常用的散熱產品有熱管、鋁箔、銅導熱索及環路熱管[5-7]等，但受限于材質剛性或導熱性能，它們不能滿足焦面CCD 的散熱要求[6]。而柔性石墨導熱帶可同時滿足低溫光學系統透鏡對高導熱性及隔振的需求，目前已得到較多應用。

因此，本文針對某紫外成像光譜儀焦面CCD在長期工作模式下的低溫要求，提出以高性能柔性石墨導熱索為主、結合熱管的散熱設計方案，并通過真空熱平衡試驗驗證該方案的合理性，旨在不耗費能源的情況下解決光譜儀焦面CCD 的散熱問題。

1 焦面CCD 的熱控制

1.1 熱控要求

焦面CCD 對溫度要求較為嚴格，溫度過高會增加暗電流與熱噪聲，降低CCD 的光電轉化能力，導致信噪比下降，影響成像品質[8-13]。本文研究的焦面CCD 安裝于衛星平臺艙內光譜儀載荷后端，艙內溫度為-10～45 ℃，艙外設計輻射散熱器，溫度為-35 ℃。焦面CCD 傳熱分析如圖1 所示，可以看到：焦面CCD 自身發熱量為1.5 W，從周圍設備、組件吸收的熱量為1.13 W；CCD 熱沉自身不發熱，從周圍設備、組件吸收的總熱量為3.49 W（相對于低溫環境，此熱量可視為CCD 熱沉的發熱量）。熱控要求在不耗費衛星能源的情況下，焦面CCD 長期工作模式下的溫度需＜-20 ℃，且與CCD 熱沉間不采用剛性連接，因此焦面CCD 散熱設計的難度較大。

圖1 焦面CCD 傳熱分析Fig.1 Heat transfer analysis of focal plane CCD

1.2 散熱設計方案

焦面CCD 散熱設計的思路是通過合理有效的傳熱措施將焦面CCD 的發熱量傳導至艙外輻射散熱器，然后向空間排散[14-16]。

1.2.1 傳導組件的設計

傳導材料選用高性能柔性導熱索，可與CCD實現接近于零剛度的連接。導熱索的設計如圖2 所示，一般包括冷/熱端子及連接兩端子的柔性導熱帶，端子用于安裝固定導熱帶，導熱帶用來傳導熱量。此導熱索的性能要求很高，技術指標為：質量≤150 g；熱阻≤1 ℃/W；固有頻率≤15 Hz。為此，導熱帶選用石墨膜層疊制作，并設計專用安裝接口與焦面CCD 直接連接，以減小連接端子的熱阻。同時，為了避免石墨導熱帶邊緣掉渣，采用聚酰亞胺亞敏膠帶對其裸露邊緣進行封裝處理。封裝不影響導熱帶自身剛度，封裝后的導熱帶可以在壓力變化過程中釋放氣體，且不允許粒子通過，不會再對CCD 造成污染。通過這種高性能柔性導熱索可建立CCD 與散熱端的高效熱耦合，同時實現結構解耦。

圖2 導熱索設計Fig.2 Thermal strap design

依據設計要求完成導熱索的研制，并對導熱索的導熱性能進行測試。測試中，采用熱端懸掛的方法保證導熱索僅有1 個傳熱路徑，導熱索表面整體覆蓋多層隔熱組件，以減少熱輻射漏熱對測試的影響。測試結果見表1，導熱索熱阻在不同負載下均＜1 ℃/W，滿足指標要求。

表1 導熱索導熱性能測試結果Table 1 Test results of thermal conductivity of thermal strap

1.2.2 散熱路徑設計

由于CCD 通過導熱索散熱時，導熱索冷端與輻射散熱器的距離較遠，約為1700 mm，所以利用熱管能在較遠距離下傳遞較大熱量的特性設計2 根熱管續接，將導熱索熱量傳導至輻射散熱器排散至外界冷黑環境，如圖3 所示。2 根熱管的尺寸為：熱管A 長1000 mm、寬30 mm、厚度10 mm；熱管B 長1300 mm、寬20 mm、厚度10 mm。導熱索的導熱帶熱端與CCD 熱沉的安裝面連接（接觸面積為3200 mm2），導熱帶冷端與熱管A 熱端連接，所有連接面之間填涂導熱材料，以減小導熱索端子的接觸熱阻。熱管A、B 之間填涂導熱材料，避免熱管連接處產生較大溫差。為隔離與環境輻射換熱，熱管外表面也包覆多層隔熱組件。輻射散熱器的尺寸為600 mm×300 mm，表面噴熱控白漆，以降低太陽吸收比、提高發射率，增強輻射散熱能力。

圖3 焦面CCD 散熱路徑設計Fig.3 Heat dissipation path design of focal plane CCD

2 熱分析計算

利用有限元熱分析軟件建立焦面CCD 熱仿真模型，如圖4 所示。CCD 組件、熱管、輻射散熱器均為殼單元，熱分析邊界條件為：焦面CCD 工作時的發熱量為1.5 W，環境溫度為-10～45 ℃，輻射散熱器溫度邊界為-35 ℃。仿真分析中多層單面鍍鋁聚酰亞胺薄膜性能定義為αs/ε=0.36/0.69，導熱索與熱管的導熱性能均按實測賦值，導熱索熱阻為0.9 ℃/W，熱管的導熱性能為500 W/m，接觸導熱系數與安裝方式有關，按參考取值為1000 W/(m2·K)。

圖4 焦面CCD 熱分析模型Fig.4 Thermal analysis model of focal plane CCD

焦面CCD 及其散熱組件溫度的仿真計算結果如表2 所示，輻射散熱器溫度邊界為-35.24 ℃時，熱管A 與B 的溫差＜2 ℃，焦面CCD 溫度-22.12 ℃，滿足＜-20 ℃的要求。接觸導熱系數靈敏度分析結果表明，接觸導熱系數變化10%，焦面CCD 溫度變化2 ℃。導熱索熱端與冷端溫度梯度為2.06 ℃，導熱索的傳導熱量為3.49 W（CCD 熱沉發熱量），以此推算導熱索熱阻為0.59 ℃/W，滿足指標要求。

表2 焦面CCD 及其散熱組件溫度仿真計算結果Table 2 Temperature simulation results of focal plane CCD and its cooling components

3 焦面CCD 真空熱平衡試驗

3.1 試驗方案

根據仿真分析搭建真空熱平衡試驗系統，獲取焦面CCD、導熱索、熱管與輻射散熱器組件溫度分布，以驗證導熱索的導熱性能與焦面CCD 散熱設計的正確性[17-18]。試驗裝置主要由溫度測控系統、電源系統和空間環境模擬器（真空罐）等組成，試驗過程要求真空罐內壓力＜1.3×10-3Pa，環境溫度為-40 ℃。試驗件包括焦面CCD、柔性石墨導熱索、2 根熱管、輻射散熱器等，見圖5。除輻射散熱器外，各試驗件均外表面整體包覆多層隔熱組件，以隔離試驗件與環境輻射換熱。輻射散熱器為3 mm厚鋁合金板，外表面發黑處理（與噴涂白漆等效）以增強其輻射換熱能力；輻射散熱器通過與真空罐熱沉輻射換熱來控制自身溫度保持在-35 ℃。試驗件通過試驗工裝放置于真空罐內載物平臺，且須確保熱管水平放置，以避免其傳熱性能受重力影響。試驗過程中焦面CCD 加電工作，輻射散熱器溫度保持-35 ℃，直至焦面CCD 與散熱系統溫度平衡。

圖5 焦面CCD 熱平衡試驗件Fig.5 Thermal balance test part of focal plane CCD

3.2 試驗結果

焦面CCD 及其散熱組件真空熱平衡試驗溫度曲線如圖6 所示，輻射散熱器溫度邊界控制為-35 ℃，與要求一致。試驗導熱索熱端與冷端溫度梯度為2.3 ℃，導熱索傳導熱量為3.49 W，以此推算導熱索熱阻為0.65 ℃/W，相比仿真計算結果0.59 ℃/W，誤差在10%以內。試驗測得2 根熱管溫差＜2 ℃，與仿真結果一致。焦面CCD 溫度-21.4 ℃，相比仿真計算結果-22.12 ℃的溫差在1 ℃以內，說明仿真與試驗結果基本一致。溫度偏差主要是由于導熱索熱阻與接觸導熱系數賦值誤差造成，根據試驗結果修正接觸導熱系數為950 W/(m2·K)。綜上，導熱索熱阻與焦面CCD 溫度均滿足指標要求，驗證了基于柔性石墨導熱索的焦面CCD 散熱設計合理可行。

圖6 焦面CCD 及其散熱組件真空熱平衡試驗溫度曲線Fig.6 Temperature curve of vacuum thermal balance test of focal plane CCD and its cooling components

4 結束語

本文針對紫外成像光譜儀焦面CCD 的散熱需求，提出了以柔性導熱索結合熱管的散熱設計方案。通過仿真及試驗進行散熱設計方案驗證，試驗結果顯示：導熱索的導熱性能為0.65 ℃/W，輻射散熱器溫度為-35 ℃時焦面CCD 溫度為-21.4 ℃，均滿足指標要求。表明該散熱設計方案可行，熱控措施合理可靠。同時，該設計方法對其他大功率器件的熱控設計也有一定的參考價值。