北京三號(hào)A/B衛(wèi)星熱設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

劉偉 黃興 李挺豪 范慶梅 高宇純 江海

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

北京三號(hào)A/B衛(wèi)星是基于三超(超敏捷、超穩(wěn)定、超精度)平臺(tái)的光學(xué)遙感衛(wèi)星,三超平臺(tái)是我國(guó)新一代衛(wèi)星平臺(tái),可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜敏捷動(dòng)中成像,且具備沿任意地面軌跡目標(biāo)成像能力[1]。北京三號(hào)A/B衛(wèi)星攜帶分辨率0.5m的高精度相機(jī),具備凝視成像、任意軌跡成像、立體成像等多種對(duì)地觀測(cè)能力。

本文針對(duì)北京三號(hào)A/B衛(wèi)星對(duì)地大范圍頻繁姿態(tài)機(jī)動(dòng),國(guó)內(nèi)軟件無(wú)法直接計(jì)算姿態(tài)機(jī)動(dòng)過(guò)程實(shí)時(shí)瞬態(tài)外熱流的難題,提出軌道空間和地表多個(gè)指向位置之間機(jī)動(dòng)及其過(guò)程的外熱流仿真分析方法;針對(duì)北京三號(hào)A/B衛(wèi)星成像期間內(nèi)外熱流劇烈變化且不確定,以及主動(dòng)指向超靜平臺(tái)高精高穩(wěn)定溫度控制需求,提出離散式散熱面優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、抑制高外熱流的多級(jí)隔熱技術(shù),主動(dòng)指向超靜平臺(tái)超精超穩(wěn)熱控制及衛(wèi)星結(jié)構(gòu)力熱解耦的熱設(shè)計(jì)方法,對(duì)熱性能的飛行試驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)和評(píng)價(jià)。

1 北京三號(hào)A/B衛(wèi)星軌道外熱流分析方法

1.1 北京三號(hào)A/B衛(wèi)星構(gòu)型及飛行姿態(tài)

北京三號(hào)A/B衛(wèi)星為六棱柱構(gòu)型,采用3個(gè)固定太陽(yáng)翼,如圖1所示。

圖1 北京三號(hào)B衛(wèi)星示意圖

衛(wèi)星運(yùn)行在太陽(yáng)同步軌道,典型飛行姿態(tài)如圖2所示。無(wú)成像任務(wù)圈次,飛行模式為陰影區(qū)三軸穩(wěn)定對(duì)地定向,光照區(qū)對(duì)日巡航。有成像任務(wù)圈次,日下點(diǎn)附近(AB段)轉(zhuǎn)為三軸穩(wěn)定對(duì)地定向,并可進(jìn)行45°錐角范圍內(nèi)頻繁快速機(jī)動(dòng)。成像圈次,每個(gè)軌道周期進(jìn)行4次對(duì)日對(duì)地姿態(tài)轉(zhuǎn)換,且成像期間最多進(jìn)行70次姿態(tài)機(jī)動(dòng)。

1.2 衛(wèi)星軌道外熱流分析

傳統(tǒng)的衛(wèi)星外熱流分析是給出衛(wèi)星在軌道上的空間外熱流,但現(xiàn)有的商業(yè)軟件只能支持固定坐標(biāo)系(例如軌道坐標(biāo)系)下常規(guī)姿態(tài)分析,無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)模式下隨任務(wù)要求變化的實(shí)時(shí)仿真,本文給出三超平臺(tái)任務(wù)模式下的精準(zhǔn)外熱流分析方法,通過(guò)分析獲得任務(wù)期間的精準(zhǔn)姿態(tài)函數(shù),并生成可提供給商業(yè)軟件的接口數(shù)據(jù),借助商業(yè)軟件實(shí)現(xiàn)外熱流求解。姿態(tài)函數(shù)獲取方式如下。

針對(duì)三超平臺(tái)衛(wèi)星最小路徑機(jī)動(dòng)軌跡控制[2]特點(diǎn),在航天器機(jī)動(dòng)序列中,采用航天器任意機(jī)動(dòng)模式中繞前一矢量目標(biāo)與當(dāng)前目標(biāo)矢量構(gòu)成的平面法線機(jī)動(dòng),保證姿態(tài)機(jī)動(dòng)及過(guò)程中航天器三軸指向方位確定,從而實(shí)現(xiàn)任意動(dòng)態(tài)指向函數(shù)機(jī)動(dòng)過(guò)程的空間位置計(jì)算,具體如下。

航天器上任意單位矢量表達(dá)式為

r=a0i+b0j+c0k

(1)

時(shí)間、方位角關(guān)系如下:

t0時(shí)刻,r指向已知矢量為r0(均為軌道坐標(biāo)系下的矢量,下同);

t1時(shí)刻,r指向已知矢量r1;

t2時(shí)刻,r指向已知矢量r2;

…

tn時(shí)刻,r指向已知矢量rn。

以t1時(shí)刻和t2時(shí)刻為例,r1與r2的平面法線n為

n=r1·r2/|r1×r2|=a0i+b0j+c0k

(2)

按照自由機(jī)動(dòng)模式,有轉(zhuǎn)動(dòng)矩陣

(3)

t1時(shí)刻和t2時(shí)刻之間的機(jī)動(dòng)角速度為

ω12=arccos(r1·r2)/(t2-t1)

(4)

對(duì)于t1和t2之間的任意時(shí)間點(diǎn)t(t1≤t≤t2)機(jī)動(dòng)角度γ為

(5)

機(jī)動(dòng)調(diào)整過(guò)程中任意時(shí)間點(diǎn)t的姿態(tài)矩陣為

(6)

根據(jù)式(6),可以得到機(jī)動(dòng)過(guò)程姿態(tài)動(dòng)態(tài)函數(shù),通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口,嵌入THERMAL DESKTOP外熱流分析軟件軌道姿態(tài)角矩陣,構(gòu)建包含航天器所有動(dòng)態(tài)機(jī)動(dòng)信息的軌道外熱流分析模型,實(shí)現(xiàn)任意機(jī)動(dòng)過(guò)程及機(jī)動(dòng)組合條件下的軌道實(shí)時(shí)外熱流精確分析。

三超平臺(tái)衛(wèi)星的六棱柱構(gòu)型,每個(gè)軌道周期對(duì)日對(duì)地姿態(tài)轉(zhuǎn)換,以及成像期間大角度頻繁機(jī)動(dòng),導(dǎo)致外熱流變化規(guī)律和太陽(yáng)同步軌道傳統(tǒng)立方體構(gòu)型[3-5]完全不同。

無(wú)成像任務(wù)圈次,陰影區(qū)對(duì)地、光照區(qū)對(duì)日巡航,除-Z面光照區(qū)熱流為1個(gè)太陽(yáng)常數(shù)外,其他表面外熱流處于低穩(wěn)熱流狀態(tài),變化曲線見(jiàn)圖3(a)。

圖3 軌道外熱流曲線

光照區(qū)有成像任務(wù)時(shí),姿態(tài)調(diào)整為三軸穩(wěn)定對(duì)地定向,且隨成像目標(biāo)變化而進(jìn)行機(jī)動(dòng)調(diào)整,衛(wèi)星各表面外熱流隨目標(biāo)指向變化很大,其中-Z面外熱流絕對(duì)值大,變化相對(duì)小,但-Z面包覆多層隔熱材料,該處外熱流對(duì)整星溫度影響很小;陰面?zhèn)劝?±X+Y面)外熱流絕對(duì)值較小且變化也不大,是較穩(wěn)定和最有效的散熱面;其他各側(cè)面(±X/-Y面、±X面、-X/-Y面、-X面)的外熱流隨觀察目標(biāo)變化很大,最大到達(dá)熱流可達(dá)1300W/m2且變化劇烈,但一般僅限于其中一個(gè)表面的外熱流變化大,其他表面變化較小,各表面外熱流總和變化較小,考慮到觀察目標(biāo)的隨機(jī)性,±X面、±X/-Y面也是較好的散熱面,熱流曲線示意見(jiàn)圖3(b)。

以成像區(qū)單軌道圈實(shí)現(xiàn)3個(gè)長(zhǎng)江五條帶成像+單軌道圈繞Y軸-45°為例,給出三超平臺(tái)衛(wèi)星實(shí)時(shí)機(jī)動(dòng)條件下的外熱流曲線,如圖4所示。單板外熱流變化異常劇烈,瞬時(shí)最大波動(dòng)在50～1300W/m2;平均熱流最大波動(dòng)200W/m2以上;各側(cè)板外熱流呈蹺蹺板式的變化趨勢(shì),某些側(cè)板瞬態(tài)熱流急劇增大,同時(shí)其他側(cè)板外熱流則顯著減小,除-Z面外,整星外熱流總量變化不大。圖5為360°范圍內(nèi)最大角度45°機(jī)動(dòng)各艙板外熱流分布圖,可以看出,各艙板熱流變化劇烈,但是整星外熱流總和變化不大。

圖4 兩個(gè)軌道周期長(zhǎng)江5條帶拼接+繞Y軸45°機(jī)動(dòng)外熱流曲線

圖5 最大角度姿態(tài)側(cè)板軌道平均外熱流

大角度姿態(tài)機(jī)動(dòng)導(dǎo)致衛(wèi)星各面外熱流波動(dòng)劇烈且變化不確定性大,加之載荷工作內(nèi)熱源大幅增加,內(nèi)外熱流疊加引起的大范圍溫度波動(dòng)和三超平臺(tái)的超精度、超穩(wěn)定溫度控制要求的矛盾是熱控面臨的挑戰(zhàn)。

2 北京三號(hào)A/B衛(wèi)星熱設(shè)計(jì)方法

針對(duì)三超平臺(tái)外熱流變化劇烈且不確定,主動(dòng)指向超靜平臺(tái)高精高穩(wěn)的溫度控制要求,以及主動(dòng)指向超靜平臺(tái)和衛(wèi)星結(jié)構(gòu)力熱解耦的特殊需求,熱設(shè)計(jì)思路是在平均外熱流較小的艙板上離散優(yōu)化布置散熱面,降低姿態(tài)機(jī)動(dòng)導(dǎo)致外熱流變化的不確定性;在外熱流大且變化劇烈的區(qū)域,采用多級(jí)隔熱技術(shù)抑制熱流波動(dòng)減小對(duì)衛(wèi)星的溫度擾動(dòng),為高精高穩(wěn)的主動(dòng)指向超靜平臺(tái)提供良好的溫度邊界;主動(dòng)指向超靜采用自帶散熱面熱管+比例/開(kāi)關(guān)的高精度閉環(huán)控溫的自適應(yīng)熱設(shè)計(jì),既滿足了高精高穩(wěn)的溫度控制需求,又實(shí)現(xiàn)了和衛(wèi)星結(jié)構(gòu)力熱解耦,保證平臺(tái)運(yùn)動(dòng)不受干涉,避免熱控措施對(duì)超靜平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的額外應(yīng)力。

2.1 散熱面的離散優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)頻繁姿態(tài)切換且大角度姿態(tài)機(jī)動(dòng)帶來(lái)的局部熱流波動(dòng)過(guò)大以及受影響的表面隨機(jī)動(dòng)目標(biāo)變化不確定的難題,北京三號(hào)A/B衛(wèi)星打破傳統(tǒng)太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星主、輔散熱面[6]的設(shè)計(jì)思路,通過(guò)在各側(cè)板布置適當(dāng)面積散熱面的離散設(shè)計(jì)方法,降低隨機(jī)動(dòng)目標(biāo)不同導(dǎo)致受影響散熱面外熱流變化不確定的風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)兼顧衛(wèi)星設(shè)備布局,再通過(guò)分析手段優(yōu)化面積比,保證整星熱量迅速有效排散。散熱面結(jié)構(gòu)布局見(jiàn)圖6。在方案論證階段,進(jìn)行了傳統(tǒng)的散熱面熱管等溫化設(shè)計(jì)和散熱面離散優(yōu)化設(shè)計(jì)比對(duì),散熱面等溫化設(shè)計(jì)主要針對(duì)側(cè)板上布置大量有源設(shè)備有較好的效果,而三超平臺(tái)衛(wèi)星的大部分設(shè)備安裝在隔板上,設(shè)備先輻射到艙板上,再通過(guò)二次輻射排散到冷空間。因此,在沒(méi)有設(shè)備的艙板上采取預(yù)埋熱管等溫化設(shè)計(jì)效率很低,需要的熱管數(shù)量大大增加,會(huì)增加很多質(zhì)量?；谏鲜銮闆r,最終選擇散熱面離散優(yōu)化設(shè)計(jì),即保證整星的散熱,也節(jié)省了質(zhì)量。

圖6 散熱面示意圖

2.2 高熱流抑制的多級(jí)隔熱設(shè)計(jì)

對(duì)于對(duì)日巡航表面,由于其長(zhǎng)期受太陽(yáng)直照,外熱流很大,且光照陰影波動(dòng)很大,故采用多級(jí)隔熱強(qiáng)化設(shè)計(jì)方法抑制外熱流的波動(dòng),保證艙內(nèi)設(shè)備高穩(wěn)定的溫度環(huán)境和艙外管路溫度滿足指標(biāo)要求。

平臺(tái)底板內(nèi)外表面均包覆多層的雙多層方法;肼瓶支架則采用多層+隔熱屏組件的非接觸式強(qiáng)化輻射隔熱方法,抑制外熱流波動(dòng)從而減小承力筒艙內(nèi)相機(jī)光機(jī)主體溫度波動(dòng)。隔熱屏為半剛性結(jié)構(gòu),由多層隔熱組件+不銹鋼絲網(wǎng)組件,隔熱屏結(jié)構(gòu)示意如圖7所示。熱分析和在軌飛行數(shù)據(jù)均顯示,平臺(tái)底板內(nèi)表面多層和肼瓶支架內(nèi)表面溫度波動(dòng)在6℃左右,遠(yuǎn)小于單層多層的溫度波動(dòng)。

圖7 隔熱屏示意圖

艙外管路朝天,對(duì)日巡航條件下光照區(qū)直照,陰影區(qū)沒(méi)有任何外熱流。需要針對(duì)艙外管路進(jìn)行精細(xì)化建模,分析多層不同單元數(shù),不同加熱功率、不同面膜對(duì)管路溫度的影響;多層溫度及包覆的松緊程度對(duì)隔熱性能影響很大,故熱設(shè)計(jì)時(shí)需要在更廣參數(shù)范圍內(nèi)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,設(shè)計(jì)中考慮星外管路多層當(dāng)量輻射換熱系數(shù)0.03～0.15,并且從材料的力學(xué)屬性上選擇小膨脹系數(shù)的聚酰亞胺面膜以保證高低溫條件下的力學(xué)屬性。

經(jīng)過(guò)多方案分析比較,同時(shí)借鑒已發(fā)射型號(hào)的在軌飛行經(jīng)驗(yàn),艙外管路采用2個(gè)10單元多層隔熱組件包覆,外層面膜選擇低溫區(qū)熱膨脹系數(shù)變化小的單面鍍鋁聚酰亞胺,保證多層陰影區(qū)良好的隔熱性能。加熱功率大于典型低軌有地球紅外熱流的艙外管路,應(yīng)對(duì)陰影區(qū)完全沒(méi)有外熱流的惡劣環(huán)境;此外,選擇聚酰亞胺面膜的一大優(yōu)勢(shì)是利用其吸收率大的特點(diǎn),通過(guò)在光照區(qū)提高管路的溫度水平,從而保證陰影區(qū)管路溫度在跌幅相當(dāng)?shù)那闆r下溫度能較好地滿足指標(biāo)要求,節(jié)省整星在陰影區(qū)的加熱功率。選擇雙區(qū)間的控溫方式,當(dāng)控溫點(diǎn)跌到控溫門(mén)限以下時(shí),另外一個(gè)加熱回路自動(dòng)開(kāi)啟,在控溫策略上保證熱控制有足夠的冗余;測(cè)溫點(diǎn)布置在管路溫度最低的區(qū)域,防止陰影區(qū)管路凍結(jié)風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 主動(dòng)指向超靜平臺(tái)高精高穩(wěn)力熱解耦設(shè)計(jì)

主動(dòng)指向超靜平臺(tái)由指向隔振機(jī)構(gòu)、相機(jī)光機(jī)主體、星敏感器、測(cè)微敏感器組成。為保證其超精度、超穩(wěn)定功能,需要保證主動(dòng)指向超靜平臺(tái)(20±1)℃溫度指標(biāo),并且進(jìn)行力熱解耦設(shè)計(jì),以減少熱變形的影響。下文對(duì)主動(dòng)指向超靜平臺(tái)重要部件指向隔振機(jī)構(gòu)、星敏感器的熱控設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

2.3.1 指向隔振機(jī)構(gòu)的熱設(shè)計(jì)

指向隔振機(jī)構(gòu)頂部支架和相機(jī)光機(jī)主體連接,因此有高溫度穩(wěn)定的要求;電機(jī)和傳感器線路有一定的熱耗,因此有散熱需求,且指向隔振機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,與安裝板導(dǎo)熱很差,需要進(jìn)行針對(duì)性熱設(shè)計(jì)。頂部通過(guò)被動(dòng)熱隔離+比例控溫實(shí)現(xiàn)高溫度穩(wěn)定性,底部的電機(jī)、傳感器線路通過(guò)強(qiáng)化導(dǎo)熱和輻射排散熱量,保證其溫度滿足要求。

頂支架高精度溫控設(shè)計(jì):①相機(jī)主框架由于安裝精度的要求,必須和頂支架導(dǎo)熱連接,故作動(dòng)桿選擇低導(dǎo)熱系數(shù)的鈦合金材料,盡量減少作動(dòng)器線路和電機(jī)對(duì)頂支架的溫度影響,保證其溫度穩(wěn)定性;②布置比例+開(kāi)關(guān)的高精度閉環(huán)控溫回路,選擇比相機(jī)略低的控溫門(mén)限,保證頂支架始終處于主動(dòng)可控狀態(tài),避免額外增加相機(jī)主框架散熱需求;③外表面包覆多層隔熱組件,抑制整星溫度波動(dòng)的影響。

底板散熱通道的設(shè)計(jì):①電機(jī)通過(guò)導(dǎo)熱銅條將熱量傳導(dǎo)至鋁合金導(dǎo)熱面,再通過(guò)底板排散到承力筒支撐框上;②傳感器線路導(dǎo)熱安裝在底板,通過(guò)降低周?chē)h(huán)境溫度控制其溫度水平,使其與頂支架的溫差較小,以減少熱變形影響,最終將傳感器線路和作動(dòng)器溫度維持在10～20℃左右。

2.3.2 星敏感器熱設(shè)計(jì)

星敏感器熱設(shè)計(jì)宗旨:以自適應(yīng)熱設(shè)計(jì)為主,不依賴(lài)整星環(huán)境和星敏感器指向約束,滿足觀察目標(biāo)變化導(dǎo)致星敏感器指向不確定的溫度控制要求,可實(shí)現(xiàn)星敏感器(陽(yáng)光不進(jìn)星敏感器主光軸)所有空間指向的溫度控制。星敏感器的溫度控制點(diǎn)選擇(20±0.3)℃,匹配主動(dòng)指向超靜平臺(tái)的溫度水平,以滿足超精度、超穩(wěn)定的要求。

星敏感器熱端通過(guò)自帶集熱熱管、轉(zhuǎn)接塊、轉(zhuǎn)接熱管以及體裝草帽式熱輻射器的方式,將熱量接力傳遞到散熱面;光學(xué)鏡筒和法蘭等影響定位精度的關(guān)鍵部位布置比例+開(kāi)關(guān)的高精度閉環(huán)控溫回路,保證其低溫工況下的溫度穩(wěn)定,減小由于溫度變化造成熱變形繼而引起測(cè)量和指向的超高精度。為隔離星敏感器和衛(wèi)星星體之間的輻射換熱,以及抑制外熱流變化造成的溫度波動(dòng),除進(jìn)光口和散熱面外其余表面均包覆多層隔熱組件。為保證主動(dòng)指向超靜平臺(tái)運(yùn)動(dòng)不受干涉,星敏感器和衛(wèi)星表面多層采取搭接不固定的設(shè)計(jì)方式,避免多層固定連接造成對(duì)超靜平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的額外應(yīng)力。星敏感器熱控設(shè)計(jì)示意見(jiàn)圖8。

圖8 VIPPS和衛(wèi)星結(jié)構(gòu)多層搭接解耦設(shè)計(jì)示意圖

3 在軌驗(yàn)證

三超平臺(tái)衛(wèi)星首發(fā)星北京三號(hào)A衛(wèi)星于2021年6月11日在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射,從發(fā)射入軌到2022年底,衛(wèi)星工作正常,熱控分系統(tǒng)為整星提供了良好的溫度環(huán)境。星內(nèi)長(zhǎng)期工作的設(shè)備溫度在+4～+36℃,短期工作設(shè)備溫度在-1～+20℃,艙外管路溫度在+16.2～+43.5℃之間,指向隔振機(jī)構(gòu)頂支架溫度在+19.12～+20.15℃,星敏法蘭溫度在+19.65～+20.25℃,均滿足指標(biāo)要求,且處于最佳溫度范圍,飛行溫度與熱分析預(yù)示比較接近(ΔT<5℃),頻繁姿態(tài)機(jī)動(dòng)的實(shí)時(shí)外熱流的精確分析是精準(zhǔn)熱分析必不可少的條件。飛行試驗(yàn)和溫度預(yù)示結(jié)果見(jiàn)表1和圖9。

表1 北京三號(hào)A衛(wèi)星設(shè)備在軌數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)三超平臺(tái)對(duì)日對(duì)地姿態(tài)轉(zhuǎn)換及大角度敏捷快速機(jī)動(dòng),VIPPS和衛(wèi)星結(jié)構(gòu)工作解耦的特點(diǎn),采用散熱面離散優(yōu)化,高熱流抑制的多級(jí)隔熱方法、VIPPS和衛(wèi)星結(jié)構(gòu)熱/力全解耦設(shè)計(jì)等方法,圓滿完成了整星熱設(shè)計(jì)任務(wù)。創(chuàng)建的多點(diǎn)指向目標(biāo)(時(shí)間函數(shù)目標(biāo))頻繁機(jī)動(dòng)外熱流分析算法廣泛應(yīng)用于后續(xù)敏捷機(jī)動(dòng)型衛(wèi)星及軌道姿態(tài)變化的外熱流分析;高熱流抑制的多級(jí)隔熱方法,主動(dòng)指向超靜平臺(tái)熱/力全解耦設(shè)計(jì)思路方法為后續(xù)敏捷衛(wèi)星的熱設(shè)計(jì)提供了思路。