第35卷第1期光子學(xué)報(bào)Vol 35 No. 12006年1月ACTA PHOTONICA SINICAanua空間相機(jī)的熱分析和熱設(shè)計(jì)陳榮利3耿利寅2馬臻1。李英才1(1中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所,西安710068)2航天科技集團(tuán)第五研究院,北京1000803中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京100039)摘要空間飛行器在軌道運(yùn)行過程中,除空間熱沉影響外,還會(huì)受到太陽輻射、地球紅外輻射和地球陽光反照等熱因素作用,同時(shí)相機(jī)內(nèi)部熱源也會(huì)影響相機(jī)的溫度.溫度的變化對(duì)高分辨率航天相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量影響很大.熱控系統(tǒng)的目的是保證相機(jī)的各部分保持在各自的溫度范圍內(nèi)本文對(duì)相機(jī)整體進(jìn)行了詳細(xì)熱分析計(jì)算,得出了低溫、高溫初期、高溫末期工況以及其他一些情況下相機(jī)各部分的溫度水平,為相機(jī)熱控實(shí)施提供依據(jù)關(guān)鍵詞高分辨率空間相機(jī);軌道外熱流;熱分析;熱設(shè)計(jì)中圖分類號(hào)O414.19;O432文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A0引言cosi=-0.09890445Re|-a(1)高分辨率空間相機(jī)具有通光孔徑大、成像焦距式中Re為地球半徑,h為軌道高度長(zhǎng)、規(guī)劃頻率高、瞬時(shí)視場(chǎng)小等特點(diǎn),決定了其光學(xué)太陽同步軌道意味著太陽與軌道平面有相對(duì)固系統(tǒng)和支撐結(jié)構(gòu)幾何尺寸及外形尺寸較大,一般直定的幾何關(guān)系以地球球心為原點(diǎn)的天球座標(biāo)中,接裝在衛(wèi)星艙體外部.在軌道運(yùn)行過程中,受到太太陽隨時(shí)間(以天計(jì)算)相對(duì)于軌道面的入射角為0陽輻射、地球紅外輻射和地球陽光反照及空間冷黑cos isin arctanSin zTt熱沉的交替加熱和冷卻,相機(jī)表面各部分接受輻射熱量的不均勻性和隨時(shí)間的變化,將造成其表面溫 n icos [arctan sin2mt/365tin[1m-△a(t)]度分布的不均勻和波動(dòng).當(dāng)工作姿態(tài)變化時(shí),向著t∈[0,365],t0∈[0,24](2)太陽的部分與處于太陽陰影中的部分會(huì)產(chǎn)生巨大的式中,為軌道傾角;e為黃赤交角;t為降交點(diǎn)地方溫差.溫度的變化對(duì)高分辨率航天相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)時(shí);△a為赤經(jīng)差.可以得出太陽與軌道平面的入射成像質(zhì)量影響很大,同時(shí),相機(jī)內(nèi)部的熱源所產(chǎn)生的角在一年中有季節(jié)性的變化,在一天中變化較小熱擾動(dòng)也會(huì)影響到相機(jī)的性能.各種形式的溫度分相機(jī)各面太陽輻射熱流變化很大.把三軸穩(wěn)定的航布對(duì)航天相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生不同的影響2.對(duì)天相機(jī)分為6個(gè)面,即朝陽面、背陽面、對(duì)天面、對(duì)地于均勻溫度場(chǎng)變化,可通過鏡筒材料和光學(xué)材料的面、朝前面(飛行方向)和朝后面,各面將有不同的熱合理匹配和無熱化設(shè)計(jì),盡量減少它對(duì)像面位置和特性·朝陽面在軌運(yùn)行一天中(地球陰影區(qū)除外)將像質(zhì)的影響;溫度梯度對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的影響既復(fù)雜又受到基本恒定的太陽外熱流;與之對(duì)應(yīng)的背陽面始難以控制,必須針對(duì)具體的溫度環(huán)境進(jìn)行相關(guān)分析,終受不到太陽光照,對(duì)天面、朝前面隨航天器在軌道并采用有效的溫控手段中的位置接受的太陽外熱流也隨之變化;對(duì)地面僅在日落和日出時(shí)才能接受到太陽輻照;朝后面為與軌道外熱流的計(jì)算星體的安裝面,與星體有一定的熱耦合的高分辨率相機(jī)幾乎都運(yùn)行在太陽同步軌道上.所多(m衛(wèi)星與太陽及地球的相對(duì)位置不斷變化,衛(wèi)星在相機(jī)本坐標(biāo)系中,相機(jī)各面元外法線方向表面所接收的外熱流也在不斷變化.用于對(duì)地觀測(cè)余弦為,cosB,cosy,),太陽輻射角系數(shù)謂太陽同步軌道就是軌道的升交點(diǎn)赤經(jīng)Ω的變化中國(guó)煤化工率等于地球公轉(zhuǎn)的平均角速度(0.9856°/天)的軌道1,2,3,(3)CNMHG太陽同步軌道傾角與軌道高度的關(guān)系由下式確定式中以地心角距;為太陽對(duì)軌道面的入射角.太陽輻射周期平均角系數(shù)國(guó)家863—708高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目Tel: 029-88484258 Email: crl@ opt. accn=2x(cosa·cosb,csi-cos月收稿日期:2004-11-15sin0· cos I+cosy,·sin)dO(4)1期陳榮利等.空間相機(jī)的熱分析和熱設(shè)計(jì)155空間相機(jī)外表面任一微元dA上所受的太陽輻射外表1六個(gè)方向上的平均到達(dá)外熱流(W/m2)熱流為表面夏至冬至S·F·dA(5)方向太陽及地球返照地球紅外太陽及地球返照地球紅外62,065729.521666.2350F為太陽輻射角系數(shù);S為太陽常量;a為太陽吸收Y281.84860.5354391.60664.6019率,與表面性質(zhì)有關(guān)00962.970503467.2006低溫工況取夏至?xí)r的外熱流,太陽常量為S308.51260.3398317.23864.3932195.039143.920208.1401310W/m2,載荷艙面板溫度取-10℃;高溫工況取392.9030.00000冬至?xí)r外熱流,太陽常量為S=1398W/m2,載荷艙考依據(jù)面板溫度取10℃;高溫末期工況取冬至?xí)r外熱流并考慮涂層退化的影響,載荷艙面板溫度取45C2熱設(shè)計(jì)計(jì)算中采用的熱分析軟件為 SINDA/G和高分辨率相機(jī)具有外形尺寸大、遮光罩窗口面Nevada.按照節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行建模.根據(jù)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)積大、內(nèi)功率變化大以及空間熱環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn),熱法,節(jié)點(diǎn)的能量平衡方程為控設(shè)計(jì)的基本思想是在滿足相機(jī)總體要求的前提下(Gc)d-R(T-T:)+力求簡(jiǎn)單、可靠,盡可能采用成熟的熱控技術(shù)和實(shí)施∑RE.no(T-T)+Q(6)工藝.在相機(jī)設(shè)計(jì)中盡量降低對(duì)熱控的要求.根據(jù)工程分析的結(jié)果可知,外遮光罩的結(jié)構(gòu)尺寸形式幾式中,G為節(jié)點(diǎn)質(zhì)量,單位kg;c為比熱,單位kJ何參量的改變對(duì)熱載荷并不敏感,但對(duì)其動(dòng)載荷尺(w:T為絕對(duì)溫度,單位K;為時(shí)間,單位s;寸的應(yīng)力及變形影響較大.反射鏡的熱變形系數(shù)R,R分別為熱網(wǎng)絡(luò)的傳導(dǎo)和輻射系數(shù);Q為總的越小,鏡面的熱穩(wěn)定性越高,對(duì)熱控系統(tǒng)要求就越低內(nèi)、外熱流量,單位W.將反射鏡材料熱常量與鏡筒材料的熱膨脹系數(shù)很好首先計(jì)算了相機(jī)在軌道上運(yùn)行時(shí)外表面各個(gè)方地配合起來,可達(dá)到減小熱差的效果7,熱控的主向的外熱流.表1給出了六個(gè)方向單位面積上到達(dá)的平均外熱流圖1為這六個(gè)方向冬至?xí)r一個(gè)周期要原則如下.被動(dòng)熱控和主動(dòng)熱控相結(jié)合.其中主要采內(nèi)到達(dá)外熱流的瞬時(shí)變化情況(十Z面按黑體,其余用熱控涂層、多層隔熱材料、隔熱墊、導(dǎo)熱填料以及各面按S781涂層計(jì)算),夏至的數(shù)值略有減小,但變薄膜電加熱器等措施化趨勢(shì)與此相似,可作為設(shè)計(jì)焦面機(jī)構(gòu)散熱面的參b.光、機(jī)、電、熱設(shè)計(jì)的有機(jī)統(tǒng)一.其中包括光機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)合理的光學(xué)材料、結(jié)構(gòu)材料的選擇、結(jié)構(gòu)裝配技術(shù)以保證相機(jī)結(jié)構(gòu)的溫度穩(wěn)定性;C.采用恒定內(nèi)功率的補(bǔ)償方法來保證關(guān)鍵組件的溫度穩(wěn)定性;按照優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則和方法,實(shí)現(xiàn)加熱功率的優(yōu)化配置;d.對(duì)有特殊溫度要求的關(guān)鍵部件,采取新的熱控方式0020406081012141618Time/h熱設(shè)計(jì)計(jì)算參量見表2.圖2為熱分析中主鏡750節(jié)點(diǎn)的單元?jiǎng)澐智闆r表2主要計(jì)算參量材料名稱太陽吸發(fā)射密度p比熱C熱導(dǎo)率λ收比a,率EHkg/m3J/kg:KW/m:K碳纖維復(fù)合材料90.815006中國(guó)煤化工2710946221鈦合4020020406081012141618CNMHG4506785.4殷鋼Time/h0,180.86圖1冬至?xí)r各方向吸收的外熱流密度(+Z面按黑體微晶玻璃0.080.0823035781.39其余按S781)Fig 1 Different direction space heat flux density微晶玻璃(表面鍍膜)0.050.05in midwinter隔熱墊140011100.34156光子學(xué)報(bào)出,自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)未達(dá)到實(shí)用階段.因此空間相機(jī)的熱分析與熱控制是一個(gè)非常有挑戰(zhàn)性的課題而且隨著分辨率的進(jìn)一步提高而越發(fā)困難.因此,有必要研究新型的主動(dòng)熱控設(shè)備和新型的光學(xué)和結(jié)構(gòu)材料.把光學(xué)系統(tǒng)對(duì)溫度敏感的不利條件變?yōu)橛?6210利條件,發(fā)展一門新的學(xué)科一熱光學(xué)自適應(yīng)技術(shù)參考文獻(xiàn)1王紅,韓昌元.溫度對(duì)航天相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)影響的研究.光圖2熱分析中主鏡節(jié)點(diǎn)單元?jiǎng)澐謱W(xué)技術(shù),2003,29(4):452~457Fig 2 Nodes of main mirror in thermo analysisWang h, HY. Optical Technique, 2003, 29(4)3設(shè)計(jì)結(jié)果2丁福建,李英才,卡塞格林反射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)采用上述主動(dòng)控溫措施后,以低溫工況為輸入光子學(xué)報(bào),1999,28(8):756~762條件,經(jīng)穩(wěn)態(tài)計(jì)算所得的相機(jī)各節(jié)點(diǎn)溫度.部分部Ding FJ, Li Y C. Acta Photonica Sinica, 1999, 28(8)件溫度如表3.756~7623于紹華,楊林娜.對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星太陽同步軋道的快速設(shè)表3低溫工況下有加熱功率分配的主要部件計(jì)算溫度值計(jì)方法.上海航天,2002,19(2)5~7部件名稱計(jì)算溫度(CYu SH, Yang L N. Shanghai Aeros pace Tehnique, 20021089-109318.39-18.47輻射加熱板21552101-21544鄧桂俊,武克用.太陽同步圓形軌道空間相機(jī)太陽輻射18.38-18.58反射鏡3301718.16外熱流的計(jì)算.光學(xué)精密工程,1997,5(6):107~112反射鏡43022-302918.44Deng GJ, Wu KY Optics and Precision Engineeringl997,5(6):107~112從上述結(jié)果可知:在設(shè)計(jì)的加熱功率下,相機(jī)各5王永謙.太陽同步軌道的太陽相對(duì)于軌道面入射角的計(jì)部分的溫度均能滿足設(shè)計(jì)要求.相機(jī)整體的溫度水算方法,航天器工程,1995,4(4):65~73平維持在18℃左右;光路上全部光學(xué)玻璃的溫度以Wang Y Q Spacecraft Engineering,1995,(4):657及軸向溫度梯度控制在所要求的范圍內(nèi),主鏡的徑6丁福建,李英才,外遮光罩工程分析及其結(jié)構(gòu)動(dòng)力優(yōu)化向溫度梯度也滿足設(shè)計(jì)要求光子學(xué)報(bào),1999,28(1):75~79Ding FJ, Li Y C. Acta Photonica Sinica, 1999, 28(1):75結(jié)論由于我國(guó)現(xiàn)階段空間相機(jī)研發(fā)的整體水平較7孫強(qiáng),劉宏波,等紅外折射/衍射超常溫光學(xué)系統(tǒng),光子低,相機(jī)對(duì)溫度場(chǎng)的苛刻要求只能由熱控措施保證.學(xué)報(bào),2003,32(4):466~469另外,我國(guó)目前熱光學(xué)分析技術(shù)尚不成熟,因此在熱Sun Q, Liu H B, et aL. Acta Photonica SInica, 2003, 32(4):466~469控指標(biāo)方面還沒有能夠以光學(xué)系統(tǒng)波像差的形式提中國(guó)煤化工CNMHG1期陳榮利等.空間相機(jī)的熱分析和熱設(shè)計(jì)157Thermal Analysis and Design for High Resolution Space TelescopeChen Rongli Geng Liyin, Ma Zhen., Li Yingci'1 Xi an Institute of Optics and Precision Mechanics, CAS, Xian 7100682 The No 5 Academe of Aerospace Science and Technology Group of China, Beijing 1000803 Graduate School of Chinese Academy of scReceived date: 2004-11-15Abstract There are several different sources of thermal energy acting on a spacecraft as it flying on heatdreariness orbit; solar radiation, albedo, earth emitted infrared, and heat generated by camera equipmentitself. Temperature fluctuating is a bad influence on imaging quality of high resolution camera. Purpose othermal control is to maintain all the components of a spacebased camera within their respectivetemperature limits. Detailed thermal analysis and temperature calculation in different work status is put inpractice on a spacebased high resolution camera as a whole in the paper. the result can supply references tothermal control for spacebased high resolution cameraKeywords High resolution space camera; Environmental heat fluxes; Thermal analysis; Thermal designChen Rongli an associate professor, was born in 1973, in Shaanxi Province, China. Hereceived the Master degree in 1999 from Xi'an Institute of Optics and Precision MechanicsChinese academy of Sciences. Now he is working as a Ph. D. candidate in Space OpticsLab. His interest is space optical remote sensing中國(guó)煤化工CNMHG