空間望遠鏡的熱設計和熱光學(xué)分析綜述

第22卷第2期2001年6月航天返回與遙感PACECRAFT RECOVERY REMOTE SENSING空間望遠鏡的熱設計和熱光學(xué)分析綜述趙立新(中國科學(xué)院空間科學(xué)與應用研究中心,北京100084)邵英(北京航天科技信息研究所,北京10006摘要文章對國內外典型空間望遠鏡的熱設計進(jìn)行綜述,并詳細介紹了空間望遠鏡熱光學(xué)分析的概念,討論了熱設計和熱光學(xué)分析的關(guān)系,提出了將衛星熱控制技術(shù)與光學(xué)波像差理論相結合,以光學(xué)指標作為熱設計的最終評價(jià)標準,并應用于我國空間太陽(yáng)望遠鏡(SST)的熱設計和熱光學(xué)分析之中。關(guān)鍵詞空間望遠鏡熱設計熱光學(xué)分析中圖分類(lèi)號:V447文獻標識碼:A文章編號:1009-8518(2001)02-0013-07Summary of Thermal Control and Thermal-OpticalAnalysis for Space Optical SystemZhao Lixin(Center for Space Science and Applied Research, CAS, Beijing 100084)Shao Ying(Beijing Institute of Space Science Technology Information, Beijing 100086)Abatract Thermal control designs of some space telescopes are summarized in this paper. The concept of ther-mal-optical analysis and its relation with thermal design are introduced in detail. Thermal-optical analysis is successfullyapplied to the thermal design of Space Solar Telescope(SST) by combining satellite thermal control technology with opticalwavefront error theory. The optical requirements are used directly to optimize the thermal designKey Words Space telescope Thermal control Thermal-optical analysis1前言高分辨率空間望遠鏡要求達到或接近衍射極限,對溫度變化非常敏感。一方面,主結構和光學(xué)元熱設計和熱光學(xué)分析是空間望遠鏡的關(guān)鍵技術(shù)件的溫度站動(dòng)和沮度梯度伷詛遠鏡光學(xué)系統的光學(xué)之一。國外空間望遠鏡通常以望遠鏡本體為主結間中國煤化工斜;另一方面,光學(xué)構,主鏡、準直鏡、鏡筒或桁架結構直接暴露在復雜元亻CNMHG變使光學(xué)元件的面形多變的空間熱環(huán)境中,這就不可避免地會(huì )產(chǎn)生較大發(fā)生變化,透鏡內的溫度變化還將引起折射率的改的溫度變化變。收稿日期:20010306對于大口徑、達到光學(xué)衍射極限的光學(xué)系統來(lái)趙立新等:空間望遠鏡的熱設計和熱光學(xué)分析綜述說(shuō),微小的溫度梯度都會(huì )對成像質(zhì)量產(chǎn)生影響。從間分辨率為01。望遠鏡的主鏡和次鏡鍍鋁膜和氟光學(xué)設計的角度,很難在如此高的精度上對熱設計化鎂膜,可以對波長(cháng)115m(紫外)~1mm(微波)之直接提出準確合理的溫度要求。國外幾種髙分辨率間的光線(xiàn)聚焦。哈勃空間望遠鏡的軌道傾角為空間望遠鏡都是采用均方根波像差(RMS值)來(lái)進(jìn)28.5°,軌道高度為398~593km,軌道面與太陽(yáng)光夾行總體誤差分配的,通常分配給熱控系統的誤差在角在±52之間變化,地影時(shí)間為26-36min。哈勃空數值上占總誤差的一半左右約A/20~A/40。而傳間望遠鏡的構型和布局如圖1所示。統的衛星熱設計的基礎是溫度要求,相應的設計準2.2哈勃空間望遠鏡熱設計要求則和檢驗方法均以溫度要求為依據,這樣在使用以哈勃空間望遠鏡熱設計的要求為24h內光軸溫度為最終指標的衛星熱設計方法處理高分辨率空指向穩定性要求0.003(RMS值),并保持光學(xué)波像間望遠鏡或空間相機熱設計時(shí)就會(huì )遇到困難。差優(yōu)于λ/20(RMS值)。國外空間望遠鏡通常以望遠鏡主體作為衛星主2.3哈勃空間望遠鏡主體結構熱設計結構,衛星熱控制與主載荷一空間太陽(yáng)望遠鏡的熱控制合二為一。美、歐等航天科技大國在這方面已經(jīng)擁有了成熟的設計概念和理論,成功地將衛星熱控制技術(shù)與光學(xué)理論結合在一起,形成了一整套基于熱光學(xué)設計的方法和試驗手段。美國早在20世紀70年代,就開(kāi)始采用熱光學(xué)設計( Thermal-optical de-sign)或熱光學(xué)分析( Thermal-optical analysis的方法對高分辨率光學(xué)窗口和大口徑空間望遠鏡進(jìn)行熱設計,并采用波前探測器( Wavefront senso)實(shí)時(shí)測量光學(xué)元件的波面變化的情況。俄羅斯莫斯科空間研究所設計的熱光學(xué)試驗裝置,在真空罐中實(shí)時(shí)檢測帶圖1哈勃空間望遠鏡的構型與布局有真實(shí)溫度梯度的主鏡光學(xué)面形變化。所謂熱光學(xué)分析或熱光學(xué)設計,就是直接采用光學(xué)(例如RMS均方根波像差)指標,對高分辨空間望遠鏡或空間相機的熱設計進(jìn)行評價(jià)和優(yōu)化。在熱光學(xué)分析過(guò)程中,溫度數據僅僅是一種中間變量和設計結果,不作為熱設計的最終指標。中國首次采用熱光學(xué)分析的方法對詳查相機光學(xué)窗口和外遮光罩進(jìn)行了熱設計,得到了滿(mǎn)意的結果,并與美國天空實(shí)驗室光學(xué)窗口的熱光學(xué)分析結果相吻合。后來(lái)又完成了空間太陽(yáng)望遠鏡(SST)的熱設計和熱光學(xué)分析2美國哈勃空間望遠鏡圖2哈勃空間望遠鏡的主體結構2.1哈勃空間望遠鏡概述哈勃空間望遠鏡多層隔熱材料(MLI)的最外層哈勃空間望遠鏡( Hubble Space Telescope)于為低鋁或鏞銀聚吧氳7烯( Teflon)膜,以減1990年5月由發(fā)現號航天飛機發(fā)射升空,總質(zhì)量為小對中國煤化光罩的內表面為光llt,.長(cháng)度超過(guò)13m,主體直徑約為43m再加上展學(xué)黑CNMHG雜光要求。遮光開(kāi)的太陽(yáng)能電池帆板,橫向寬度可達12m。哈勃空罩外面包覆15層多層隔熱材料(MLI),最外表面為間望遠鏡是一個(gè)口徑為24m、相對孔徑為f24的鍍鋁 Teflon膜,等效發(fā)射率為0.02。儀器艙的散熱面Ritchey-Chretien的卡塞格林系統,在可見(jiàn)光范圍,空采用低吸收率高發(fā)射率的鍍銀 Teflon膜覆蓋,其它趙立新等:空間望遠鏡的熱設計和熱光學(xué)分析綜述外表面與遮光罩外面的MI相同。哈勃空間望遠鏡2.5哈勃空間望遠鏡主桁架熱設計的主體結構如圖2所示。哈勃空間望遠鏡主體結構的熱控方案是采用M或低發(fā)射率涂層對大部分結構進(jìn)行隔熱,在結構連接處進(jìn)行熱傳導隔離,同時(shí)采用大量的小加熱器把主體結構精確地控制在21.11℃。主體環(huán)采用36路加熱器把溫度控制在21.1±0.1℃,采用ML包覆,當量發(fā)射率ε*<0.01,并在機械連接處采用隔熱材料。熱敏感元件及其導線(xiàn)采用MLI或低發(fā)射率的金帶進(jìn)行包覆,并用隔熱膠帶沾接到主體環(huán)上。24哈勃空間望遠鏡主鏡熱設計主鏡的熱設計方案是將主鏡組件的非通光面全部用ML包覆起來(lái)(e*<0.01),主鏡光學(xué)表面的紅外發(fā)射率為001-0.03,太陽(yáng)光平均吸收率為圖4主桁架的熱控包覆0.08。主鏡與中心遮光罩之間采用金箔或ML以及保護加熱器隔離熱輻射,因為中心遮光罩可以通過(guò)主桁架要保持主鏡和次鏡之間的光學(xué)間隔。主望遠鏡進(jìn)光口“看到”冷黑空間,溫度會(huì )比較低。主桁架由碳纖維環(huán)梁和斜桿組成,并通過(guò)4個(gè)支腿固鏡后面的作動(dòng)圓盤(pán)與主體環(huán)、中心遮光罩之間采用定次鏡組件。對主桁架的熱控要求是盡可能減小由隔熱安裝。于結構熱變形而引起的間隔變化、偏心和傾斜。整個(gè)主桁架均采用ML包覆,并且位于主遮光罩的ML外表面和低發(fā)射率的前罩內表面之間的夾層中,更進(jìn)一步加強了輻射熱隔離,如圖4所示。主桁架與主體環(huán)之間有8個(gè)剛性螺接點(diǎn)。支腿為高吸收率低發(fā)射率表面,以減小熱輻射流失和滿(mǎn)足消雜光要求。26哈勃空間望遠鏡次鏡熱設計次鏡的熱設計方案是將次鏡用3塊精確熱控(21.1±0.1℃)的安裝板包圍起來(lái),次鏡的作動(dòng)器固圖3哈勃空間望遠鏡主鏡的熱控制定在安裝板上。安裝板內表面為高發(fā)射率表面,與次鏡背面形成良好的輻射換熱空腔。安裝板外表面主鏡背面和作動(dòng)圓盤(pán)的前面形成一個(gè)高發(fā)射率和作動(dòng)器安裝面粘貼低發(fā)射率金箔。次鏡筒內襯空腔,在作動(dòng)圓盤(pán)上分區布置36路加熱器,溫度控MI和隔熱安裝進(jìn)一步加強熱隔離。次遮光罩安裝制范圍為21.1±0.1℃,由于主鏡后面為高發(fā)射率,在次鏡筒上并延伸進(jìn)入輻射換熱空腔,次遮光罩面前面為極低發(fā)射率(0.01~0.03),所以主鏡的溫度對輻射換熱空腔的部分為低發(fā)射率表面,以減小次主要由作動(dòng)圓盤(pán)決定,受冷黑空間或前面鏡筒內壁遮光罩的溫度變化對輻射換熱空腔的影響。面向光的溫度影響極小。36路作動(dòng)器和3根軸向連桿均用路的表面為高發(fā)射率的消雜光黑漆,依靠次鏡光學(xué)MLI或低發(fā)射率涂層隔離熱輻射,主鏡、作動(dòng)器和軸表面率來(lái)減小與次遮光罩的輻射熱耦合向連桿之間的接觸熱導要求盡可能小。碳纖中國煤化工射率涂層盡可能地減CNMHG趙立新等:空間望遠鏡的熱設計和熱光學(xué)分析綜述3美國大型空間望遠鏡(LST)行面形校準和光軸準直,使之達到衍射極限。所謂不可補償的熱光學(xué)誤差,就是在經(jīng)過(guò)在軌調整以后3.1概述仍然無(wú)法補償的波面變形和光軸偏移。此后,面型美國Iek公司的 Richard D. Cummings撰文介紹校準和光軸準直周期性地進(jìn)行,而熱控制的任務(wù)就了3m大型空間望遠鏡LSr( arge Space Telescope)是在兩次調整之間保持光軸準直和主次鏡面形。熱控制。雖然此望遠鏡最后沒(méi)有發(fā)射上天,但其熱3.3LST總體誤差分配控制的理論和方法仍值得學(xué)習和參考。LST的通光按照瑞利( Rayleigh)準則,達到衍射極限的光學(xué)口徑為3m,空間分辨率為0.05,可以觀(guān)察到28等系統允許光程差為λ/4PⅤ值,或0.05RMS值。為星,預期軌道傾角為30°,軌道高度650km,5-10a了保證上述要求,典型的做法是將波像差總允值在使用壽命,工作波長(cháng)為01-2.0m。IST的構型和整個(gè)系統內做分配,使得各項RMS值的平方和的根布局如圖5所示。不超過(guò)0.05λ。對于LST,主鏡和次鏡由于熱引起的LST在軌待命時(shí)為慣性定向狀態(tài),主光軸與太不可補償的波像差允值為0.026。此外,由熱引起陽(yáng)光線(xiàn)垂直。接到指令后旋轉光軸使之與太陽(yáng)光線(xiàn)的不可補償的主次鏡裝配結構的變形,以及由熱引平行,開(kāi)口方向背對太陽(yáng)。進(jìn)入地影后對目標定向,起的離焦和準直誤差另有誤差分配。圖6為系統波微光傳感器的快門(mén)打開(kāi)開(kāi)始積分成像,在望遠鏡即像差的分配表。將出地影時(shí)快門(mén)關(guān)閉。上述快門(mén)開(kāi)關(guān)的過(guò)程反復進(jìn)第二個(gè)熱控要求是盡可能減小不可補償的像行,使總的積分時(shí)間達到10h移,這種像移將使成像模糊。如果不可補償的像移32IST的熱設計要求達到望遠鏡分辨率的10%,就認為是影響了成像LST的熱控制的主要要求為:由于熱引起的不因此,LST不可補償的視軸傾斜必須小于0.005°。上可補償的波像差<0.026RMS值(A=0.6328m),述總的像移誤差要在系統之間進(jìn)行分配,其中分配不可補償的視軸傾斜<0.0025″。給熱控的像移誤差為00025″。表1為熱光學(xué)設計的要求。3.4LST的熱設計和熱分析模型圖7為L(cháng)ST的熱分析模型,包括182個(gè)節點(diǎn)、l141個(gè)輻射因子、329個(gè)傳導因子、28個(gè)熱流輸入表,用于實(shí)時(shí)模擬溫度場(chǎng)的變化為了滿(mǎn)足上述熱控要求,LST主要采取了如下熱控措施(1)主鏡和次鏡均采用超低膨脹材料( Cer-Vit和ULE熔石英),以減小反射鏡光學(xué)表面的熱變形。圖5LST的構型與布(2)兩塊反射鏡背面相對的圓盤(pán)上都貼有分區ST在軌運行的第一個(gè)7天,達到熱平衡后進(jìn)加熱膜陣列,以減小反射鏡的徑向溫度梯度,同時(shí)在像差預算光學(xué)質(zhì)量絕對調焦0.0480.015入中國煤化工設計「加工|「準直「焦面保持熱畸變CNMHG0001A0.02630.0850.026入0.010.0152圖6系統波像差分配表趙立新等:空間望遠鏡的熱設計和熱光學(xué)分析綜述表1熱光學(xué)設計的要求系統誤差隨機誤差(RMS)熱控要求/℃(RMS均方根波像差)(RLMs均方根波像差)主鏡軸向梯度0.00157入徑向梯度0.00433浸泡(溫度水平變化)±0.0105±4.4軸向梯度變化±0.0155A±1.2次鏡軸向梯度0.00015入徑向梯度0.001浸泡(溫度水平變化)±0.0004A±0.5軸向梯度變化±0.0006合計0.00705入0.01875總的光學(xué)像質(zhì)誤差0.0258焦面保持桁架系統主鏡軸向梯度變化圖7LST的熱模型反射鏡前面的相對表面鍍低發(fā)射率膜,以減小軸向的軌道高度為510km,軌道傾角974°,太陽(yáng)同步軌梯度、降低加熱功耗。道,有效壽命為3年,每一年中大約有9個(gè)月連續日(3)在熱補償桁架中采用了低膨脹的石墨環(huán)氧照,3個(gè)月有部分地影。在全日照軌道期間,OSL將樹(shù)脂材料,使桁架與望遠鏡的隕石防護罩絕熱。滿(mǎn)負荷工作,而在地影軌道期間,OSL將處于休眠狀(4)隕石防護罩外表面涂白漆,盡量減小日照態(tài),一些有效載荷也處于安全保持狀態(tài),只有衛星系和姿態(tài)調整的影響。統仍在正常工作。4.2OSL的誤差分配4美國軌道太陽(yáng)實(shí)驗室(OSL)OSL的光學(xué)設計任務(wù)包括3個(gè)方面:(1)預示OSL作為太陽(yáng)實(shí)驗室的優(yōu)越光學(xué)性能;(2)需要評價(jià)4.1OSL概述與成中國煤化工估算余量和臨界參美國軌道太陽(yáng)實(shí)驗室OSL( Orbiting Solar Labora-數;(CNMHG械準直系統和熱控ty)是一種空間太陽(yáng)望遠鏡,拋物面主鏡的通光口系統這些要求將作為結構和熱控的系統誤差。徑為1m,次鏡為橢圓面,第三鏡為中心開(kāi)孔的平面標稱(chēng)OSL設計包括一項0.061x(A=0.5m)的反射鏡,主體結構是一個(gè)環(huán)形加固的鈦合金筒。OSL最高層波像差預算,波像差是指波面與最佳擬合球趙立新等:空間望遠鏡的熱設計和熱光學(xué)分析綜述面的不吻合度,上述預算包括鏡面面形和拋光裝配43OSL的熱控制要求變形、機械準直熱控制的誤差以及一些余量。由熱引起的波像差允許值為0.031(RMS),約為系統總波像差的一半略多。在觀(guān)測時(shí)間內(最少3波像差預算0.061A0163入設計余量安裝引起的變形光學(xué)加工熱畸變機械準直0.0080.0151A0.0443031入|0.0158X主鏡0.0182次鏡0.0137鈦筒00210圖8OSL的波像差預h),望遠鏡的焦距誤差要求不大于36mm,折算到5我國空間太陽(yáng)望遠鏡(SST)的熱設主結構的整體溫度穩定性為±0.15F(約±計和熱光學(xué)分析0.083℃),主鏡輻射器的整體溫度穩定性要求為±0.25F(約±0.14℃)。中國國家天文臺和北京天文臺臺長(cháng)艾國祥院士在20世紀90年代初期提出了研制口徑為1m、空間分辨率為01"的空間太陽(yáng)望遠鏡ST( Space SolarTelescope)的構想,計劃通過(guò)協(xié)同的、多波段的、高分辨率的和不間斷的觀(guān)測,探測太陽(yáng)大氣中磁流體力、學(xué)和磁流體力學(xué)過(guò)程中各種瞬變和穩態(tài)現象,實(shí)現太陽(yáng)物理學(xué)的重大突破。圖90SL的熱設計模型簡(jiǎn)圖4.4OSL的熱設計和熱模型oSL的熱設計模型如圖9所示。望遠鏡包括個(gè)熱反射系統,能把50%的入射太陽(yáng)光反射回去。主鏡吸收的太陽(yáng)光能量通過(guò)主鏡傳導到后面的主鏡散熱器,再散失到空間。光闌反射鏡吸收的能量再輻射到內腔和空間。第4反射鏡有面對空間的專(zhuān)用輻射器。主結構和主鏡散熱器的溫度有-6.67℃的偏置,并一直進(jìn)行主動(dòng)熱控。通過(guò)優(yōu)化設計使得光闌/反射鏡的溫控點(diǎn)為期望值21.1℃,與地面裝調一致。中心微處理器控制主鏡散熱器的補償加熱,中國煤化工適當調節溫度控制水平,以盡可能減少加熱功率。CNMHG圖SST的主體結構為圓柱形桁架結構,直徑為趙立新等:空間望遠鏡的熱設計和熱光學(xué)分析綜述1.32m,高度為4.65m,總質(zhì)量約18teST軌道平機的研究,而光學(xué)系統對溫度變化非常敏感使得高均高度為730km,周期為99.3min,軌道傾角為分辨率空間光學(xué)系統熱設計的難度顯著(zhù)增加,傳統98.3°,為太陽(yáng)同步軌道,降交點(diǎn)地方時(shí)為清晨/傍晚的衛星熱設計方法在這方面越來(lái)越顯示出局限性,6:0。ST的姿態(tài)為對日定向,三軸穩定,X軸(主光熱學(xué)和光學(xué)的交叉一熱光學(xué)設計逐漸成為必要手軸)指向太陽(yáng),Z軸指向南黃極。預期工作壽命為3段。本文對國內外高分辨率空間光學(xué)系統的熱設計年和熱光學(xué)分析做了一個(gè)簡(jiǎn)要的綜述,并將熱光學(xué)分SST采用格利高利光學(xué)系統,主反射鏡口徑為1析方法成功應用于空間太陽(yáng)望遠鏡的熱設計之中。m,焦距為3500mm,視場(chǎng)2.8′×1.5,準直鏡由6片透鏡組成角放大率為225倍,焦距為1555mm,預考文獻期角分辨率為01"。SST的熱設計要求如下:由熱引起的不可補償1 David G. Gilmore Satellite Thermal Control Handbook. The的像面畸變優(yōu)于λ/30;由于空間太陽(yáng)望遠鏡CCD曝Aerospace Corporation Press. El Segundo, California, 3-41光時(shí)間很短,遠遠小于哈勃望遠鏡和LST望遠鏡的32265,46569,A10曝光時(shí)間10h,而望遠鏡的熱變化相對非常緩慢。在2 Richard D. Cummings. Thermal Control of the Large Space很短的曝光時(shí)間內,由于熱的不穩定而造成的光軸Telescope(LST). Itek Corporation, Optical System Division在像面上的偏移距離遠遠小于像元尺寸,所以不必對光軸在像面上的熱偏移提出要求,但熱設計要保3陳培堃.世界天文臺巡禮.安徽科學(xué)技術(shù)出版社,199證兩次在軌調節之間的熱穩定。7,7275,5471SST在1年中的絕大部分時(shí)間里都在全日照狀4 James. Gimlett and donald h. Garbaccio. Multiple Docking態(tài)下飛行,在兩次正常工作任務(wù)之間進(jìn)行周期性地Adapter Window for $-190 Experiment Applied Optics, 1974校準或調焦,熱控系統保持相鄰兩次校準或調焦之11,vol.13,26292637間的熱穩定性。另外,空間太陽(yáng)望遠鏡也有少量時(shí)5趙立新.空間光學(xué)窗口和外遮光罩的熱光學(xué)分析及其在段運行在有暫短地影的軌道,需要對其進(jìn)行瞬態(tài)熱工程中的應用.中國科學(xué)院博士學(xué)位論文,中國科學(xué)院計算和熱光學(xué)分析,以驗證其能否正常工作。長(cháng)春光學(xué)精密機械研究所,1996.8SST的熱光學(xué)設計要求A/30優(yōu)于或相當于國6趙立新,SZ3飛船附加段的構型布局與熱分析;空間太外典型空間遠鏡的相應指標,而最終設計結果之陽(yáng)望遠鏡的熱設計與熱光學(xué)分析,中國科學(xué)院博士后的主鏡控制溫度要求為±0.8℃,比國外望遠鏡的出站報告,中國科學(xué)院空間科學(xué)與應用研究中心,同類(lèi)要求(±0.14℃)寬松得多,客觀(guān)上證明了熱光2000.10學(xué)分析的必要性和工程意義SST熱設計與熱光學(xué)分析,采用了下列軟件:作者簡(jiǎn)介:趙立新,男,1966年3月生。1989年畢業(yè)于清華NEVADA、 SINDA/G、 PATRAN、 NASTRAN、UC、自編的大學(xué)精密儀器系光學(xué)儀器專(zhuān)業(yè)。目前工作于中國科學(xué)院空間光學(xué)評價(jià)軟件以及上述軟件之間的接口軟件?？茖W(xué)與應用研究中心,博士后,主要研究領(lǐng)域包括衛星熱設計和熱分析、構型布局和結構分析。6結語(yǔ)中國已經(jīng)開(kāi)始了高分辨率空間望遠鏡和空間相中國煤化工CNMHG