空間相機的熱分析和熱設計

第35卷第1期光子學(xué)報Vol 35 No. 12006年1月ACTA PHOTONICA SINICAanua空間相機的熱分析和熱設計陳榮利3耿利寅2馬臻1。李英才1(1中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所,西安710068)2航天科技集團第五研究院,北京1000803中國科學(xué)院研究生院,北京100039)摘要空間飛行器在軌道運行過(guò)程中,除空間熱沉影響外,還會(huì )受到太陽(yáng)輻射、地球紅外輻射和地球陽(yáng)光反照等熱因素作用,同時(shí)相機內部熱源也會(huì )影響相機的溫度.溫度的變化對高分辨率航天相機光學(xué)系統成像質(zhì)量影響很大.熱控系統的目的是保證相機的各部分保持在各自的溫度范圍內本文對相機整體進(jìn)行了詳細熱分析計算,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各部分的溫度水平,為相機熱控實(shí)施提供依據關(guān)鍵詞高分辨率空間相機;軌道外熱流;熱分析;熱設計中圖分類(lèi)號O414.19;O432文獻標識碼A0引言cosi=-0.09890445Re|-a(1)高分辨率空間相機具有通光孔徑大、成像焦距式中Re為地球半徑,h為軌道高度長(cháng)、規劃頻率高、瞬時(shí)視場(chǎng)小等特點(diǎn),決定了其光學(xué)太陽(yáng)同步軌道意味著(zhù)太陽(yáng)與軌道平面有相對固系統和支撐結構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)的天球座標中,接裝在衛星艙體外部.在軌道運行過(guò)程中,受到太太陽(yáng)隨時(shí)間(以天計算)相對于軌道面的入射角為0陽(yáng)輻射、地球紅外輻射和地球陽(yáng)光反照及空間冷黑cos isin arctanSin zTt熱沉的交替加熱和冷卻,相機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).當工作姿態(tài)變化時(shí),向著(zhù)t∈[0,365],t0∈[0,24](2)太陽(yáng)的部分與處于太陽(yáng)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.溫度的變化對高分辨率航天相機的光學(xué)系統時(shí);△a為赤經(jīng)差.可以得出太陽(yáng)與軌道平面的入射成像質(zhì)量影響很大,同時(shí),相機內部的熱源所產(chǎn)生的角在一年中有季節性的變化,在一天中變化較小熱擾動(dòng)也會(huì )影響到相機的性能.各種形式的溫度分相機各面太陽(yáng)輻射熱流變化很大.把三軸穩定的航布對航天相機的光學(xué)系統產(chǎn)生不同的影響2.對天相機分為6個(gè)面,即朝陽(yáng)面、背陽(yáng)面、對天面、對地于均勻溫度場(chǎng)變化,可通過(guò)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(wú)熱化設計,盡量減少它對像面位置和特性·朝陽(yáng)面在軌運行一天中(地球陰影區除外)將像質(zhì)的影響;溫度梯度對光學(xué)系統的影響既復雜又受到基本恒定的太陽(yáng)外熱流;與之對應的背陽(yáng)面始難以控制,必須針對具體的溫度環(huán)境進(jìn)行相關(guān)分析,終受不到太陽(yáng)光照,對天面、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(yáng)外熱流也隨之變化;對地面僅在日落和日出時(shí)才能接受到太陽(yáng)輻照;朝后面為與軌道外熱流的計算星體的安裝面,與星體有一定的熱耦合的高分辨率相機幾乎都運行在太陽(yáng)同步軌道上.所多(m衛星與太陽(yáng)及地球的相對位置不斷變化,衛星在相機本坐標系中,相機各面元外法線(xiàn)方向表面所接收的外熱流也在不斷變化.用于對地觀(guān)測余弦為,cosB,cosy,),太陽(yáng)輻射角系數謂太陽(yáng)同步軌道就是軌道的升交點(diǎn)赤經(jīng)Ω的變化中國煤化工率等于地球公轉的平均角速度(0.9856°/天)的軌道1,2,3,(3)CNMHG太陽(yáng)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(yáng)對軌道面的入射角.太陽(yáng)輻射周期平均角系數國家863—708高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目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.空間相機的熱分析和熱設計155空間相機外表面任一微元dA上所受的太陽(yáng)輻射外表1六個(gè)方向上的平均到達外熱流(W/m2)熱流為表面夏至冬至S·F·dA(5)方向太陽(yáng)及地球返照地球紅外太陽(yáng)及地球返照地球紅外62,065729.521666.2350F為太陽(yáng)輻射角系數;S為太陽(yáng)常量;a為太陽(yáng)吸收Y281.84860.5354391.60664.6019率,與表面性質(zhì)有關(guān)00962.970503467.2006低溫工況取夏至時(shí)的外熱流,太陽(yáng)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冬至時(shí)外熱流,太陽(yáng)常量為S=1398W/m2,載荷艙考依據面板溫度取10℃;高溫末期工況取冬至時(shí)外熱流并考慮涂層退化的影響,載荷艙面板溫度取45C2熱設計計算中采用的熱分析軟件為 SINDA/G和高分辨率相機具有外形尺寸大、遮光罩窗口面Nevada.按照節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )法進(jìn)行建模.根據節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )積大、內功率變化大以及空間熱環(huán)境復雜等特點(diǎn),熱法,節點(diǎn)的能量平衡方程為控設計的基本思想是在滿(mǎn)足相機總體要求的前提下(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.在相機設計中盡量降低對熱控的要求.根據工程分析的結果可知,外遮光罩的結構尺寸形式幾式中,G為節點(diǎn)質(zhì)量,單位kg;c為比熱,單位kJ何參量的改變對熱載荷并不敏感,但對其動(dòng)載荷尺(w:T為絕對溫度,單位K;為時(shí)間,單位s;寸的應力及變形影響較大.反射鏡的熱變形系數R,R分別為熱網(wǎng)絡(luò )的傳導和輻射系數;Q為總的越小,鏡面的熱穩定性越高,對熱控系統要求就越低內、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很好首先計算了相機在軌道上運行時(shí)外表面各個(gè)方地配合起來(lái),可達到減小熱差的效果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的平均外熱流圖1為這六個(gè)方向冬至時(shí)一個(gè)周期要原則如下.被動(dòng)熱控和主動(dòng)熱控相結合.其中主要采內到達外熱流的瞬時(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、導熱填料以及各面按S781涂層計算),夏至的數值略有減小,但變薄膜電加熱器等措施化趨勢與此相似,可作為設計焦面機構散熱面的參b.光、機、電、熱設計的有機統一.其中包括光機設計時(shí)合理的光學(xué)材料、結構材料的選擇、結構裝配技術(shù)以保證相機結構的溫度穩定性;C.采用恒定內功率的補償方法來(lái)保證關(guān)鍵組件的溫度穩定性;按照優(yōu)化設計的原則和方法,實(shí)現加熱功率的優(yōu)化配置;d.對有特殊溫度要求的關(guān)鍵部件,采取新的熱控方式0020406081012141618Time/h熱設計計算參量見(jiàn)表2.圖2為熱分析中主鏡750節點(diǎn)的單元劃分情況表2主要計算參量材料名稱(chēng)太陽(yáng)吸發(fā)射密度p比熱C熱導率λ收比a,率EHkg/m3J/kg:KW/m:K碳纖維復合材料90.815006中國煤化工2710946221鈦合4020020406081012141618CNMHG4506785.4殷鋼Time/h0,180.86圖1冬至時(shí)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)報出,自適應光學(xué)系統未達到實(shí)用階段.因此空間相機的熱分析與熱控制是一個(gè)非常有挑戰性的課題而且隨著(zhù)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)熱控設備和新型的光學(xué)和結構材料.把光學(xué)系統對溫度敏感的不利條件變?yōu)橛?6210利條件,發(fā)展一門(mén)新的學(xué)科一熱光學(xué)自適應技術(shù)參考文獻1王紅,韓昌元.溫度對航天相機光學(xué)系統影響的研究.光圖2熱分析中主鏡節點(diǎn)單元劃分學(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設計結果2丁福建,李英才,卡塞格林反射系統結構動(dòng)態(tài)優(yōu)化設計采用上述主動(dòng)控溫措施后,以低溫工況為輸入光子學(xué)報,1999,28(8):756~762條件,經(jīng)穩態(tài)計算所得的相機各節點(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.對地觀(guān)測衛星太陽(yáng)同步軋道的快速設表3低溫工況下有加熱功率分配的主要部件計算溫度值計方法.上海航天,2002,19(2)5~7部件名稱(chēng)計算溫度(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(yáng)同步圓形軌道空間相機太陽(yáng)輻射18.38-18.58反射鏡3301718.16外熱流的計算.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從上述結果可知:在設計的加熱功率下,相機各5王永謙.太陽(yáng)同步軌道的太陽(yáng)相對于軌道面入射角的計部分的溫度均能滿(mǎn)足設計要求.相機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,主鏡的徑6丁福建,李英才,外遮光罩工程分析及其結構動(dòng)力優(yōu)化向溫度梯度也滿(mǎn)足設計要求光子學(xué)報,1999,28(1):75~79Ding FJ, Li Y C. Acta Photonica Sinica, 1999, 28(1):75結論由于我國現階段空間相機研發(fā)的整體水平較7孫強,劉宏波,等紅外折射/衍射超常溫光學(xué)系統,光子低,相機對溫度場(chǎng)的苛刻要求只能由熱控措施保證.學(xué)報,2003,32(4):466~469另外,我國目前熱光學(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控指標方面還沒(méi)有能夠以光學(xué)系統波像差的形式提中國煤化工CNMHG1期陳榮利等.空間相機的熱分析和熱設計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中國煤化工CNMHG