第35卷第1期光子學報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中國科學院西安光學精密機械研究所,西安710068)2航天科技集團第五研究院,北京1000803中國科學院研究生院,北京100039)摘要空間飛行器在軌道運行過程中,除空間熱沉影響外,還會受到太陽輻射、地球紅外輻射和地球陽光反照等熱因素作用,同時相機內(nèi)部熱源也會影響相機的溫度.溫度的變化對高分辨率航天相機光學系統(tǒng)成像質(zhì)量影響很大.熱控系統(tǒng)的目的是保證相機的各部分保持在各自的溫度范圍內(nèi)本文對相機整體進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,為相機熱控實施提供依據(jù)關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、規(guī)劃頻率高、瞬時視場小等特點,決定了其光學太陽同步軌道意味著太陽與軌道平面有相對固系統(tǒng)和支撐結(jié)構(gòu)幾何尺寸及外形尺寸較大,一般直定的幾何關系以地球球心為原點的天球座標中,接裝在衛(wèi)星艙體外部.在軌道運行過程中,受到太太陽隨時間(以天計算)相對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,相機表面各部分接受輻射熱量的不均勻性和隨時間的變化,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.當工作姿態(tài)變化時,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產(chǎn)生巨大的式中,為軌道傾角;e為黃赤交角;t為降交點地方溫差.溫度的變化對高分辨率航天相機的光學系統(tǒng)時;△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,相機內(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也會影響到相機的性能.各種形式的溫度分相機各面太陽輻射熱流變化很大.把三軸穩(wěn)定的航布對航天相機的光學系統(tǒng)產(chǎn)生不同的影響2.對天相機分為6個面,即朝陽面、背陽面、對天面、對地于均勻溫度場變化,可通過鏡筒材料和光學材料的面、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計,盡量減少它對像面位置和特性·朝陽面在軌運行一天中(地球陰影區(qū)除外)將像質(zhì)的影響;溫度梯度對光學系統(tǒng)的影響既復雜又受到基本恒定的太陽外熱流;與之對應的背陽面始難以控制,必須針對具體的溫度環(huán)境進行相關分析,終受不到太陽光照,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外熱流也隨之變化;對地面僅在日落和日出時才能接受到太陽輻照;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同步軌道上.所多(m衛(wèi)星與太陽及地球的相對位置不斷變化,衛(wèi)星在相機本坐標系中,相機各面元外法線方向表面所接收的外熱流也在不斷變化.用于對地觀測余弦為,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赤經(jīng)Ω的變化中國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系由下式確定式中以地心角距;為太陽對軌道面的入射角.太陽輻射周期平均角系數(shù)國家863—708高技術研究發(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上所受的太陽輻射外表1六個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00962.970503467.2006低溫工況取夏至時的外熱流,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冬至時外熱流,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時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(jié)點網(wǎng)絡法進行建模.根據(jù)節(jié)點網(wǎng)絡積大、內(nèi)功率變化大以及空間熱環(huán)境復雜等特點,熱法,節(jié)點的能量平衡方程為控設計的基本思想是在滿足相機總體要求的前提下(Gc)d-R(T-T:)+力求簡單、可靠,盡可能采用成熟的熱控技術和實施∑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(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,但對其動載荷尺(w:T為絕對溫度,單位K;為時間,單位s;寸的應力及變形影響較大.反射鏡的熱變形系數(shù)R,R分別為熱網(wǎng)絡的傳導和輻射系數(shù);Q為總的越小,鏡面的熱穩(wěn)定性越高,對熱控系統(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)很好首先計算了相機在軌道上運行時外表面各個方地配合起來,可達到減小熱差的效果7,熱控的主向的外熱流.表1給出了六個方向單位面積上到達的平均外熱流圖1為這六個方向冬至時一個周期要原則如下.被動熱控和主動熱控相結(jié)合.其中主要采內(nèi)到達外熱流的瞬時變化情況(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(shù)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(gòu)散熱面的參b.光、機、電、熱設計的有機統(tǒng)一.其中包括光機設計時合理的光學材料、結(jié)構(gòu)材料的選擇、結(jié)構(gòu)裝配技術以保證相機結(jié)構(gòu)的溫度穩(wěn)定性;C.采用恒定內(nèi)功率的補償方法來保證關鍵組件的溫度穩(wěn)定性;按照優(yōu)化設計的原則和方法,實現(xiàn)加熱功率的優(yōu)化配置;d.對有特殊溫度要求的關鍵部件,采取新的熱控方式0020406081012141618Time/h熱設計計算參量見表2.圖2為熱分析中主鏡750節(jié)點的單元劃分情況表2主要計算參量材料名稱太陽吸發(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光子學報出,自適應光學系統(tǒng)未達到實用階段.因此空間相機的熱分析與熱控制是一個非常有挑戰(zhàn)性的課題而且隨著分辨率的進一步提高而越發(fā)困難.因此,有必要研究新型的主動熱控設備和新型的光學和結(jié)構(gòu)材料.把光學系統(tǒng)對溫度敏感的不利條件變?yōu)橛?6210利條件,發(fā)展一門新的學科一熱光學自適應技術參考文獻1王紅,韓昌元.溫度對航天相機光學系統(tǒng)影響的研究.光圖2熱分析中主鏡節(jié)點單元劃分學技術,2003,29(4):452~457Fig 2 Nodes of main mirror in thermo analysisWang h, HY. Optical Technique, 2003, 29(4)3設計結(jié)果2丁福建,李英才,卡塞格林反射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化設計采用上述主動控溫措施后,以低溫工況為輸入光子學報,1999,28(8):756~762條件,經(jīng)穩(wěn)態(tài)計算所得的相機各節(jié)點溫度.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.對地觀測衛(wèi)星太陽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.太陽同步圓形軌道空間相機太陽輻射18.38-18.58反射鏡3301718.16外熱流的計算.光學精密工程,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:在設計的加熱功率下,相機各5王永謙.太陽同步軌道的太陽相對于軌道面入射角的計部分的溫度均能滿足設計要求.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)動力優(yōu)化向溫度梯度也滿足設計要求光子學報,1999,28(1):75~79Ding FJ, Li Y C. Acta Photonica Sinica, 1999, 28(1):75結(jié)論由于我國現(xiàn)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/衍射超常溫光學系統(tǒng),光子低,相機對溫度場的苛刻要求只能由熱控措施保證.學報,2003,32(4):466~469另外,我國目前熱光學分析技術尚不成熟,因此在熱Sun Q, Liu H B, et aL. Acta Photonica SInica, 2003, 32(4):466~469控指標方面還沒有能夠以光學系統(tǒng)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