申春梅 李春林 高長春

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100076）

1 引言

某空間光譜成像儀（以下簡稱成像儀）作為我國第二代從可見光到熱紅外光譜范圍的星載多光譜成像儀，能夠獲得覆蓋可見多光譜、中短波紅外以及長波紅外在內(nèi)的較高空間分別率的多譜段圖像數(shù)據(jù)，將在我國環(huán)境監(jiān)測及資源調(diào)查等應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。成像儀在軌工作時(shí)，其溫度會受到冷黑空間背景、軌道外熱流（太陽直射、地球紅外、地球反照）以及成像儀上發(fā)熱設(shè)備（內(nèi)熱源）的影響[1-4]，進(jìn)而影響到成像儀的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和成像性能，因此，熱控設(shè)計(jì)是成像儀在軌性能的決定性因素之一。而內(nèi)熱源作為遙感器內(nèi)部發(fā)熱設(shè)備，熱設(shè)計(jì)時(shí)必須采取合適熱控措施對其熱耗進(jìn)行疏導(dǎo)和控制，否則，不但設(shè)備本身溫度無法滿足降額要求，出現(xiàn)燒壞等問題，也會對其周圍環(huán)境造成不利影響。

成像儀配置有可見光、中短波紅外、長波紅外等多組焦面視頻處理器以及2臺脈沖管制冷機(jī)，這些設(shè)備是成像儀主要內(nèi)熱源，分散布置于成像儀內(nèi)部狹小空間，總熱功耗362W，且控溫要求差異大，制冷機(jī)控溫要求在10℃以下，視頻處理器要求不超過45℃，光學(xué)鏡頭組件及其安裝結(jié)構(gòu)件則要求室溫水平。成像儀內(nèi)熱源的大熱耗和制冷機(jī)的低溫要求，使成像儀散熱面面積需求很大且功耗資源緊張，給熱設(shè)計(jì)帶來困難，本文基于熱管理理念[5-7]，圍繞控制內(nèi)熱源散熱面面積、利用內(nèi)熱源熱耗對成像儀主體進(jìn)行保溫從而節(jié)省主動控溫功耗這兩個(gè)原則，解決成像儀內(nèi)熱源熱設(shè)計(jì)難題。

2 成像儀內(nèi)熱源

為完成在軌多光譜成像任務(wù)，成像儀上布置有中短波紅外探測器、長波紅外探測器和可見光焦面組件，與各探測器配套的電子設(shè)備有中短波紅外視頻處理器、長波紅外視頻處理器和可見光視頻處理器，成像儀系統(tǒng)簡圖如圖1所示（黃色部分為成像儀主要內(nèi)熱源）。中短波紅外探測器工作溫度要求80K，長波紅外探測器工作溫度要求60K。為此，成像儀主體上布置2臺脈沖管制冷機(jī)，分別用于中短波紅外探測器和長波紅外探測器焦平面的制冷。

在結(jié)構(gòu)布局上，成像儀內(nèi)熱源與光學(xué)鏡頭組件同處在成像儀外罩內(nèi)，與光學(xué)鏡頭組件共用安裝底板和支撐結(jié)構(gòu)；在溫度要求上，兩臺制冷機(jī)熱端和壓縮機(jī)分別是-40℃～0℃和-40℃～10℃，視頻處理器盒體-10℃～45℃，光學(xué)鏡頭組件及其支撐結(jié)構(gòu)件則要求在20℃±2℃的水平；在工作熱耗上，兩臺制冷機(jī)工作峰值熱耗共計(jì)295W，3臺視頻處理器熱耗分別為17W、25W和25W。

圖1 成像儀系統(tǒng)簡圖Fig.1 Diagram of imager system

3 內(nèi)熱源熱設(shè)計(jì)思路

3.1 內(nèi)熱源熱控任務(wù)特點(diǎn)及難點(diǎn)

成像儀外罩、底板、光學(xué)鏡頭支架等主體結(jié)構(gòu)溫度要求20℃附近，成像儀內(nèi)熱源處在由外罩和底板圍成的空間內(nèi)，且與光學(xué)鏡頭組件共用固定支架和安裝底板，制冷機(jī)熱端溫度要求-40℃～0℃，制冷機(jī)壓縮機(jī)溫度要求-40℃～10℃，上限均低于20℃的安裝環(huán)境溫度，因此，必須對制冷機(jī)配備空間輻射散熱面進(jìn)行散熱。3臺視頻處理器盒體溫度要求-10℃～45℃，上限雖然高于20℃，但初步計(jì)算結(jié)果表明（詳見表1），在20℃環(huán)境溫度下，僅有輻射換熱、無其它散熱措施的條件下，視頻處理器盒體在軌高溫溫度已接近45℃，不僅視頻處理器本身高溫溫度與高溫限之間的余量不大 ，其高溫水平也會對其周圍光學(xué)鏡頭組件的溫度造成不良影響。因此，從傳統(tǒng)熱設(shè)計(jì)思路看[8-11]，視頻處理器也需要配備空間輻射散熱面進(jìn)行散熱。

表1 室溫環(huán)境下的視頻處理器盒體溫度Tab.1 Temperature of video processors at room temperature environment

成像儀衛(wèi)星平臺運(yùn)行軌道為太陽同步軌道，+X為飛行方向，+Z為對地方向，飛行過程中無姿態(tài)機(jī)動和偏轉(zhuǎn)，軌道升交點(diǎn)地方時(shí)為13∶30。在此軌道上運(yùn)行，衛(wèi)星+Y面為背陰面，始終不受太陽照射，是布置散熱面的最佳方位，但限于衛(wèi)星平臺+Y面艙板散熱面資源緊張，成像儀僅能在自身+Y側(cè)有限空間內(nèi)布置散熱面，如圖2所示。成像儀所配置的2臺脈沖管制冷機(jī)峰值熱耗達(dá)295W，且熱端峰值溫度要求低于0℃，壓縮機(jī)峰值溫度要求低于10℃。若散熱面放置在成像儀+Y側(cè)，初步估算散熱面需約1.3m2，已把成像儀+Y側(cè)散熱面布置空間占滿。若按照傳統(tǒng)熱設(shè)計(jì)思路，對視頻處理器也配備散熱面，其散熱面則只能布置在成像儀+Z側(cè)，+Z面為對地面，地球紅外和地球反照外熱流較大，散熱效率不高，初步估算散熱面需約0.4m2，由此可見，若對制冷機(jī)和視頻處理器都配備空間輻射散熱面，成像儀內(nèi)熱源散熱面需求很大，此外，成像儀內(nèi)熱源峰值熱耗362W，較大的內(nèi)熱源熱耗也使成像儀功耗資源緊張。因此，散熱面需求大，散熱面資源和功耗資源緊張是成像儀內(nèi)熱源熱控任務(wù)的特點(diǎn)和難點(diǎn)。

圖2 成像儀星上安裝位置示意圖Fig.2 Deploymentof spectral imageron satellite platform

3.2 基于熱管理理念的熱設(shè)計(jì)思路

航天器熱管理理念的重要特點(diǎn)是從系統(tǒng)角度出發(fā)[5-7]，對航天器有關(guān)熱環(huán)境和子系統(tǒng)的熱行為進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配與綜合利用，使能量消耗和排散廢熱達(dá)到最小程度。為有效解決成像儀散熱面和功耗資源都緊張的特點(diǎn)和難點(diǎn)，可基于熱管理理念，以控制散熱面大小和節(jié)省主動控溫功耗為原則，對成像儀內(nèi)熱源進(jìn)行熱設(shè)計(jì)。基于熱管理理念，制冷機(jī)與主體結(jié)構(gòu)必須最大程度熱隔離，否則，主體結(jié)構(gòu)（溫度水平20℃）必通過制冷機(jī)（制冷機(jī)必須散熱，并且溫度水平低于10℃）向外空間漏熱，從而增大維持20℃溫度水平所需的主動控溫功耗。同時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)向制冷機(jī)的漏熱，則會增加制冷機(jī)散熱面負(fù)擔(dān)，增大散熱面需求。基于熱管理理念，對視頻處理器應(yīng)以充分利用其工作熱耗為首要原則，而不是按照傳統(tǒng)熱設(shè)計(jì)思路對其散熱。在與20℃環(huán)境溫度僅有輻射換熱時(shí)，視頻處理器盒體溫度并沒超過其溫度上限，且由工作和不工作時(shí)的熱耗變化引起的溫度波動也不大（詳見表1），若能在視頻處理器與成像儀主體之間建立合適導(dǎo)熱通路，增大吸收視頻處理器熱耗的熱容，可在拉低視頻處理器溫度水平的同時(shí)，利用視頻處理器熱耗對成像儀主體保溫，在一定程度上節(jié)省維持成像儀主體20℃溫度水平所需的功耗。

4 基于熱管理理念的成像儀內(nèi)熱源熱設(shè)計(jì)

4.1 脈沖管制冷機(jī)

基于熱管理理念，需將制冷機(jī)與主體結(jié)構(gòu)最大程度的熱隔離，因此需對制冷機(jī)采取如下熱控原則：首先，在制冷機(jī)安裝面與安裝支架之間墊隔熱墊片，盡量隔斷制冷機(jī)和室溫之間的導(dǎo)熱換熱通路；其次，在制冷機(jī)其它各表面以及散熱熱管外表面均包覆多層隔熱組件，盡量隔斷制冷機(jī)和主體結(jié)構(gòu)之間的輻射換熱通路。此外，在對制冷機(jī)進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)時(shí)，還需盡量控制其散熱面大小。

根據(jù)散熱面能量守恒，若散熱面單位面積吸收的外熱流密度以及內(nèi)熱源熱耗一定，散熱面溫度越高，排散相同熱量所需的散熱面面積越??；若內(nèi)熱源溫度一定，則內(nèi)熱源與散熱面之間的總熱阻越小散熱面溫度越高。因此，為控制制冷機(jī)散熱面面積，應(yīng)盡量提高制冷機(jī)散熱面溫度，同時(shí)降低制冷機(jī)與散熱面之間的熱阻。制冷機(jī)壓縮機(jī)溫度上限10℃，熱端溫度上限0℃。從兩者溫度上限看，制冷機(jī)壓縮機(jī)和熱端應(yīng)分開散熱，因?yàn)榉珠_散熱后，壓縮機(jī)散熱面溫度可以高于熱端散熱面溫度，從而節(jié)省散熱面面積。

兩臺脈沖管制冷機(jī)熱端溫度上限均為0℃，從二者溫度上限看，二者似乎可共用一塊散熱面，但初步熱分析計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)60K和80K制冷機(jī)熱端分開散熱，散熱面大小分別為0.87m2、0.38m2時(shí)，高溫工況下，60K制冷機(jī)熱端溫度在軌波動范圍-18.94℃～-2.527℃，80K制冷機(jī)熱端溫度在軌波動范圍-13.09℃～-6.265℃；而當(dāng)兩制冷機(jī)共用散熱面，散熱面大小為1.25m2（0.87m2+0.38m2）時(shí)，僅80K制冷機(jī)熱端溫度在0℃以下波動，而60K熱端溫度則高于0℃。這是因?yàn)椋瑑?nèi)熱源與散熱面之間的溫差與內(nèi)熱源熱耗成正比，60K制冷機(jī)熱端熱耗遠(yuǎn)大于80K制冷機(jī)熱耗（60K制冷機(jī)熱端峰值熱耗104W，80K制冷機(jī)熱端峰值熱耗52W），當(dāng)共用一塊散熱面時(shí)，散熱面溫度相同，60K制冷機(jī)熱端溫度必高于80K制冷機(jī)熱端溫度，即在共用散熱面的情況下，若80K制冷機(jī)熱端為0℃，則60K制冷機(jī)熱端必高于0℃。為使60K制冷機(jī)熱端溫度達(dá)到0℃，則需進(jìn)一步增大散熱面面積，而此時(shí)80K制冷機(jī)熱端溫度水平則已在0℃以下。當(dāng)兩者分開散熱時(shí)，60K散熱面只需保證峰值熱耗時(shí)60K熱端溫度為0℃，80K熱端散熱只需保證峰值熱耗時(shí)80K熱端溫度為0℃即可。因此，為盡量控制制冷機(jī)散熱面大小，兩臺制冷機(jī)的熱端需各自配備一塊散熱面分開散熱。同理，兩臺壓縮機(jī)熱耗也有差別，也應(yīng)分開散熱。

此外，為盡量降低熱端以及壓縮機(jī)與散熱面之間傳熱路徑的總熱阻，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)允許的情況下，從熱端和壓縮機(jī)直接拉熱管到散熱面，中間無任何熱量中轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，以避免引入額外導(dǎo)熱熱阻和接觸熱阻，且盡量增加熱管與熱端、壓縮機(jī)以及散熱面的接觸長度，并在接觸面處涂導(dǎo)熱硅橡膠。

4.2 視頻處理器

從熱管理的角度出發(fā)，將成像儀外罩、視頻處理器、視頻處理器安裝支架以及成像儀底板連成如圖3所示的熱網(wǎng)絡(luò)。在此熱網(wǎng)絡(luò)中，3臺視頻處理器均用熱管與成像儀外罩熱導(dǎo)通，同時(shí)，成像儀外罩上布置均溫?zé)峁?；中短波紅外視頻處理器與成像儀底板導(dǎo)熱安裝，長波紅外視頻處理器和可見光視頻處理器與其安裝支架導(dǎo)熱安裝，安裝支架再與成像儀底板導(dǎo)熱安裝，成像儀底板內(nèi)部預(yù)埋熱管做均溫化處理，同時(shí)，長波紅外視頻處理器和可見光視頻處理器盒體外貼熱管與底板預(yù)埋熱管導(dǎo)熱搭接。

采用上述熱網(wǎng)絡(luò)對視頻處理器進(jìn)行熱控有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）可以用較大的熱容吸收視頻處理器工作熱耗，從而拉低視頻處理器工作溫度，同時(shí)，降低因視頻處理器工作和非工作時(shí)的熱耗變動造成的溫度波動；

2）視頻處理器工作熱耗可以通過熱控網(wǎng)絡(luò)傳導(dǎo)至成像儀外罩和底板上，起到對外罩和底板的加熱作用，從而降低將成像儀外罩和底板維持在20℃溫度水平所需要的主動控溫功耗，節(jié)省資源；

3）與采用配備空間輻射散熱面相比，采用此熱網(wǎng)絡(luò)法，不需在成像儀+Z側(cè)布置視頻處理器散熱面，降低了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度，減輕了成像儀質(zhì)量。

圖3 視頻處理器熱控網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Thermalcontrolling network of video processors

表2給出了采用熱控網(wǎng)絡(luò)方案時(shí)視頻處理器溫度計(jì)算結(jié)果，表1給出的是在20℃環(huán)境溫度下，僅有輻射換熱、無其它散熱措施時(shí)視頻處理器溫度計(jì)算結(jié)果，由表1和表2結(jié)果對比可發(fā)現(xiàn)，對視頻處理器，采用熱控網(wǎng)絡(luò)方案后，視頻處理器盒體溫度水平明顯降低，工作和不工作時(shí)的熱耗差造成的溫度波動也有所降低。同時(shí)，采用熱控網(wǎng)絡(luò)法之后，布置于成像儀外罩上處于視頻處理器附近的主動控溫加熱回路在整個(gè)軌道周期內(nèi)都不加熱，這說明視頻處理器通過熱網(wǎng)絡(luò)傳遞到成像儀外罩的熱量足以使其附近外罩溫度水平處在室溫水平，此區(qū)域不需要再給成像儀外罩主動控溫補(bǔ)償功率，因此起到了節(jié)省功耗的作用。

表2 采用熱網(wǎng)絡(luò)熱控方案時(shí)視頻處理器溫度Tab.2 Video p rocessors' temperature w ith thermal controlling network

5 結(jié)束語

針對某空間光譜成像儀散熱面布置空間和主動控溫功耗資源均緊張的特點(diǎn)，基于熱管理理念對成像儀內(nèi)熱源熱進(jìn)行了熱設(shè)計(jì)，節(jié)省了散熱面面積和主動控溫功耗，降低了成像儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度，同時(shí)成功減輕了成像儀的質(zhì)量。本文所述內(nèi)熱源熱設(shè)計(jì)思路，對其它光學(xué)遙感器尤其是大型光學(xué)遙感器熱設(shè)計(jì)具有一定參考和借鑒意義。

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