周宇鵬 趙欣 孫騰飛 陳春亮

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

1 引言

對于絕大多數(shù)繞地球軌道運行的衛(wèi)星，其觀測目標均在地球表面，因此該類衛(wèi)星的觀測載荷大多布局在對地面，采用三軸穩(wěn)定對地姿態(tài)，實現(xiàn)對地球目標的觀測；而對于天文探測衛(wèi)星，其觀測目標通常是分布在整個宇宙中的黑洞、中子星、暗物質等特殊物體，衛(wèi)星探測載荷依據(jù)任務需求可能朝向整個宇宙空間的任一方位，其工作模式及姿態(tài)與以往發(fā)射的衛(wèi)星截然不同［1-2］。一般來說，天文衛(wèi)星主要觀測模式包括：巡天觀測模式、定點觀測模式和特殊天區(qū)掃描觀測模式。其中，為了確保對某一目標天體進行精確定位和長期觀測（如Lockman Hole區(qū)域以及斯隆數(shù)字巡天（Sloan Digital Sky Survey，SDSS）的部分X 射線源密集區(qū)域［1，3］），衛(wèi)星往往采用定點觀測的工作模式，即在衛(wèi)星飛行過程中，衛(wèi)星采用慣性空間三軸穩(wěn)定定向，使其探測載荷光軸始終對準慣性空間某一天體目標，并根據(jù)用戶觀測需求通過姿態(tài)機動對準不同觀測目標，這直接導致了定點觀測模式下衛(wèi)星外熱流與之前大多數(shù)對地觀測衛(wèi)星的差異。外熱流變化規(guī)律是衛(wèi)星熱控設計非常重要的設計參考和依據(jù)［4-5］，其決定了散熱面設計與極端工況的選擇，因此對具有定點觀測模式的天文衛(wèi)星熱控設計提出了新的要求。

目前，國內外報道的有關天文探測衛(wèi)星定點觀測模式下外熱流變化規(guī)律的研究還較少，僅有的國外相關文獻也是以衛(wèi)星的熱設計狀態(tài)為主［1-2］。本文以傳統(tǒng)六面體衛(wèi)星為例，首先介紹了定點觀測模式下的衛(wèi)星特定姿態(tài)和相關科學觀測約束，基于對觀測約束的分析，并結合考慮衛(wèi)星有、無遮陽擋板的狀態(tài)，展開了較為全面的外熱流變化規(guī)律分析，可為天文探測衛(wèi)星的熱控設計提供參考和依據(jù)。

2 天文探測衛(wèi)星定點觀測模式及約束

2．1 定點觀測模式描述

天文探測衛(wèi)星采用的是六面體結構（如圖1所示），為了空間探測任務的需要，所有的探測載荷均安裝在-Z面上（即傳統(tǒng)對地觀測衛(wèi)星的對天面上），衛(wèi)星采用的是單自由度太陽翼，分別安裝在衛(wèi)星的-Y、＋Y側。衛(wèi)星在飛行過程中，因科學任務的需求會采用多種觀測模式（如巡天觀測模式、定點觀測模式等），其中定點觀測模式是為了實現(xiàn)對天體目標（如黑洞、中子星、活動星系等）的精確瞄準并進行長時間觀測，以分析其快速光變和能譜性質。由于天體目標在慣性空間中的位置在較長時間里是不變的，因此可以通過姿態(tài)控制實現(xiàn)衛(wèi)星慣性空間-X對日定向姿態(tài)轉為探測器（-Z面）指向目標慣性空間中某一指定的觀測目標。

考慮到地磁異常的南大西洋區(qū)（SAA）、高能質子、磁力線分布、范·艾倫輻射帶等宇宙特殊的物質及現(xiàn)象，此類天文探測衛(wèi)星多采用的是高度較低的傾斜軌道［1，6］。這樣，β角（太陽矢量與軌道平面的最小夾角）在軌變化范圍較大，且受地球紅外和反照影響較大，因此對于該類衛(wèi)星的外熱流分析將帶來較大的難度。

圖1 天文探測衛(wèi)星定點觀測約束示意圖Fig．1 Configuration and pointing observation restrictions of an astronomical satellite

2．2 約束條件及分析

天文探測器探測的是宇宙目標天體的光譜特性，因此為了防止干擾，其觀測視場與入射太陽光之間需要滿足一定的位置關系，也就是要求對于定點觀測時具有相應的姿態(tài)約束條件：即目標方向與太陽方向的夾角θ（如圖1所示）須滿足定點觀測的約束條件：

圖2分別給出了冬至、春分不同θ角所對應的觀測區(qū)域。

除了對觀測條件的約束，從整星能源及熱控設計角度考慮，也可以對定點觀測模式下的衛(wèi)星姿態(tài)提出額外的約束條件：

（1）保證太陽光方向始終與太陽翼正面法向平行，這樣能保證充足的能源條件；

（2）保證太陽矢量與星體±Y面平行，且與衛(wèi)星＋X方向夾角始終不小于90°，保證在整個定點模式下，衛(wèi)星＋X、±Y面不受太陽照射，給衛(wèi)星平臺提供穩(wěn)定良好的散熱面；

（3）如果天文探測器有較低的溫度要求時，則需要對-Z面設置遮陽擋板，避免陽光直接照射到探測器表面，遮陽擋板設計則須考慮探測器的尺寸、布局及θ角。

基于以上約束條件，使得六面體衛(wèi)星各個表面與地球之間的角系數(shù)始終在變化，因此紅外熱流及反照熱流也隨著衛(wèi)星定點觀測時的不同位置而變化。后文將以43°的傾斜軌道，且以θ角在70°～180°的某型號衛(wèi)星為例，分析定點觀測模式下衛(wèi)星的外熱流變化規(guī)律，以及考慮有、無遮陽擋板對外熱流的影響。

圖2 定點觀測觀測范圍示意圖（其中陰影區(qū)域為觀測區(qū)域）Fig．2 Observation area of pointing observation mode（showed as the shadow area）

3 定點觀測模式外熱流分析

3．1 無遮陽擋板下外熱流分析

在分析定點模式下的外熱流前，先確定43°傾斜軌道的β角變化范圍。β角與升黃赤經(jīng)夾角之間是相互關聯(lián)的，其關系如下［7］：

式中：iRI為衛(wèi)星軌道傾角；Ωθ為升黃赤經(jīng)夾角；Ω為升交點赤經(jīng)，｜δS｜≤23．5°。

根據(jù)式（2），可以得到

式中：sinΩS≤1。

由式（4）可以推導出β角的變化范圍為：-66．5°≤β≤＋66．5°，在后續(xù)的外熱流分析中，將選取β角的極小值（β＝0°）和極大值（β＝-66．5°）來考慮。

為分析定點觀測不同約束角θ下的外熱流，選取了某個特定天球區(qū)域的觀測點（δobj＝23．5°，取夏至時刻太陽赤緯）和相對應的特定時間（冬至，δS＝-23．5°，ΩS＝270°，太陽常數(shù)1411 W／m2），同時考慮2．2節(jié)的約束條件（1）、（2）。

依據(jù)式（1），冬至時刻，約束角為θ時的定點觀測目標經(jīng)度Ωobj范圍見表1。

表1 定點觀測目標經(jīng)度（Ωobj）范圍與約束角（θ）的關系（冬至）Table 1 Relationship between longitude range of pointing observation object（Ωobj）and restriction angle（θ）（winter solstice） （°）

為進一步分析定點觀測模式下的外熱流特點，選取θ＝70°的約束條件（即最小約束條件），討論選取不同觀測點下的外熱流，并考慮不同β角的影響，具體結果見表2和圖3。

表2 定點觀測模式下不同觀測點下的軌道周期平均外熱流密度（θ＝70°）Table 2 Periodic average external heat flux of different pointing observation objects（θ＝70°）

圖3 定點觀測模式下不同觀測點下的周期平均外熱流曲線圖（θ＝70°）Fig．3 Graph of periodic average external heat flux of different pointing observation objects（θ＝70°）

對以上結果分析可知：

1）太陽直照＋地球反照

（1）在約束條件的Ωobj內（Ωobj≤216．6°），與其他面相比，衛(wèi)星＋Z面、-X面受到的太陽直照和地球反照外熱流較大，不適合作為衛(wèi)星的散熱面；其中當Ωobj＝90°時（此時太陽、衛(wèi)星、地球和觀測目標處于同一直線），＋Z面受到的太陽直照和地球反照外熱流達到峰值，-X面受到的太陽直照和地球反照外熱流為最小值。

（2）從圖3（a）、（b）外熱流分析可以看到，依據(jù)2．2節(jié)的約束條件（2），衛(wèi)星＋X、＋Y、-Y面的太陽直照和地球反照外熱流很小而且穩(wěn)定，也可選作為衛(wèi)星的穩(wěn)定良好散熱面，也驗證了2．2節(jié)的約束條件（2）在定點觀測模式下對于熱控設計的重要性。

（3）對比圖3（a）、（b）外熱流可知，相對于β＝-66．5°時，β＝0°時主散熱面＋X、＋Y、-Y面的太陽直照和地球反照外熱流更大，＋Z、-X面的太陽直照和地球反照外熱流的更小，說明β＝0°時衛(wèi)星的太陽直照和地球反照外熱流環(huán)境更惡劣。

（4）-Z面（即有效載荷面）的太陽直照和地球反照外熱流在Ωobj＞180°時也開始明顯增大，這對于有較低溫度要求的天文探測器是一個不利的定點觀測區(qū)域，該分析結果可以為衛(wèi)星的在軌觀測計劃提供參考。

2）地球紅外

由圖3（c）、（d）可知，相對于太陽直照和地球反照外熱流，地球紅外熱流在約束條件的Ωobj內（Ωobj≤216．6°）變化波動較小（30 W／m2以內），特別是對于衛(wèi)星的主散熱面（＋X面、＋Y面、-Y面），定點觀測區(qū)域的變化對衛(wèi)星主要散熱面的散熱能力影響不大。

3．2 有遮陽擋板下外熱流分析

考慮對天文探測器有較低溫度要求時，依據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)和探測器布局，對定點觀測模式下衛(wèi)星-Z面需要設置遮陽擋板，以避免陽光直接照射到探測器表面，即2．2 節(jié)的約束條件（3）。在前文的基礎上，本節(jié)進而對比分析有遮陽擋板情況下的外熱流（僅考慮β＝0°的情況），其中基于衛(wèi)星-X面對著太陽，遮陽擋板在-X面的-Z方向加載，具體外熱流分析結果如表3和圖4所示。

表3 定點觀測模式下不同觀測點下的軌道周期平均外熱流密度（θ＝70°，β＝0°，有遮陽擋板）Table 3 Periodic average external heat flux of different pointing observation objects（θ＝70°β＝0°，sun shield）

對以上的結果分析可發(fā)現(xiàn)：

1）地球紅外

如圖4（a）所示，在約束條件的Ωobj內（Ωobj≤216．6°）遮陽擋板對-Z面（即探測器觀測面）地球紅外熱流均有一定的遮擋效果，且遮擋效果接近（有、無遮陽擋板的地球紅外熱流相差11～15 W／m2），但考慮到熱控涂層的紅外吸收率相對于其太陽吸收比要大很多，因此遮陽擋板對地球紅外熱流的遮擋效果也不可忽視，特別是對搭載低溫天文探測器的近地軌道衛(wèi)星。

2）太陽直照＋地球反照

如圖4（b）所示，在約束條件的Ωobj內（Ωobj≤216．6°），遮陽擋板對-Z面（即探測器觀測面）太陽直照和地球反照熱流均有一定的遮擋效果，特別是在Ωobj＞180°時，遮陽擋板的遮擋效果明顯（有、無遮陽擋板的太陽直照＋地球反照熱流相差246．7 W／m2），這對于有低溫要求的衛(wèi)星載荷，在定點觀測模式下是非常值得考慮增加遮陽板的。

圖4 定點觀測模式下不同觀測點下周期平均外熱流曲線圖（θ＝70°，β＝0°，-Z 面）Fig．4 Graph of periodic average external heat flux of different pointing observation objects（θ＝70°，β＝0°，-Z）

4 結果對比

表4給出了冬至時刻的特定定點觀測目標下，衛(wèi)星六個面有、無遮陽擋板下的軌道周期平均熱流密度，以及按文獻［8］計算所得的艙板對應虛擬熱沉溫度（T），如式（5）所示。

式中：αS為太陽吸收比；εl為紅外發(fā)射率；（qCO＋qAL）為太陽光譜熱流密度；qIR為地球紅外熱流密度。

表4 冬至時刻衛(wèi)星六個面所對應的軌道周期平均熱流及虛擬熱沉溫度（β＝0°，δobj＝23．5°，θ＝70°）Table 4 Periodic average external heat flux and suppositional heat sink temperature of the six satellite boards in winter solstice（β＝0°，δobj＝23．5°，θ＝70°）

從表4結果分析可知：①衛(wèi)星＋Y、-Y面的虛擬熱沉溫度受Ωobj和遮陽擋板的影響較小，且相對較低，可考慮作為衛(wèi)星定點觀測模式下的穩(wěn)定散熱面；②衛(wèi)星-Z面（即有效載荷面）的虛擬熱沉溫度受遮陽擋板的影響較大，且隨Ωobj的增大遮擋效果越明顯，可以保證-Z面散熱面的更大散熱能力，這說明在定點觀測模式下，增加對-Z面的遮陽擋板有利于滿足探測器的低溫要求。

5 結論

本文以傾斜軌道的傳統(tǒng)六面體衛(wèi)星為例，針對天文探測衛(wèi)星定點觀測模式下的特定姿態(tài)，并結合有關科學觀測約束，以及能源和熱控設計約束，進行了較為全面的外熱流分析，可為天文探測衛(wèi)星的熱控設計提供參考和依據(jù)，主要結論如下：

（1）定點觀測模式下，衛(wèi)星六個面的太陽直照和地球反照外熱流在其不同觀測區(qū)域內有3個面的波動較大，從保證整星散熱面的角度考慮，需要在定點觀測模式下對衛(wèi)星的觀測姿態(tài)提出約束；

（2）通過對探測器在有、無遮陽擋板下的外熱流對比分析表明，遮陽擋板可以有效地避免陽光直接照射到探測器表面（特別是對于探測器觀測面入射陽光直照熱流大的定點觀測區(qū)域），增設遮陽擋板對于有低溫要求的定點觀測天文探測器的熱控有較大作用；

（3）通過虛擬熱沉溫度比對，驗證了相應的定點觀測模式下外熱流分析結果，得出對于天文探測衛(wèi)星定點觀測模式下衛(wèi)星的＋Y面、-Y面和-Z面是其適合的散熱面。

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