關(guān)奉偉,劉 巨,于善猛,黃 勇,崔 抗

(中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所,吉林 長春 130033)

空間光學(xué)遙感器熱試驗外熱流模擬及程控實現(xiàn)

關(guān)奉偉,劉 巨*,于善猛,黃 勇,崔 抗

(中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所,吉林 長春 130033)

以某太陽同步軌道空間光學(xué)遙感器為例，闡述了空間外熱流分析計算、熱平衡試驗外熱流模擬以及外熱流程控加載的全過程。首先，總結(jié)了空間光學(xué)遙感器外熱流模擬的完整流程。其次，簡要介紹了太陽輻射、地球反照、地球紅外輻射三種空間外熱流的計算方法。然后，對該空間遙感器進行了空間綜合吸收外熱流計算，獲得了陽照區(qū)及陰影區(qū)外熱流平均值。最后，確定了熱平衡試驗外熱流的模擬方法和策略，利用LabVIEW語言編寫了程控電源開環(huán)控制程序，實現(xiàn)了熱試驗外熱流的準確加載。試驗結(jié)果表明，外熱流值加載偏差在±2.5%以內(nèi)，滿足熱平衡試驗要求。

空間光學(xué)遙感器；外熱流；程控

1 引言

航天器所處的空間熱環(huán)境與系統(tǒng)熱控制設(shè)計密切相關(guān)，空間熱環(huán)境包括自由分子加熱、真空和低溫、粒子輻照、太陽輻射、行星反照、地球反照、地球紅外輻射以及宇宙射線等［1］，地球軌道航天器所受空間熱流主要來自于太陽輻射、地球反照、地球紅外輻射三部分［2-4］，其余如自由分子加熱和空間粒子等對熱控設(shè)計影響較小，通?？珊雎圆挥?。

空間外熱流會造成航天器表面溫度的波動及不均勻性［5-6］，同時空間外熱流又隨運行軌道、四季時節(jié)有顯著變化，并且與航天器表面形狀、空間方位等也有直接關(guān)系，所以對于航天器熱設(shè)計，空間外熱流分析的工作非常必要而且復(fù)雜，空間熱流分析已經(jīng)成為了整機熱分析工作的重要組成部分［7-8］。

航天器的熱設(shè)計通常都需要通過熱平衡試驗進行驗證，對于地面的熱平衡試驗，空間外熱流的模擬是必要的試驗條件之一，由于航天器在軌運行期間，所受空間熱流隨時間一直處于瞬態(tài)變化之中，所以空間外熱流模擬的方法和準確性對熱平衡試驗結(jié)果的正確與否有重要影響。本文以某太陽同步軌道空間光學(xué)遙感器為例，對空間外熱流的仿真計算，熱平衡試驗的外熱流模擬方法，以及熱試驗中外熱流加載的程控實現(xiàn)的全過程進行系統(tǒng)介紹。

2 外熱流模擬流程

在空間光學(xué)遙感器的熱控設(shè)計任務(wù)中，空間外熱流的計算、模擬、試驗加載等工作可謂貫穿始終。在確定了軌道參數(shù)、衛(wèi)星空間方位、相機構(gòu)型等熱控設(shè)計輸入后，進行任務(wù)分析；確定熱分析及熱試驗的典型或極端工況之后，展開外熱流分析工作；獲得典型或極端工況下的瞬態(tài)外熱流或周期平均外熱流，依據(jù)計算值以及外熱流模擬方案，確定熱平衡試驗工況熱流加載值；最后編寫開環(huán)或閉環(huán)控制程序，實現(xiàn)熱平衡試驗空間外熱流的加載實現(xiàn)及準確模擬。外熱流模擬的全部流程如圖1所示。

圖1 熱試驗外熱流模擬流程圖Fig.1 Space heat flux simulation flow chart of thermal test

3 外熱流計算原理

空間光學(xué)遙感器熱控設(shè)計需要重點考慮的是太陽輻射、地球反照以及地球紅外輻射3種空間外熱流，到達遙感器表面的外熱流被認為是3種熱流綜合作用的結(jié)果，3種空間熱流的計算方法［9］如下。

3.1 太陽輻射

由于地日距離很大，所以太陽光到達地球附近的發(fā)散角已經(jīng)很小，除特殊情況下，太陽光可近似看作平行光處理。由太陽光與受照表面的相對幾何關(guān)系可知，受照表面的任一微元dA的太陽輻射熱流為：

式中：S為太陽輻照常數(shù)，F(xiàn)1為太陽輻射角系數(shù)，βs為太陽入射方向與微元面法線方向夾角。太陽輻照常數(shù)S在一年四季之中有所不同，βs隨衛(wèi)星在軌運行期間不斷變化，對于某特定時刻，受照平面的太陽輻射熱流即為：

對于太陽同步軌道遙感器，軌道周期內(nèi)可認為S及βs為常數(shù)，對于指定平面可依據(jù)上式進行計算，式(3)只適用于簡單的特定情形，對于不規(guī)則形狀的表面，需在衛(wèi)星球面坐標系下，利用軌道參數(shù)、衛(wèi)星姿態(tài)、微元面與太陽入射方位等空間幾何關(guān)系求得βs［1］，再積分求取表面總熱流。

3.2 地球反照

對于近地軌道的航天器，太陽輻射的行星反照可以忽略，只需考慮地球?qū)μ栞椛涞姆凑眨喎Q“地球反照”，地球表面區(qū)域?qū)μ栞椛涞姆瓷淠芰Σ町惷黠@，例如冰雪覆蓋的區(qū)域?qū)μ栞椛涞姆瓷淠芰γ黠@高于沙土表面，所以地球各區(qū)域的太陽反照率各不相同，對于航天器的熱流計算，可假定地球為一漫反射體，取定值平均反照率進行計算，對于航天器的任一微元面dA，地球反照熱流為：

式中：ρ為地球平均反射率，S為太陽輻照常數(shù)，F(xiàn)2為地球反照角系數(shù)。其中F2與軌道高度、星地間的空間方位、地球表面受照位置以及太陽與受照區(qū)域法線角度等等有關(guān)。

3.3 地球紅外輻射

地球除了反射部分太陽輻射外，也會吸收一部分太陽輻射，同時地球本身也以紅外輻射的方式輻射能量，地球表面各區(qū)域紅外輻射強弱與區(qū)域溫度、表面覆蓋物等有關(guān)系，導(dǎo)致輻射強度有差異，地球軌道在軌熱分析時，可認為地球為均勻輻射球體，各點的紅外輻射強度相同，對于航天器的任一微元面dA，地球紅外熱流為：

式中：ρ為地球平均反射率，S為太陽輻照常數(shù)，F(xiàn)3為地球紅外輻射角系數(shù)。其中F3與軌道高度、航天器紅外熱流接受面的空間方位等有關(guān)。

4 外熱流分析

4.1 工況條件

空間光學(xué)遙感器在軌道周期內(nèi)的外熱流是瞬態(tài)變化的，并且一年四季之中太陽常數(shù)等外熱流計算參數(shù)也在發(fā)生變化，這也導(dǎo)致理論上講外熱流的計算工況有無數(shù)種組合，所以空間遙感器的外熱流計算需要確定出最典型或最極端的工況［10］，再依據(jù)此種工況條件下的外熱流去考核遙感器的熱控設(shè)計是否滿足要求，某太陽同步軌道光學(xué)遙感器的軌道參數(shù)見表1，確定的極端高溫和極端低溫工況條件見表2。

表1 軌道參數(shù)Tab.1 Orbit parameters

表2 工況條件Tab.2 Condition of work states

4.2 計算模型

針對某太陽同步軌道光學(xué)遙感器，利用NX仿真平臺的空間系統(tǒng)熱模塊進行在軌空間外熱流分析，外熱流計算有限元模型如圖2所示，計算到達外熱流時，相機表面設(shè)定為“黑體”表面，計算吸收外熱流時，相機通光孔設(shè)定為“黑體”表面，相機其余表面為F46二次表面鏡表面，表面屬性定義見表3，此吸收外熱流值即為熱平衡試驗?zāi)M采用的外熱流值。

圖2 外熱流計算有限元模型Fig.2 Finite element model of space heat flux calculation

表3 表面屬性定義Tab.3 Table of surface attributes

4.3 計算結(jié)果

依據(jù)工況條件，對遙感器進行了高溫工況和低溫工況的空間外熱流計算，選取遙感器-Y側(cè)的-Z部分的平面，繪制軌道周期內(nèi)吸收外熱流變化曲線圖，高溫工況吸收外熱流如圖3所示，低溫工況吸收外熱流如圖4所示。

由圖中可以看出陽照區(qū)與陰影區(qū)外熱流有比較明顯的變化，由于遙感器-Y側(cè)-Z面“背向”地球，次面的綜合外熱流主要是太陽輻射，進入地球陰影區(qū)后太陽輻射照射不到遙感器，導(dǎo)致外熱流突降，在遙感器出陰影區(qū)后外熱流明顯增加，基于此平面的外熱流特點，分別計算軌道周期內(nèi)陽照區(qū)及陰影區(qū)各自的平均外熱流，具體結(jié)果見表4。

圖3 高溫工況吸收外熱流變化曲線Fig.3 Space absorbed heat flux curve obtained in upper temperature orbit

圖4 低溫工況吸收外熱流變化曲線Fig.4 Space absorbed heat flux curve obtained in lower temperature orbit

表4 陽照區(qū)及陰影區(qū)外熱流Tab.4 Space heat flux values in sunlit area and shaded area

依據(jù)上述方法逐一統(tǒng)計各面的熱流變化以及熱流密度，并計算各面的熱流值，本文不再一一列舉數(shù)值。

5 外熱流模擬及程控實現(xiàn)

5.1 熱試驗外熱流模擬

整機熱平衡試驗是驗證系統(tǒng)熱控設(shè)計正確性和合理性的必要試驗，熱平衡試驗通常在空間環(huán)境模擬器中進行，空間環(huán)境模擬包括宇宙冷黑背景、高真空度以及空間外熱流等，而空間外熱流的模擬是其中的重點和難點［11］?？臻g環(huán)境模擬器可以實現(xiàn)空間冷黑、真空環(huán)境的模擬，但是對于太陽輻射、地球反照以及地球紅外等空間外熱流的模擬，通常需要專門的試驗系統(tǒng)和組件進行模擬和實現(xiàn)，目前對于空間外熱流的模擬已經(jīng)有了比較全面的研究成果和使用經(jīng)驗［12］，其中包括太陽模擬器技術(shù)，紅外籠、紅外燈陣等紅外輻射加熱技術(shù)，以及接觸式電加熱技術(shù)等等。對于直接接觸式電加熱技術(shù)，需將加熱器粘貼到航天器表面，會影響航天器的表面狀態(tài)，通常用于熱控星的試驗［11］。

本文提到的某空間遙感器熱平衡試驗的外熱流模擬采用了非接觸的電加熱方式。試驗中在遙感器多層組件的內(nèi)部設(shè)置加熱帶，通過加熱帶模擬空間外熱流“穿過”遙感器多層包覆表面的外熱流，此種外熱流模擬方式大大降低了外熱流模擬系統(tǒng)的復(fù)雜性，可以很好地適應(yīng)航天器的表面構(gòu)型。

確定了外熱流模擬方法后，需確定外熱流模擬策略，根據(jù)外熱流的變化曲線可知，空間光學(xué)遙感器在軌道周期內(nèi)，各面的外熱流處于瞬態(tài)變化之中，在試驗中如何加載外熱流是很重要的，總括外熱流的加載策略可分為如下3種：

(1)瞬態(tài)模擬，即遵循外熱流變化曲線進行加載。在地面試驗中完全遵循外熱流的瞬態(tài)變化加載是很困難的，可以在軌道周期內(nèi)設(shè)置若干個控制點，每個控制點的外熱流依據(jù)計算值加載，理論上控制點越密集，加載值越貼近外熱流實際瞬態(tài)變化，不過對試驗系統(tǒng)的控制精度要求也越高。

(2)階梯式加載，對于受照表面太陽輻射對外熱流的影響比較顯著，所以航天器在陽照區(qū)和陰影區(qū)的外熱流差異比較明顯，呈現(xiàn)階梯式變化，因此可對空間外熱流按照陽照區(qū)及陰影區(qū)分段進行平均，分別獲得陽照區(qū)平均外熱流值及陰影區(qū)平均外熱流值，從而在軌道周期內(nèi)進行階梯式加載。階梯式外熱流符合外熱流變化趨勢，同時也可以獲得星上設(shè)備的瞬態(tài)最高溫度及最低溫度，還可以降低對試驗控制系統(tǒng)的控制精度要求。

(3)軌道周期平均，即將外熱流值在全軌道周期內(nèi)進行平均以獲得單一的外熱流加載值，從而在試驗工況過程中，外熱流加載值保持恒定。此種加載方式最為簡單，并且在多數(shù)穩(wěn)態(tài)試驗中可以滿足試驗要求。

對于本文的太陽同步軌道光學(xué)遙感器，結(jié)合外熱流變化曲線，確定了在熱平衡試驗中采用第二種階梯式外熱流加載方式，對遙感器各表面的空間外熱流值按照陽照區(qū)/陰影區(qū)階梯式吸收外熱流值進行加載。

5.2 程控實現(xiàn)

將軌道周期分為兩個階段，陽照區(qū)的時間段內(nèi)加載陽照區(qū)外熱流，待陽照區(qū)時間結(jié)束后，在陰影區(qū)時間段內(nèi)加載陰影區(qū)外熱流，如此每個軌道周期重復(fù)加載，直至達到熱平衡狀態(tài)為止。因電加熱器的功率由程控電源進行加載，所以熱平衡試驗中通常需要多臺程控電源同時工作。為確保熱流加載的同步性和準確性，需要對電源進行開環(huán)程控，控制軟件的編寫由LabVIEW完成，首先設(shè)定每臺程控電源的IP地址，然后利用控制軟件對各電源進行尋址管理，實現(xiàn)電源的同步開/關(guān)或功率輸出，控制軟件的后臺程序部分代碼截圖如圖5所示。

圖5 LabVIEW后臺程序截圖Fig.5 Screenshot of LabVIEW background program

利用上述控制程序?qū)崿F(xiàn)的外熱流加載過程剖面圖如圖6所示，外熱流循環(huán)加載直至遙感器達到熱平衡，即試驗工況結(jié)束為止。試驗結(jié)果表明，外熱流模擬值的加載偏差在±2.5%以內(nèi)，完全滿足試驗要求。

圖6 外熱流加載剖面圖Fig.6 Space heat flux load curve

6 結(jié)論

本文以某空間光學(xué)遙感器為例，依照熱平衡試驗外熱流模擬及實現(xiàn)流程，利用NX仿真平臺對遙感器進行了高溫及低溫工況條件下的空間綜合外熱流分析，繪制了吸收外熱流變化曲線，獲得了陽照區(qū)及陰影區(qū)階梯外熱流。依據(jù)該遙感器的軌道環(huán)境及自身特點確定了外熱流模擬方法及加載策略，利用LabVIEW語言針對程控電源編寫了開環(huán)控制程序，實現(xiàn)了程控電源對外熱流模擬電加熱器的精確階梯式外熱流加載。

空間外熱流計算及模擬是光學(xué)遙感器熱分析及熱平衡試驗的重要組成部分，本文介紹了從空間外熱流分析到熱試驗外熱流模擬實現(xiàn)的完整過程，希望以此為其它空間光學(xué)遙感器的研制提供一些參考和依據(jù)。

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Space heat flux simulation and programmable load for thermal test of space optical remote sensor

GUAN Feng-wei，LIU Ju*，YU Shan-meng，HUANG Yong，CUI Kang
(Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China)

The whole process of space heat flux analysis，heat flux simulation and programmable load for thermal test is expatiated for a given space optical remote sensor working in sun-synchronous orbit.Firstly，space heat flux simulation process of space optical remote sensor is summarized.Secondly，calculation methods of solar radiation，earth albedo and earth infrared radiation are introduced.Thirdly，the space total absorbed heat flux for the given space optical remote sensor is calculated，and the average heat flux of the sunlit area and the shaded area is gained.Finally，the space heat flux simulation method and tactic of thermal test are confirmed，and open-loop control program of programmable power is written using LabVIEW language，and space transient heat loads of thermal test are accurately applied.The results of test indicate that the deviations of applied heat load are within±2.5%，and the deviations which can meet the requirements of thermal test.

space optical remote sensor；space heat flux，programmable load

V447.3

A

10.3788/CO.20140706.0982

2095-1531(2014)06-0982-07

關(guān)奉偉(1984—)，男，內(nèi)蒙古通遼人，碩士，助理研究員，2007年、2010年于北京航空航天大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士學(xué)位，主要從事空間光學(xué)遙感器熱控設(shè)計、熱分析、熱試驗等方面的研究。E-mail：buaaguan@sina.com

劉 巨(1974—)，男，吉林省吉林市人，博士，副研究員，2005年于中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所獲博士學(xué)位，主要從事空間光學(xué)儀器熱設(shè)計、熱分析、熱試驗等方面的研究。E-mail：yanwuqiu@aliyun.com

于善猛(1982—)，男，遼寧大連人，碩士，助理研究員，2004年于哈爾濱工程大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2008年于哈爾濱工業(yè)大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事空間光學(xué)遙感器的熱設(shè)計、熱試驗、CAE技術(shù)方面的研究。E-mail：yushanmeng@163.com

黃 勇(1982—)，男，安徽桐城人，副研究員，2004年、2007年、2010年于吉林大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士、博士學(xué)位，主要從事航天航空光學(xué)遙感器熱設(shè)計方面的研究。E-mail：huang001517@163.com

崔 抗(1985—)，男，遼寧盤錦人，碩士，研究實習(xí)員，2008年、2011年于浙江大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士學(xué)位，主要從事空間光學(xué)遙感器熱控設(shè)計、熱試驗等方面的研究。E-mail：cuikang1985@126.com

2014-09-12；

2014-11-16

國家自然科學(xué)基金資助項目(No.60506014)

*Corresponding author，E-mail：yanwuqiu@aliyun.com