宋欣陽 高 娟 趙振明 魯 盼

（北京空間機電研究所，北京 100094）

間接熱控在高分辨率光學遙感器恒溫控制中的應用

宋欣陽 高 娟 趙振明 魯 盼

（北京空間機電研究所，北京 100094）

針對高分辨率光學遙感器（以下簡稱高分遙感器）恒溫控制要求的不斷提高，文章分析了傳統(tǒng)熱控技術的優(yōu)勢與不足，提出采用間接熱控技術進行大口徑高分遙感器恒溫控制的設計方法，并結合某高分遙感器的熱控要求、關鍵部件的熱控設計方案，詳細闡述了間接熱控技術的技術特點與實現(xiàn)途徑。仿真分析結果及試驗數(shù)據(jù)表明，間接熱控技術能夠滿足遙感器的恒溫控制需求，可以實現(xiàn)高分遙感器光學系統(tǒng)及主要結構的恒溫控制精度優(yōu)于±0.3℃。

間接熱控技術 高分辨率 恒溫控制 熱設計 航天遙感器

0 引言

幾十年來，我國空間光學遙感衛(wèi)星圖像已經(jīng)在諸多領域得到了廣泛的應用，發(fā)揮了不可估量的作用[1]。然而隨著應用的進一步深入，用戶對圖像品質的要求越來越高。為達到更高的圖像品質，高分遙感器需要滿足更高的幾何精度，因此對遙感器的恒溫控制提出了更高的要求[2]。

按照熱控制的原理來劃分，熱控制技術可分為被動熱控制及主動熱控制兩大類。被動熱控制技術是一種開環(huán)控制。在控制過程中，被控對象的溫度無反饋作用。通常選擇具有一定熱物性的結構材料，采用表面涂層等措施，安排被控對象與其環(huán)境及周圍結構的熱傳遞，使被控對象處于期望的溫度范圍內。被動熱控的優(yōu)點在于技術簡單、運行可靠，但對被控對象的溫度不可控。主動熱控制技術是一種閉環(huán)控制。在控制過程中，被控對象的溫度反饋到熱控制機構上。通常要求控制系統(tǒng)包括溫度敏感器、控制器及執(zhí)行器。較常見的主動熱控制是施加主動控溫功率，通過熱敏感器來反饋被控對象的溫度，利用控溫儀來調節(jié)主動控溫功率的大小及時間來控制被控對象的溫度。這種主動控溫方式能夠調節(jié)被控對象的控溫點，被控對象對控溫調節(jié)反應靈活[3]。

遙感器傳統(tǒng)熱設計，多采用被動熱控或主動控溫的方式。尤其是對溫度范圍要求較高的關鍵部件，通常直接在被控對象上布置主動控溫加熱回路來達到控溫的目的[4-5]。而遙感器作為一個結構復雜的大型系統(tǒng)，各個部件間的熱耦合作用十分復雜，單一結構件通過導熱、輻射等換熱方式與周圍的結構進行熱交換，其溫度變化受周邊環(huán)境的整體溫度影響較大，而并不完全依賴于自身的熱控措施。對于直接加載在被控對象上的主動控溫回路來說，受到目前航天應用的測、控溫設備的性能制約[6-9]，其恒溫控制精度通常在±0.3℃至±2℃范圍內[10-12]。此外，熱控涂層退化、空間外熱流的多變以及衛(wèi)星邊界環(huán)境的變化成為限制高分遙感器在軌恒溫控制的重要影響因素。這些因素對高分遙感器的溫度影響往往是緩慢變化的，無論是仿真、試驗或是在軌狀態(tài)，都需要對數(shù)據(jù)進行綜合比對才能確定最終的恒溫控制精度。對以往高分光學遙感器的在軌數(shù)據(jù)梳理，全壽命期內的恒溫控制精度約為±0.5℃至±2℃范圍。

隨著分辨率的逐步提高，遙感器向著大口徑、高能耗、高熱流密度、軌道機動多變、高恒溫控制精度的趨勢發(fā)展。為了得到更高的圖像品質，某些高分遙感器對主要光機結構提出了優(yōu)于±1℃的全壽命期的恒溫控制精度要求，甚至對關鍵的光學鏡頭、承力結構提出全壽命期優(yōu)于±0.3℃的恒溫控制精度要求，這使得上述傳統(tǒng)控溫方法難以滿足不斷發(fā)展的高分辨率遙感器的溫度控制需求。

針對傳統(tǒng)控溫方式在高分遙感器高精度恒溫控制要求方面的不足，本文創(chuàng)新性的提出將間接熱控技術應用于大口徑高分遙感器的熱設計中，并以某空間高分光學遙感器為例，詳細闡述間接熱控技術的實現(xiàn)途徑與控溫方式，通過仿真分析給出間接熱控與傳統(tǒng)熱控技術在控溫精度上的差異，通過地面熱平衡試驗驗證間接熱控的效果。

1 間接熱控技術概述

間接熱控技術是通過對被控對象周圍的輔助結構件進行主動控溫，利用兩者之間的輻射熱交換實現(xiàn)被控對象高精度恒溫控制的技術。具體為：在被控對象外圍增加熱控輔助結構，通過電加熱回路等主動控溫方式為輔助結構控溫，在被控對象表面及輔助結構表面噴涂黑漆等涂層以增強兩者間的輻射熱交換，在被控對象與輔助結構的接觸位置進行隔熱處理以減小兩者間的導熱熱交換，以此實現(xiàn)被控對象的高精度恒溫控制。通過對熱控輔助結構件的主動控溫措施，保證了輔助結構的溫度水平，受到測控溫精度限制，其溫度在相對較大范圍內波動。熱控輔助結構為被控對象提供了其所需的溫度環(huán)境，同時減弱了被控對象周邊結構溫度場的影響，減少了結構間復雜的熱耦合，使其熱量交換過程相對簡單。熱控輔助結構的熱量主要通過輻射換熱傳遞到被控對象本身，保證了被控對象的溫度水平。同時，輔助結構件相對較大的溫度波動則由于輻射換熱作用起到消峰填谷的效果，使被控對象的溫度在較小的溫度范圍內波動，從而提高了被控對象的恒溫控制精度。

間接熱控技術充分利用了主動熱控技術及被動熱控技術的優(yōu)點，同時消除了主動熱控技術及被動熱控技術的薄弱環(huán)節(jié)，在現(xiàn)有技術水平、工藝水平以及確保航天產(chǎn)品可靠性的基礎上，大大提高了被控對象的恒溫控制精度。在光學、力學要求較嚴格的遙感器熱控設計中，間接熱控技術能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢，使遙感器主要光機結構的溫度滿足恒溫控制要求，為高品質圖像的獲取奠定基礎。

2 間接熱控技術的應用

間接熱控技術可廣泛應用于各類航天器產(chǎn)品的熱控設計，對有高精度恒溫控制要求的高分辨率光學遙感器尤其適用。本文結合某高分辨率遙感器的熱控研制要求，詳細闡述間接熱控技術在遙感器熱控設計中的具體應用。

2.1 熱控指標要求

某高分辨率光學遙感器所在的衛(wèi)星軌道為太陽同步軌道，軌道高度約 700km。該遙感器的口徑約 800mm，+Z方向為入光口。主要由主鏡、次鏡、三鏡、折鏡、三桿、主板等結構件組成。其中，次鏡組件及三桿組件位于遙感器入光口前端，次鏡通過三桿結構懸于入光口中心位置，三桿組件固定在鏡筒前端。主板作為遙感器的主要承力結構，支撐著鏡筒組件、主鏡組件、三鏡組件及折鏡組件等。圖1為該遙感器的主要結構。

該遙感器的光學鏡頭及主要結構均對溫度變化敏感，為保證光學成像的需要，需對主要鏡頭組件及承力結構進行恒溫控制以保證其結構穩(wěn)定和成像視場穩(wěn)定。具體的恒溫控制精度要求見表 1。各主要光學鏡頭和承力結構的溫度水平可在(20±2)℃范圍內。除三鏡及折鏡外，其余各光機結構任一位置的溫度穩(wěn)定性優(yōu)于±0.3℃，也就是光機結構全壽命期內的恒溫控制精度要求為±0.3℃。本文主要針對遙感器中有恒溫控制精度要求的位置進行分析和說明。

圖1 遙感器主要結構示意Fig. 1 Sketch of the main structures and optics in the HR optical instrument

表1 遙感器精密控溫指標要求Tab. 1 The objective of temperature control of the HR optical instrument℃

2.2 實現(xiàn)部位和控溫方式

通過對該高分遙感器結構形式、軌道外熱流、遙感器所在衛(wèi)星邊界、涂層退化等影響恒溫控制精度的要素進行分析和計算，采用傳統(tǒng)熱控設計方法能夠滿足高分遙感器主要光機結構(20±2)℃溫度范圍需求，而主要光機主體任一位置全壽命期±0.3℃的恒溫控制要求則無法實現(xiàn)。為此，對該高分遙感器的主要光機結構應用間接熱控技術，實現(xiàn)了全壽命期±0.3℃的恒溫控制要求。間接熱控技術的實現(xiàn)途徑及控溫方式詳述如下。

圖2 次鏡組件及三桿組件間接熱控措施示意Fig. 2 Thermal control method in secondary mirror components & spider blades components

圖3 鏡筒熱控措施示意Fig. 3 Thermal control method in cylinder components

（1）次鏡組件及三桿組件

次鏡組件和三桿組件均位于高分遙感器前端，直接面對空間冷黑環(huán)境。在空間外熱流變化的影響下，其溫度變化比較劇烈。根據(jù)間接熱控技術的思路，在次鏡外圍設置外熱罩作為次鏡的熱控輔助結構——次鏡熱罩。通過對次鏡熱罩施加熱控措施，保證次鏡的恒溫控制。在三桿外部增加外熱罩作為其熱控輔助結構——三桿熱罩。通過對三桿熱罩施加熱控措施，保證三桿的恒溫控制。

對次鏡組件、次鏡熱罩、三桿、三桿熱罩采取熱控措施（如圖2所示），以間接熱控的方法來控制次鏡組件及三桿組件的溫度，具體措施為：

1）次鏡組件（除鏡面外）、三桿組件的各結構表面黑色陽極氧化處理，增加輻射換熱效果，在次鏡背面、三桿表面粘貼遙測熱敏電阻，檢測相應位置的溫度。

2）在次鏡熱罩及三桿熱罩的內表面包覆多層隔熱組件，在不影響光路的情況下，減小外熱流對次鏡組件、三桿的溫度影響。

3）在次鏡熱罩表面、三桿熱罩表面粘貼加熱片、控溫熱敏電阻形成主動控溫控制。在抵消外熱流影響的同時，為次鏡、三桿提供良好的溫度環(huán)境。

（2）鏡筒組件

鏡筒前端為次鏡及三桿的安裝位置，其溫度恒定精度直接影響三桿及次鏡的位置，因此保證鏡筒的恒溫控制十分重要。按照間接熱控方法，在鏡筒內、外增加薄壁圓筒作為其熱控輔助結構，分別為鏡筒上筒、鏡筒內筒、鏡筒外筒。通過對輔助筒施加熱控措施（如圖3所示），以達到對鏡筒的恒溫控制目的。主要措施包括：

1）鏡筒及鏡筒輔助筒組件的表面均噴涂黑漆，增加輻射換熱效果，鏡筒表面粘貼遙測熱敏電阻，檢測相應位置的溫度；

2）鏡筒內筒外表面包覆多層隔熱組件，并粘貼加熱片、控溫熱敏電阻形成主動控溫控制，以減小空間外熱流對鏡筒的影響，為鏡筒提供良好的溫度環(huán)境；

3）鏡筒上筒及外筒外表面包覆多層隔熱組件，并粘貼加熱片、控溫熱敏電阻形成主動控溫控制。一方面抵消衛(wèi)星溫度邊界變化對鏡筒的溫度影響，一方面提供加熱補償，為鏡筒提供好的溫度環(huán)境，保證其溫度恒定。

（3）主鏡及主板

利用間接熱控的方法，在主鏡周向及底側、主板周側及底側增加薄板結構作為其熱控輔助結構。為了給主鏡組件及主板提供良好的溫度環(huán)境，在薄板外表面粘貼加熱片、控溫熱敏電阻形成主動控溫控制。在熱罩外表面包覆多層隔熱組件以抵消所在衛(wèi)星溫度邊界及其他結構溫度變化對其溫度的影響。主鏡背面及主板的不同位置粘貼遙測熱敏電阻，檢測相應位置的溫度。

（4）其他

除了主要結構的間接熱控措施外，對該空間高分遙感器的其他各結構件輔助以主動及被動熱控措施。在主要結構組件間增強隔熱措施，以減小各結構之間的熱耦合，減小相互影響。

2.3 仿真分析

采用TMG（I-Deas）熱分析軟件，對遙感器主體進行有限元網(wǎng)格劃分，根據(jù)各結構材料屬性、相互間的熱耦合關系、高分遙感器的邊界環(huán)境等建立熱分析仿真模型。

通過分析該空間高分遙感器的外熱流情況，確定極端外熱流對應的軌道及機動狀態(tài)。根據(jù)極端外熱流、極端邊界條件、內熱源的工作狀態(tài)、涂層材料屬性退化前后等因素，綜合判斷后確定仿真計算中的高溫、低溫工況。針對極端高、低工況下的邊界條件，對間接熱控下的高分遙感器進行熱仿真模擬計算，預示該熱控措施下高分遙感器主要光機結構的溫度分布及溫度變化情況。對比各主要光機結構在高溫工況與低溫工況下的溫度結果，如圖4所示。

圖4 仿真計算預示的間接熱控技術下高低溫工況的溫度結果Fig. 4 Temperature results in different calculations by ITCM in TMG analysis

由圖4中的溫度結果可以看出，主鏡(19.90~20.26)℃、次鏡(19.17~19.54)℃、三桿(18.94~19.35)℃、鏡筒(19.71~19.82)℃及主板(19.88~19.96)℃的溫度均在20 ±2℃ ℃的范圍內，且滿足全壽命期內的±0.3℃的恒溫控制精度。

仿真結果表明，通過間接熱控技術的合理應用，該高分辨率光學遙感器主要光機結構的溫度實現(xiàn)了全壽命期內的±0.3℃的恒溫控制精度要求。

2.4 試驗驗證

對高分遙感器按照間接熱控技術方法進行熱控實施，放置于真空罐內進行地面熱平衡試驗。按照仿真計算中高、低溫計算工況進行熱平衡試驗驗證。高分遙感器熱平衡試驗所用的控溫儀測溫精度為±0.1℃，數(shù)據(jù)顯示的精度為0.1℃。為對比熱試驗與熱仿真中對應位置的溫度結果，在遙感器光機結構的相應位置粘貼測溫熱敏電阻。試驗中高低溫工況下的溫度實測值如表2所示。

由表2數(shù)據(jù)可以看出，地面真空熱平衡試驗中，高分遙感器的主要光機結構的溫度與熱仿真分析計算預示的溫度結構一致性較好。驗證了間接熱控技術下，高分遙感器全壽命周期內主要光機結構的恒溫控制精度優(yōu)于±0.3℃的要求。

表2 地面真空熱平衡試驗溫度數(shù)據(jù)對比Tab. 2 Contrast of the temperature data in vacuum thermal experiment℃

2.5 與傳統(tǒng)熱控技術的對比

采用傳統(tǒng)的熱控制方法對本遙感器進行熱設計，去掉間接熱控設計中為各主要光機主體增加的輔助熱罩結構，將主動控溫加熱回路及多層隔熱組件等熱控措施直接作用于光機主體上。選用與間接熱控仿真計算中同樣的參數(shù)設置及輸入條件，利用TMG軟件對其進行仿真計算。在同樣的低溫工況和高溫工況下，傳統(tǒng)熱控設計對應的仿真計算結果如圖5所示。

圖5 傳統(tǒng)熱控技術下高低溫工況的溫度結果Fig. 5 Temperature results in different calculations by common thermal control method

由圖5中的溫度結果可以看出，主鏡(19.96~21.15)℃、次鏡(19.02~20.40)℃、三桿(19.23~20.42)℃、鏡筒(19.39~20.48)℃、主板(19.52~21.02)℃的溫度均在 20 ±2℃ ℃的范圍內。但是在采用傳統(tǒng)的熱控制方法下，全壽命期內高分遙感器的各關鍵部件的溫度波動均超過 1℃，恒溫控制精度不能滿足高分遙感器的控溫要求。

表3為間接熱控技術及傳統(tǒng)熱控技術下，高分遙感器主要光機結構的溫度數(shù)據(jù)對比。由表中兩組數(shù)據(jù)顯示，間接熱控技術下，無論是單一工況還是全壽命期內，其溫度波動范圍遠小于傳統(tǒng)熱控技術下的溫度波動范圍。其中，單一工況下的溫度穩(wěn)定性優(yōu)于0.1℃，而全壽命期內的最大溫差為0.4℃，較傳統(tǒng)熱控技術提高約一個數(shù)量級。符合高分遙感器提出的恒溫控制精度優(yōu)于±0.3℃的要求。

表3 主要光機結構的仿真計算溫度數(shù)據(jù)對比Tab. 3 Contrast of the temperature data in TMG analysis℃

3 結論

針對高分辨率光學遙感器恒溫控制要求的不斷提高，本文分析現(xiàn)階段傳統(tǒng)熱控技術的優(yōu)勢與不足，創(chuàng)新性的提出將間接熱控設計方法應用于大口徑高分辨率光學遙感器的熱設計當中。通過對間接熱控技術特點分析可知，采用該技術能夠很好的滿足高分遙感器越來越高的恒溫控制精度需求。本文結合某高分辨率空間光學遙感器的恒溫控制需求及熱設計過程，詳細說明間接熱控技術在熱設計中的實現(xiàn)途徑和控溫方法。仿真模擬結果表明，間接熱控技術可確保高分遙感器主要光機結構全壽命期內恒溫控制精度優(yōu)于±0.3℃，比傳統(tǒng)控溫方式提高約一個數(shù)量級。地面真空熱試驗數(shù)據(jù)與熱仿真分析數(shù)據(jù)一致性較高，通過試驗進一步驗證了間接熱控技術可有效提高高分遙感器全壽命期的恒溫控制精度，滿足高分遙感器越來越高的恒溫控制精度需求。

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Application of Indirect Thermal Control Technology for Constant Temperature Control of HR Optical Remote Sensor

SONG Xinyang GAO Juan ZHAO Zhenming LU Pan

（Beijing Institute of Space Mechanics &Electricity, Beijing 100094, China）

Based on the increasingly strict objective of constant temperature control of HR optical remote sensors, the advantages and disadvantages of the common thermal control technology are discussed in this paper. And furthermore, a new thermal control method is put forward which uses the indirect thermal control technology (ITCT) in the thermal design of large scale HR optical instruments at the first time. An application of ITCT in a HR optical instrument for which the highly constant temperature control is required is introduced in details. The simulation of the design and the data of the experiment shows that the results of thermal control using ITCT can meet the objective precision. By optimization design of the ITCT, the precision of constant temperature control of the main structures and optics of the HR optical instrument can be better than ±0.3 .℃

indirect thermal control technology; high resolution; constant temperature control; thermal design; space remote sensor

V443+.5

A

1009-8518(2015)02-0046-07

10.3969/j.issn.1009-8518.2015.02.007

宋欣陽，女，1984年生，2009年獲天津大學熱能工程專業(yè)碩士學位，工程師，現(xiàn)從事空間相機熱控技術研究工作。研究方向為大口徑高分辨率光學遙感器的精密熱控設計。E-mail: songxinyang1984@163.com

2014-11-06