朱 冉 章海鷹

(1中國科學(xué)院國家天文臺(tái)/南京天文光學(xué)技術(shù)研究所 南京 210042) (2中國科學(xué)院天文光學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210042) (3中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

一種空間太陽望遠(yuǎn)鏡光學(xué)窗口在軌熱設(shè)計(jì)?

朱 冉1,2,3?章海鷹1,2

(1中國科學(xué)院國家天文臺(tái)/南京天文光學(xué)技術(shù)研究所 南京 210042) (2中國科學(xué)院天文光學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210042) (3中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

空間太陽望遠(yuǎn)鏡在軌運(yùn)行中,會(huì)受到復(fù)雜的空間環(huán)境影響,光學(xué)窗口的溫度變化將會(huì)直接影響后面光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量.熱設(shè)計(jì)的目的就是為了保證光學(xué)窗口的各部分保持在各自正常溫度范圍內(nèi),更重要的是能夠使望遠(yuǎn)鏡在地影結(jié)束后迅速進(jìn)入到工作狀態(tài),完成整個(gè)周期運(yùn)行.為了得到窗口在空間熱載荷下整個(gè)周期內(nèi)的溫度分布和變化趨勢,需要對(duì)窗口穩(wěn)態(tài)及地影狀態(tài)中有無加熱兩種瞬態(tài)進(jìn)行仿真分析.通過對(duì)比兩種瞬態(tài)溫度分布的仿真結(jié)果,對(duì)窗口采取相應(yīng)熱控措施,取得了較好的熱控效果.

望遠(yuǎn)鏡,光學(xué)窗口,日食,技術(shù):熱設(shè)計(jì),方法:對(duì)比分析

1 引言

利用太陽活動(dòng)25周峰年的機(jī)會(huì),以我國為主研制和發(fā)射一顆太陽峰年探測衛(wèi)星“先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)”(Advanced Space-based Solar Observatory,簡稱ASO-S),以此實(shí)現(xiàn)我國太陽峰年衛(wèi)星探測零的突破.

先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)ASO-S由3個(gè)載荷組成:全日面太陽矢量磁像儀(FMG);太陽硬X射線成像儀(HXI);萊曼阿爾法太陽望遠(yuǎn)鏡(LST).磁像儀主要由3大系統(tǒng)構(gòu)成:成像光學(xué)系統(tǒng)、偏振光學(xué)系統(tǒng)、CCD圖像采集和處理系統(tǒng),其中,入射窗光學(xué)窗口是磁像儀成像光學(xué)系統(tǒng)重要組成部分之一,而且光學(xué)窗口的在軌熱設(shè)計(jì)是關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)之一.

由于窗口直接暴露于空間,它的外面是復(fù)雜的空間環(huán)境,在軌道運(yùn)行期間將受到交變的空間太陽的輻射、地球紅外輻射、地球陽光反照、空間環(huán)境的污染等影響.因此,入射窗口起著減小外部空間熱環(huán)境對(duì)后面各系統(tǒng)的影響,以及透可見光、反紅外和防污染等作用.入射窗口與周圍環(huán)境進(jìn)行熱交換,導(dǎo)致窗口的溫度發(fā)生不均勻變化,包括整體溫度水平的變化以及產(chǎn)生徑向溫差、周向溫差和軸向溫差.這些溫度梯度將使入射窗口玻璃發(fā)生變形,影響光線的透射并最終影響CCD的成像質(zhì)量[1].

通過仿真模擬,如果在地影期間不對(duì)窗口進(jìn)行任何加熱,出地影后窗口需要很長時(shí)間的恢復(fù),并且已經(jīng)超過了周期時(shí)間,這顯然是不合常理的.為了使窗口在出地影后能夠快速進(jìn)入到工作狀態(tài),通過被動(dòng)熱控和地影期間主動(dòng)熱控的結(jié)合,對(duì)比加熱和不加熱兩種方式,我們得到了一種地影期間加熱方式,取得了較好的熱控效果[2].

2 光學(xué)窗口熱設(shè)計(jì)模型建立

2.1 三維模型的建立

本文的入射窗口主要需要透過可見光部分,所以將帶濾波功能的光學(xué)鏡片進(jìn)行組合,以達(dá)到只能通過可見光的目的.

經(jīng)過組合選擇,光學(xué)窗口玻璃由3塊肖特玻璃組合而成(熔融石英),從外到內(nèi)分別是厚度為6 mm的BK 7、3 mm的GG495、6 mm的BK 7.光學(xué)窗口的有效通光口徑為140mm,窗口框架材料為鈦合金,三維模型的建立以及溫度場分布的計(jì)算均采用SolidWorks軟件[3?4],如圖1所示,各材料屬性見表1,其中M LI為多層隔熱材料.

圖1 光學(xué)窗口三維模型Fig.1 The 3D m odel of op tical w indow

表1 各材料屬性Tab le 1 The tab le o f m ateria l p rop er ties

2.2 窗口外熱流以及熱平衡

該空間太陽望遠(yuǎn)鏡所在的衛(wèi)星擬采用太陽同步軌道,對(duì)日定向;軌道高度初定為700 km;軌道傾角為97°.在軌運(yùn)行時(shí),除受到太陽輻射Q1外,還接受地球紅外輻射Q2和地球反照Q3,而且自身也不斷向空間進(jìn)行熱輻射Q4,窗口熱平衡如圖2.地球受到太陽輻射,自身也不斷向空間發(fā)出熱輻射并反射太陽輻射,即地球紅外輻射.地球反照是入射到地球的太陽輻射被云層、大氣層和地球表面反射和散射的綜合效應(yīng)[5].

圖2 窗口熱平衡Fig.2 The therm a l ba lance o f op tica l w indow

低溫極端工況下,太陽常數(shù)取一年中最小值:1309W/m2,地球反照:473.55W/m2,地球紅外輻射:212.71W/m2.高溫極端工況下,太陽常數(shù)取一年中最大值:1399W/m2,地球反照:473.55W/m2,地球紅外輻射:227.33W/m2.一般計(jì)算采用平均值: 1353W/m2,473.55W/m2,219.86W/m2.

由能量守恒可寫出平衡方程:

當(dāng)方程右端為0時(shí),窗口處于穩(wěn)態(tài).即:

其中,m為窗口質(zhì)量,cρ為窗口比熱.

2.3 窗口熱控措施

2.3.1 被動(dòng)熱控制

由于窗口處于空間的特殊熱環(huán)境,主要傳熱方式為熱輻射.因此,窗口材料的熱物性如太陽吸收率αs、紅外發(fā)射率εh等對(duì)窗口溫度分布起著決定性作用.根據(jù)這一特性,我們對(duì)處于陽面、陰面的材料采用選取合適αs/εh比的熱控涂層的被動(dòng)熱控措施,得到能夠使窗口正常工作的溫度分布.

對(duì)于窗口外圍輻射熱隔離,通常使用多層隔熱材料.它是利用許多高反射率的屏面的層層反射,對(duì)輻射熱流造成很高的熱阻.在真空條件下具有極好的隔熱性能,可以有效地屏蔽外界溫度環(huán)境的影響.

本文選用了25組多層隔熱組件以及以下兩種涂層:

F46膜:氟46單面鍍鋁/銀二次表面鏡的簡稱,其材料從內(nèi)到外依次為鋁/銀、F46、ITO,還分為表面導(dǎo)電型和非導(dǎo)電型兩種.發(fā)射率基本穩(wěn)定在0.69,F46多用于陽面的多層隔熱組件面膜,還可以用做散熱面的表面材料.

白膜:雙面鍍鋁聚酯薄膜,多用作陰面多層隔熱組件的面膜,如圖3.

圖3 M LI及M LI上的涂層Fig.3 M LI and its coatings

MLI各面所吸收的外流量則可用外流量平均值乘以各面對(duì)太陽的吸收率得到.本文中,MLI陽面為太陽直射面,使用F46膜;陰面為地球反照、地球紅外輻射面,使用白膜.陽面1、陽面2、陰面1吸收率/發(fā)射率分別為αs/εh=0.2/0.69、αs/εh=0.05/0.69、αs/εh=0.07/0.12.

2.3.2 主動(dòng)熱控制

采取熱隔離措施,盡管可以減少熱量的損失,但仍有熱量流失,尤其是向冷黑空間的輻射流失.對(duì)維持溫度水平及溫度分布有較高要求的部位,通過電加熱方式加以熱補(bǔ)償.窗口熱量流失主要是窗口外表面向冷黑空間的輻射流失.主動(dòng)熱控通過在窗口第1塊玻璃的內(nèi)表面鍍ITO膜,以維持窗口組件溫度水平及減小徑間、周向等溫差,使溫度場均勻化.

以下是某空間CCD相機(jī)主動(dòng)熱控方法,如圖4.其采用膜加熱器(ITO透明導(dǎo)電膜)以及體加熱器(聚酰亞胺薄膜電加熱器)結(jié)合的方式對(duì)窗口玻璃進(jìn)行有效的熱補(bǔ)償.

圖4 CCD窗口熱控布置F ig.4 Therm al control layou t of CCD w indow

空間太陽望遠(yuǎn)鏡(SST)在軌運(yùn)行時(shí),最長地影時(shí)間為18.16m in.地球陰影軌道運(yùn)行期間,主鏡進(jìn)入陰影區(qū)后受不到太陽照射,主鏡溫度將逐漸降低,期間通過聚酰亞胺薄膜電加熱片對(duì)主鏡背面進(jìn)行加熱,保持溫度在可控范圍內(nèi),如圖5所示.

鑒于以上兩種加熱方式,本文將采用ITO導(dǎo)電膜進(jìn)行面加熱,位置在第1塊鏡子背面,如圖6所示.

圖5 SST主鏡熱控布置Fig.5 Therm a l contro l layou t o f SST p rim ary m irror

圖6 ITO膜Fig.6 ITO film

3 光學(xué)窗口仿真分析

3.1 熱控指標(biāo)

窗口溫度指標(biāo)的計(jì)算是進(jìn)一步對(duì)窗口的熱穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)的前提條件,是窗口熱設(shè)計(jì)和熱控是否滿足要求的判別標(biāo)準(zhǔn)[1].

窗口徑向溫度水平的變化應(yīng)小于1°C,考慮到隨時(shí)間的變化,涂層開始退化使得αs/εh比逐漸減小,本文將溫度變化范圍設(shè)定為(21±0.5)°C左右;窗口的軸向溫度變化為≤4°C;衛(wèi)星的運(yùn)行周期大約為90m in,地影時(shí)間大約為20m in,地影結(jié)束后,到工作狀態(tài)最多的恢復(fù)時(shí)間為20m in.

3.2 光學(xué)窗口穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果

3.2.1 徑向溫度分布

為了便于直觀地了解窗口徑向溫度分布,我們按照邊緣到中心再到邊緣的順序依次取了9個(gè)探測點(diǎn)[2,6],如圖7.

將上文所述的空間熱載荷導(dǎo)入到SolidWorks模擬仿真中,得到窗口穩(wěn)態(tài)溫度分布云圖以及探測點(diǎn)溫度分布,如圖8、圖9及表2.

根據(jù)窗口正面探測結(jié)果得出正面存在溫度梯度,平均溫度為21.18°C,溫度均方根為21.185°C,最高溫度為中心溫度21.61°C,最低溫度為邊緣溫度20.69°C,徑向溫差為0.92°C＜1°C,滿足徑向溫度指標(biāo).

圖7 徑向探測點(diǎn)分布Fig.7 D istribu tion o f the rad ia l p robes

圖8 穩(wěn)態(tài)徑向溫度分布Fig.8 The rad ia l tem p eratu re d istribu tion o f steady state

表2 徑向各探測點(diǎn)溫度Tab le 2 Tem p eratu res o f the rad ia l p robes

圖9 徑向探測點(diǎn)溫度分布Fig.9 The tem p eratu re d istribu tion of rad ia l p robes

3.2.2 軸向溫度分布

為了便于直觀地了解窗口軸向溫度分布,我們按照正面到中心再到反面的順序依次取了5個(gè)探測點(diǎn),如圖10.

圖10 軸向探測點(diǎn)分布Fig.10 D istribu tion o f the ax ia l p robes

得到窗口徑向溫度分布云圖以及探測點(diǎn)溫度分布,如圖11、圖12及表3.

表3 軸向各探測點(diǎn)溫度Tab le 3 Tem peratu res o f the ax ia l p robes

根據(jù)窗口軸向探測結(jié)果得出溫度沿光軸方向存在溫度梯度,平均溫度為23.22°C,溫度均方根為23.242°C,最高溫度為第1塊玻璃中心溫度24.11°C,最低溫度為第3塊玻璃中心溫度21.61°C,軸向溫差為2.5°C＜4°C,滿足軸向溫度指標(biāo).

圖11 穩(wěn)態(tài)軸向溫度分布Fig.11 The axial tem peratu re distribu tion of steady state

圖12 軸向探測點(diǎn)溫度分布Fig.12 The tem p eratu re d istribu tion o f ax ial p robes

3.3 地影無加熱穩(wěn)態(tài)-地影-穩(wěn)態(tài)仿真

入射窗整個(gè)運(yùn)行周期為90m in,其中第1時(shí)間段為穩(wěn)態(tài)時(shí)間30m in;第2時(shí)間段為20m in地影時(shí)間,并且地影期間對(duì)窗口玻璃無任何加熱形式(下文所述有無加熱僅僅針對(duì)窗口玻璃而言);第3時(shí)間段為進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)間直到一個(gè)周期結(jié)束.因?yàn)閺姆€(wěn)態(tài)溫度分布圖我們可以看出,溫度在周向呈軸對(duì)稱分布,所以我們只選取了探測點(diǎn)1–5進(jìn)行分析.瞬態(tài)分析60 s為一子步,總步長為90步.各探測點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線圖如圖13.

從圖13中我們可以看出,地影期間沒有加熱時(shí),先經(jīng)歷30m in穩(wěn)態(tài)時(shí)期,然后進(jìn)入地影,由于窗口玻璃沒有任何加熱形式,溫度開始降低,地影結(jié)束時(shí)溫度最低;出地影時(shí)溫度開始逐漸升高.然而由于鏡子本身的導(dǎo)熱率較低,致使周期結(jié)束時(shí)溫度距離穩(wěn)態(tài)溫度還有很大差距.

各探測點(diǎn)變化趨勢一致,為了方便介紹,我們以探測點(diǎn)5為例.最低溫度在節(jié)點(diǎn)50處出現(xiàn).地影期間沒有加熱源,但是窗口還要不斷地向周圍進(jìn)行熱輻射,最終導(dǎo)致地影時(shí)間結(jié)束時(shí)出現(xiàn)最低溫度8.7°C,和穩(wěn)態(tài)的平均溫差為12.3°C;最高溫度都在節(jié)點(diǎn)90處出現(xiàn),地影結(jié)束后,開始接受太陽熱輻射,溫度開始上升,到周期結(jié)束時(shí)和穩(wěn)態(tài)的平均溫差為5.5°C.

穩(wěn)態(tài)時(shí),入射窗中心溫度最高,向周邊溫度依次降低;地影結(jié)束后,由于入射窗周邊有低發(fā)射率的涂層,因此周邊的溫度會(huì)暫時(shí)高于中心溫度,當(dāng)足夠長時(shí)間的日光照射時(shí),中心溫度將會(huì)高于周邊溫度.

圖13 無加熱時(shí)各探測點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化圖Fig.13 The cu rve of tem perature-tim e of each p robe w ithou Theating

上述分析表明,地影期間不加熱時(shí),周期結(jié)束時(shí)窗口還沒有達(dá)到穩(wěn)態(tài),因此,有必要對(duì)地影期間進(jìn)行熱設(shè)計(jì).但是,要在短時(shí)間內(nèi)對(duì)一組導(dǎo)熱率較低的窗口玻璃進(jìn)行較大幅度的升溫,確實(shí)存在一定難度.

3.4 地影有加熱穩(wěn)態(tài)-地影-穩(wěn)態(tài)仿真

上小節(jié)中,地影期間沒有對(duì)窗口進(jìn)行加熱.這小節(jié)中,我們將對(duì)窗口進(jìn)行體加熱.地影20m in有加熱時(shí),溫度隨時(shí)間變化曲線圖如圖14.

圖14 有加熱時(shí)各探測點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化圖F ig.14 The cu rve o f tem p eratu re-tim e o f each p robe w ith heating

從上圖中,我們可以看出地影期間對(duì)窗口玻璃加熱時(shí),先經(jīng)歷30m in穩(wěn)態(tài)時(shí)期,然后進(jìn)入地影,同時(shí)開始加熱(加熱功率見圖15,分別為4.31W、12.94W、13.37W).由于高功率的加熱,溫度開始升高,接著停止對(duì)窗口玻璃的加熱,其溫度開始降低,然后再次開啟加熱,窗口玻璃出地影后溫度很快接近穩(wěn)態(tài)溫度.由溫度圖我們可以看出在節(jié)點(diǎn)60處以后窗口進(jìn)入穩(wěn)態(tài),即在出地影后600 s內(nèi)進(jìn)入穩(wěn)態(tài),比指標(biāo)縮短了一半的時(shí)間,完全滿足了預(yù)定指標(biāo),可見加熱效果顯著.

圖15 加熱功率曲線圖Fig.15 The figu re o f heating pow er

為了進(jìn)一步直觀地觀察加熱的效果,我們將探測點(diǎn)5的加熱和不加熱兩種情況進(jìn)行對(duì)比,如圖16.

圖16 探測點(diǎn)5加熱和不加熱對(duì)比圖F ig.16 The com parison figu re o f p robe5 w ith heating and w ithou Theating

4 結(jié)論

本文對(duì)窗口進(jìn)行熱設(shè)計(jì)模型建立,分析了其外在的空間熱載荷以及熱平衡條件,得到圖8、圖11所示的溫度分布.結(jié)果表明穩(wěn)態(tài)時(shí),通過所采取的被動(dòng)熱控措施,窗口溫度分布滿足徑向、軸向溫度指標(biāo);地影期間不加熱時(shí),出地影后不能迅速進(jìn)入到穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài),并存在較大平均溫差,如圖13所示;我們采用主、被動(dòng)熱控措施結(jié)合,在地影期間對(duì)窗口進(jìn)行加熱,并得到合適的加熱方式.圖14表明窗口出地影后迅速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài),達(dá)到了預(yù)定恢復(fù)時(shí)間的指標(biāo),取得了較好的熱控效果,提高了空間太陽望遠(yuǎn)鏡的工作效率.

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[5]薛豐廷,湯心溢.紅外技術(shù),2008,30:36

[6]閔桂榮.衛(wèi)星熱控制技術(shù).北京:宇航出版社,1991:34-35

A n in-orb it Therm al Design o f Op tical W indow in Space Solar Telescope

ZHU Ran1,2,3ZHANG Hai-ying1,2

(1 Na tiona l A stronom ica l O bserva to ries/Nan jing In stitu te o f A stronom ica l O p tics&Techno logy, Chinese Academ y o f Scien ces,Nan jing 210042) (2 K ey Labo ra to ry o f A stronom ica l O p tics&Techno logy,Nan jing In stitu te o f A stronom ica l O p tics& Techno logy,Chinese A cadem y o f Scien ces,Nan jing 210042) (3 Un iversity o f Chinese A cadem y o f Scien ces,Beijing 100049)

The complex space environment w ill influence the space solar telescope during its in-orbit operation,and the imaging quality of optical system which behind the telescopew illbe affected directly by the temperature change of the opticalw indow. The purpose of the therm al design is to ensure that all the parts of the op ticalw indow keep their tem perature in a normal range,what ismore,is able to keep the telescope in the working condition rapid ly and com p lete the operation of the whole cycle after the earth shadow is ended.In order to obtain the temperature distribution and the variation tendency of the w indow under the space therm al load in the whole cycle, steady state simulation analysis and transient state simulation analysis of the w indow w ith and w ithouTheating during the earth shadow are needed.A good thermal control result is obtained via comparing the two kinds of transient state simulation analysis results of the temperature distribution,and the appropriate thermal controlmeasures are app lied to the w indow.

telescopes,opticalw indow,eclipses,techniques:thermal design,methods: contrastive analysis

P111;

A

10.15940/j.cnki.0001-5245.2016.05.009

2016-01-22收到原稿,2016-04-15收到修改稿

?國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11473052)、中國科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)(XDA 04061000)資助

?rzhu@niaot.ac.cn