張　帆，李景林，孫　斌，張　軍，王書新

(中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033)

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非對(duì)稱空間光學(xué)遙感器主動(dòng)熱控系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)

張帆*，李景林，孫斌，張軍，王書新

(中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033)

摘要：針對(duì)大口徑、離軸、非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的空間光學(xué)遙感器主動(dòng)熱控功率最小分配的難題，提出一種基于多目標(biāo)遺傳算法的功率優(yōu)化方法。首先根據(jù)空間相機(jī)結(jié)構(gòu)建立有限元模型。然后，憑借設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)相機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及大致熱分布規(guī)律，初步劃分熱控區(qū)域，規(guī)劃設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)變量。之后，將設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)變量代入多目標(biāo)遺傳算法求出Pareto最優(yōu)解集。最后，在最優(yōu)解集中選出合適的功率分配代入到仿真模型中進(jìn)行計(jì)算，得到優(yōu)化后的功率分配及溫度場(chǎng)。對(duì)某離軸三反空間相機(jī)進(jìn)行了功率優(yōu)化和地面熱平衡試驗(yàn)。經(jīng)TMG仿真計(jì)算，優(yōu)化后整機(jī)波動(dòng)范圍在低溫工況和高溫工況分別降低了4.76%和35.7%，并且總功耗降低了6.85%。經(jīng)地面熱平衡試驗(yàn)表明，整機(jī)溫度場(chǎng)溫差控制在±0.5 ℃以內(nèi)，滿足±2℃的指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞:遙感器；熱設(shè)計(jì)；多目標(biāo)遺傳算法

1引言

隨著空間光學(xué)遙感器技術(shù)的不斷發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)遙感器體積小、重量輕、大視場(chǎng)、高分辨力的特點(diǎn)，非對(duì)稱離軸光學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)成為空間光學(xué)遙感器的重要發(fā)展趨勢(shì)[1]。同軸光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是圓周對(duì)稱，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工裝調(diào)和空間熱控等各方面難度小，缺點(diǎn)是視場(chǎng)小，難以實(shí)現(xiàn)寬覆蓋高分辨成像的要求。而隨著人們對(duì)信息資源的要求越來(lái)越高，我國(guó)開始研制非對(duì)稱離軸光學(xué)系統(tǒng)的遙感技術(shù)，這種光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨力與寬覆蓋的要求，但非圓對(duì)稱的離軸系統(tǒng)對(duì)加工、檢測(cè)、裝校都帶來(lái)相當(dāng)大的困難。同樣，為了形成寬視場(chǎng)非圓周對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，必須采用長(zhǎng)條狀反射鏡[2]。長(zhǎng)條反射鏡和非圓周對(duì)稱的光學(xué)系統(tǒng)對(duì)溫度變化產(chǎn)生的熱變形不能像同軸光學(xué)系統(tǒng)一樣通過調(diào)整焦距得到補(bǔ)償，所以非對(duì)稱光學(xué)系統(tǒng)對(duì)溫度變化要比對(duì)稱結(jié)構(gòu)同軸光學(xué)系統(tǒng)敏感得多。采用分區(qū)域多點(diǎn)熱控的方法，將遙感器分成若干個(gè)熱控區(qū)域分別控制，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度和溫差同時(shí)控制的要求，并且能夠得到比較均勻的溫度分布。但是由于各區(qū)域之間并不是獨(dú)立存在的，是相互影響、相互制約的關(guān)系，而且衛(wèi)星上電能稀缺，如何在功率最少的情況下，進(jìn)行合理的功率分配成為熱設(shè)計(jì)的難題。

本文結(jié)合中科院長(zhǎng)春光機(jī)所預(yù)研的高分辨率寬幅相機(jī)的設(shè)計(jì)工作，借鑒國(guó)內(nèi)外空間光學(xué)遙感領(lǐng)域最新研究成果，運(yùn)用CAD/CAE等先進(jìn)手段，將空間遙感器主動(dòng)熱控設(shè)計(jì)與多目標(biāo)遺傳算法相結(jié)合，提出了解決高分辨率空間寬幅相機(jī)熱擾動(dòng)問題的熱控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

2功率優(yōu)化算法

2.1遺傳算法

遺傳算法(Genetic Algorithms)是一種借鑒生物界自然選擇和自然遺傳機(jī)制的高度并行且具有自適應(yīng)性的搜索算法。最初由美國(guó)學(xué)者John Holland[3]創(chuàng)建，到了20世紀(jì)80年代，遺傳算法逐步走向成熟，并開始應(yīng)用到人工智能和工業(yè)系統(tǒng)中，且表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景[4-5]。

工程中的優(yōu)化問題往往比較復(fù)雜，多學(xué)科交織，其目標(biāo)函數(shù)可能是多峰、非線性、不連續(xù)函數(shù)；設(shè)計(jì)變量和約束函數(shù)也可能是線性、非線性、連續(xù)或離散變量的集。傳統(tǒng)的梯度優(yōu)化和直接搜索算法很難找到全局優(yōu)化的解，而遺傳算法為解決這類復(fù)雜的優(yōu)化問題提供了新的思路和手段。

2.2多目標(biāo)遺傳算法

如果一個(gè)最優(yōu)化問題存在多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)時(shí)，我們便稱之為多目標(biāo)優(yōu)化問題。針對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化問題的遺傳算法稱之為多目標(biāo)遺傳算法[6]。

傳統(tǒng)的遺傳算法是將各個(gè)目標(biāo)函數(shù)乘以加權(quán)因子后，轉(zhuǎn)為單目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。這樣減少了目標(biāo)函數(shù)的個(gè)數(shù)，但是卻增加了加權(quán)因子。加權(quán)因子確定過程的準(zhǔn)確性，直接影響優(yōu)化的結(jié)果，而且非常敏感。另外，即使加權(quán)因子能夠準(zhǔn)確給出，也存在著多個(gè)目標(biāo)函數(shù)無(wú)法比較或者相互沖突的現(xiàn)象，優(yōu)化得到的結(jié)果不一定能夠使得所有目標(biāo)函數(shù)都能夠達(dá)到最優(yōu)[7]。而多目標(biāo)遺傳算法的出現(xiàn)，解決了這個(gè)問題。

圖1　多目標(biāo)遺傳算法框圖 Fig.1　Diagram of multi-objective genetic algorithm

圖1給出了多目標(biāo)遺傳算法的基本流程。多目標(biāo)遺傳算法引入Pareto解集的概念[8]。Pareto解集中的目標(biāo)是相互制約、相互影響的，一個(gè)目標(biāo)性能的改善是以另一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)性能的降低為代價(jià)的。一般來(lái)說(shuō)，無(wú)法使Pareto解集中的多個(gè)目標(biāo)同時(shí)達(dá)到最優(yōu)，只能在折中和讓步后，得到Pareto最優(yōu)解。

3熱設(shè)計(jì)過程與模型建立

3.1熱設(shè)計(jì)的基本原則

空間相機(jī)熱設(shè)計(jì)的本質(zhì)是通過控制相機(jī)在軌內(nèi)外熱交換過程來(lái)保證空間相機(jī)工作在允許的溫度范圍內(nèi)?？臻g相機(jī)的熱設(shè)計(jì)需要根據(jù)飛行任務(wù)的需求，綜合考慮光、機(jī)、電、熱，結(jié)合相機(jī)工作的光機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、熱光學(xué)要求、熱環(huán)境特性，采用相關(guān)熱設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，保證航天相機(jī)整個(gè)生命周期內(nèi)整機(jī)溫度分布不超過規(guī)定的范圍，并且具有可靠性高、功耗低的特點(diǎn)。因此熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般采用以下原則[9-10]：

(1)優(yōu)先采用被動(dòng)熱控技術(shù)，如隔熱、導(dǎo)熱、涂層、散熱面等；

(2)采用必要的主動(dòng)熱控技術(shù)，如電加熱薄膜及其PID閉環(huán)溫度控制；

(3)充分借鑒國(guó)內(nèi)外成熟的熱控技術(shù)和實(shí)施工藝；

(4)采用適當(dāng)?shù)娜哂嗪徒殿~設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的可靠性。

在滿足可靠性要求基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的質(zhì)量和功耗盡量小。

3.2建立遙感器熱設(shè)計(jì)模型

對(duì)于本文涉及的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)空間光學(xué)遙感器，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了形成寬視場(chǎng)，其反射鏡必須做成長(zhǎng)條形，這樣的反射鏡結(jié)構(gòu)對(duì)溫度變化非常敏感，鏡面變形無(wú)法通過調(diào)整焦距進(jìn)行補(bǔ)償，這給熱控設(shè)計(jì)提出了更高的要求。另外，由于大視場(chǎng)的要求，在整個(gè)遙感器上需要一個(gè)很寬的通光窗口，在遙感器上便形成一個(gè)很大的直接對(duì)外的窗口，這給熱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的難度，而且整個(gè)系統(tǒng)的非圓周對(duì)稱性，容易造成溫度的不均勻，在結(jié)構(gòu)上的不對(duì)稱性，要求整個(gè)系統(tǒng)的溫差更小，否則，更容易造成光學(xué)元件的傾斜、位移以及鏡體變形。所以，TMA非對(duì)稱結(jié)構(gòu)光學(xué)遙感器的熱設(shè)計(jì)比同軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)更加困難[11-12]。

圖2　某非對(duì)稱結(jié)構(gòu)空間光學(xué)遙感器熱控區(qū)域分布圖 Fig.2　Thermal control area distribution of a space optical remote with non-symmetrical structure

針對(duì)以上問題，本文根據(jù)某離軸三反(TMA)空間光學(xué)遙感器實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮采用分區(qū)域多點(diǎn)熱控的方法，希望能夠?qū)崿F(xiàn)分區(qū)域獨(dú)立加熱控制，各區(qū)目標(biāo)溫度能夠分別設(shè)置，各區(qū)控制參數(shù)可分別設(shè)定，實(shí)現(xiàn)溫度和溫差同時(shí)控制的要求。將整機(jī)分為18個(gè)熱控區(qū)域，各熱控區(qū)域的輸入功率可單獨(dú)控制，具體分區(qū)見圖2，區(qū)域代號(hào)見表1，采用這種方法既便于研制階段的修改和試驗(yàn)，又能夠更有效地得到更均勻的溫度分布。但帶來(lái)的問題是，由于區(qū)域數(shù)目多，一個(gè)區(qū)域的溫度變化也會(huì)對(duì)其它區(qū)域產(chǎn)生影響，加之節(jié)約衛(wèi)星電能與熱控溫度分布均勻之間的矛盾，給衛(wèi)星熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了更大的難度。通常的設(shè)計(jì)流程是設(shè)計(jì)—驗(yàn)證—再設(shè)計(jì)—再驗(yàn)證……的流程，首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給各熱控區(qū)域功率設(shè)定一個(gè)初值，然后進(jìn)行熱分析，看是否滿足熱控指標(biāo)的要求，如果不滿足，根據(jù)溫度場(chǎng)分布再對(duì)各熱控區(qū)的功率域進(jìn)行調(diào)整，然后再驗(yàn)證，重復(fù)以上工作直到滿足熱控指標(biāo)要求為止，如圖3所示。

表1　相機(jī)熱控分區(qū)

圖3　常規(guī)主動(dòng)熱控設(shè)計(jì)流程 Fig.3　Framework of common active thermal control design

采用圖3的設(shè)計(jì)方法對(duì)相機(jī)進(jìn)行了熱控功率的分配，找到了一組滿足熱控指標(biāo)的結(jié)果見表2，溫度場(chǎng)分布見圖4。從結(jié)果可以看出，低溫工況溫度為18.8 ℃～21.5 ℃，高溫工況溫度為19.1 ℃～21.9 ℃，滿足熱控指標(biāo)要求，熱控總功率為130 W。

表2　常規(guī)方法分區(qū)熱控功率分配

圖4　穩(wěn)態(tài)溫度分布 Fig.4　Steady-state temperature distribution

根據(jù)常規(guī)的設(shè)計(jì)流程，能夠完成相機(jī)的主動(dòng)熱控設(shè)計(jì)，但這種設(shè)計(jì)方法對(duì)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)依賴性較強(qiáng)，經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)人員可以短期內(nèi)就能設(shè)計(jì)出滿足熱控指標(biāo)的功率分布，如果經(jīng)驗(yàn)不足的設(shè)計(jì)人員，可能會(huì)花費(fèi)很長(zhǎng)的設(shè)計(jì)時(shí)間，甚至根本無(wú)法找到合理的功率分布。但由于衛(wèi)星上的能量來(lái)源主要靠太陽(yáng)帆板，總功率值有限，分配到主動(dòng)熱控的功率就非常稀缺，因此設(shè)計(jì)的主動(dòng)熱控總功率在滿足熱控指標(biāo)的前提下越少越好，所以就算是有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員，設(shè)計(jì)出滿足熱控指標(biāo)的功率分布，也不一定是最優(yōu)解。雖然對(duì)熱控區(qū)域進(jìn)行了分區(qū)熱控，但各熱控區(qū)域之間也并不是獨(dú)立存在的，區(qū)域和區(qū)域之間存在著相互影響、相互制約的關(guān)系。分析區(qū)域和區(qū)域之間的函數(shù)關(guān)系以及各區(qū)域之間的功率變化對(duì)某一反射鏡靈敏度的關(guān)系，對(duì)更好地進(jìn)行遙感器熱控設(shè)計(jì)具有很大的指導(dǎo)意義。針對(duì)這種情況本文采用一種多目標(biāo)算法來(lái)解決這種問題。

4對(duì)某航天相機(jī)的功率優(yōu)化

4.1平臺(tái)的選擇

本文選擇Isight4.0軟件集成Ideas6.1作為優(yōu)化平臺(tái)。Isight4.0由賽特達(dá)(SIGHTNA)公司開發(fā)，始創(chuàng)于2002年，致力于中國(guó)制造企業(yè)數(shù)字化和信息化。賽特達(dá)最早將數(shù)字化工業(yè)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)Isight引入中國(guó)，為廣大客戶提供“系統(tǒng)整合，流程統(tǒng)一，參數(shù)優(yōu)化，協(xié)同設(shè)計(jì)”的完全解決方案。Isight軟件具有靈活而方便的多學(xué)科流程集成能力，全面而強(qiáng)大的設(shè)計(jì)優(yōu)化算法庫(kù)，仿真優(yōu)化模型及數(shù)據(jù)管理能力，監(jiān)控、后處理和數(shù)據(jù)挖掘能力，高可擴(kuò)展性和開放性，分布并行高性能計(jì)算能力，跨平臺(tái)能力，高可靠性等特點(diǎn)。獲得了國(guó)內(nèi)航空、航天、船舶、汽車、電子、兵器等部門的認(rèn)可[13]。

4.2優(yōu)化問題的解析

4.2.1設(shè)計(jì)變量

根據(jù)3.2節(jié)相機(jī)穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果，建立優(yōu)化模型，將主動(dòng)熱控中輸入功率值作為設(shè)計(jì)變量，為了減少設(shè)計(jì)變量的數(shù)量降低運(yùn)算時(shí)間，將表2中H9～H12遮光罩整合為一個(gè)變量H9，去掉焦面H8和電箱H18，設(shè)計(jì)變量見表3。

表3　設(shè)計(jì)變量編號(hào)及位置

4.2.2目標(biāo)變量

選取模型中一些關(guān)鍵位置的節(jié)點(diǎn)作為目標(biāo)變量，見表4。

表4　目標(biāo)變量編號(hào)及位置

4.2.3約束

限制設(shè)計(jì)變量在一定范圍內(nèi)，范圍越大，計(jì)算時(shí)間越長(zhǎng)。約束見表5。

表5　設(shè)計(jì)變量的約束

圖5　多目標(biāo)優(yōu)化循環(huán)結(jié)構(gòu) Fig.5　Loop structure of multi-objective optimization

4.2.4軟件的集成

本文使用Isight4.0軟件，集成NX-Ideas V6.1解算器，采用NSGA-II算法進(jìn)行優(yōu)化，種群數(shù)目為12，遺傳20代，交叉概率0.9，交叉分布指數(shù)10，變異分布指數(shù)20，初始化方法隨機(jī)。一共計(jì)算241個(gè)循環(huán)，其循環(huán)結(jié)構(gòu)見圖5。

4.3優(yōu)化結(jié)果分析

4.3.1優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)72 h的運(yùn)算，其結(jié)果如圖6。其中黑色線條的為Pareto值，即從全局角度考慮的可行優(yōu)化結(jié)果。

圖6　運(yùn)算結(jié)果中的Pareto解集 Fig.6　Pareto set in calculation results

4.3.2優(yōu)化后結(jié)果TMG仿真

4.3.2.1低溫工況

低溫工況為相機(jī)壽命的早期，假定衛(wèi)星于夏至?xí)r間發(fā)射，其太陽(yáng)常數(shù)為1 309 W/m2，與衛(wèi)星本體連接的熱接口界面溫度按照0 ℃考慮，相機(jī)不工作，熱控加電狀況。選圖6中的一條黑線作為優(yōu)化結(jié)果，經(jīng)過整理后，優(yōu)化結(jié)果見表6，利用軌道熱分析軟件TMG進(jìn)行低溫工況熱分析，穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果和主鏡某點(diǎn)瞬態(tài)分析結(jié)果見圖7。從結(jié)果中可以看出優(yōu)化后低溫工況下相機(jī)溫度水平在18.8 ℃～20.8 ℃。

表6　整理后的優(yōu)化結(jié)果

圖7　優(yōu)化后低溫工況溫度分布 Fig.7　Cryogenic temperature distribution after optimization

4.3.2.2高溫工況

高溫工況為相機(jī)使用壽命的末期，假定衛(wèi)星于冬至?xí)r間發(fā)射，其太陽(yáng)常數(shù)為1 399 W/m2，與衛(wèi)星本體連接的熱接口界面溫度按照20 ℃考慮，相機(jī)工作，熱控加電，相機(jī)外部表面熱控涂層參數(shù)(α/ε)退化。穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果和主鏡某點(diǎn)瞬態(tài)分析結(jié)果見圖8所示。從結(jié)果可以看出，相機(jī)溫度水平在19.1 ℃～20.9 ℃。

圖8　優(yōu)化后高溫工況溫度分布 Fig.8　Temperature distribution under high temperature conditions after optimization

名稱優(yōu)化前/℃優(yōu)化后/℃優(yōu)化率/%低溫工況高溫工況低溫工況高溫工況低溫工況高溫工況主鏡18.8～19.519.0～19.918.8～19.419.0～19.614.333.3次鏡18.8～19.020.0～20.118.8～19.020.0～20.100三鏡20.7～20.920.4～20.720.7～20.820.4～20.65033.3折疊鏡19.7～20.120.3～20.419.8～20.120.3～20.4250整機(jī)18.8～20.919.1～21.918.8～20.819.1～20.94.7635.7總功耗130W121.1W6.85%

5試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)?zāi)康脑谟隍?yàn)證熱設(shè)計(jì)的正確性，考核熱控分系統(tǒng)的能力；獲取整機(jī)溫度數(shù)據(jù)，修正熱分析數(shù)學(xué)模型[14]。

5.1試驗(yàn)裝置與環(huán)境

采用地面熱平衡試驗(yàn)，驗(yàn)證裝置采用4 m真空罐模擬太空環(huán)境，如圖9。采用紅外加熱籠模擬外熱流，采用電加熱膜模擬星平臺(tái)和載荷艙。試驗(yàn)真空度優(yōu)于1.3×10-3Pa，罐內(nèi)熱沉溫度低于-173.15 ℃。試驗(yàn)分為4個(gè)工況，分別為低溫20 ℃工況、低溫24 ℃工況、高溫16 ℃工況和高溫20 ℃，分別考驗(yàn)在太陽(yáng)常數(shù)變化和熱控涂層老化等因素影響下，相機(jī)溫度的平衡能力[15]。

圖9　熱平衡試驗(yàn)裝置 Fig.9　Thermal balance testing device

5.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

低溫工況是將外熱流設(shè)為最小值，與衛(wèi)星平臺(tái)的接口溫度設(shè)為低溫，熱控系統(tǒng)目標(biāo)溫度分別設(shè)為20 ℃和24 ℃?？简?yàn)相機(jī)在趨于低溫的條件下，維持20 ℃和24 ℃工作的能力。如果能夠維持24 ℃工作，對(duì)維持20 ℃工作就具備一定余量。

反之，高溫工況是將外熱流設(shè)為最大值，與星平臺(tái)的接口溫度設(shè)為高溫，熱控系統(tǒng)目標(biāo)溫度設(shè)為16 ℃和20 ℃，考驗(yàn)相機(jī)在趨于低溫的條件下，維持16 ℃和20 ℃工作的能力。

圖10給出了低溫24 ℃工況溫度曲線，圖11為高溫16 ℃工況溫度曲線。從曲線中可以看出，除焦平面和電子學(xué)單機(jī)未采用熱控措施外，其他區(qū)域溫度能夠控制在±0.5 ℃以內(nèi)，滿足±2 ℃的熱控指標(biāo)要求，熱設(shè)計(jì)合理。

圖10　低溫24 ℃工況溫度曲線 Fig.10　Cryogenic temperature curves at 24 ℃

圖11　高溫16 ℃工況溫度曲線 Fig.11　Temperature curves of high temperature conditions at 16 ℃

6結(jié)論

本文首次采用多目標(biāo)遺傳算法對(duì)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)光學(xué)遙感器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比見表7。從對(duì)比結(jié)果中可以看出，利用多目標(biāo)優(yōu)化算法對(duì)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)空間光學(xué)遙感器熱設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化是成功的，其中主鏡溫差在低溫工況和高溫工況下分別降低了14.3%和33.3%，三鏡降低了50%和33.3%，折疊鏡降低了25%和0%，整機(jī)溫差降低了4.76%和35.7%，并且所消耗的總功率降低了8.9 W。該結(jié)果對(duì)遙感器的熱設(shè)計(jì)具有一定意義。

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收稿日期:2016-03-14；

修訂日期:2016-04-28

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(No.863-2-5-1-13B)

文章編號(hào)2095-1531(2016)04-0463-09

中圖分類號(hào)：TP394.1； TH691.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

doi:10.3788/CO.20160904.0463

作者簡(jiǎn)介：

張　帆(1979—)，男，遼寧錦州人，博士，助理研究員,2003年于寧波大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2008年、2011年于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所分別獲得碩士、博士學(xué)位，主要從事空間相機(jī)光機(jī)結(jié)構(gòu)、熱設(shè)計(jì)及仿真分析方面的研究。E-mail:zhangfan@ciomp.ac.cn

Design of asymmetric space optical remote sensor active thermal control system by multi-objective optimization

ZHANG Fan*, LI Jing-lin, SUN Bin, ZHANG Jun, WANG Shu-xin

(ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China)*Correspondingauthor,E-mail:zhangfan@ciomp.ac.cn

Abstract:As for active thermal control problem of minimum power allocation in space optical remote sensor with large diameter, off-axis, symmetric structure, a power optimization method based on multi objective genetic algorithm is proposed in this paper. First of all, according to the spatial structure of the camera a finite element model is created. The next, heat distribution is divided by the experience of the designer's depending on the camera structural characteristics. Design variables and target variables are selected. Then, we plug the design variables and target variables into the multiple objective genetic algorithm and Pareto sets are obtained. Finally, suitable power allocation is selected from the set of optimal solution and substituted into the simulation model. Then the optimization of power distribution and temperature field are obtained. In this paper an off-axis three mirrors space camera is optimized and tested. After optimization and TMG simulation, the total temperature difference is reduced by 4.76% under low temperature condition and 35.7% under high temperature condition. The result of the heat balance shows that the temperature field of the whole camera is controlled within ±0.5 ℃ or less, which is far less than the target requirements of ±2 ℃.

Key words:remote sensor;thermal design;multi-objective genetic algorithm

Supported by National High-tech R&D Program of China(No.863-2-5-1-13B)