孫 鵬，魏 然，趙 欣，江 海

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部 空間熱控技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

0 引言

星敏感器在航天器的姿態(tài)測量和控制系統(tǒng)中起著重要的作用，是十分精密的姿態(tài)測量部件。其定姿精度及重復(fù)精度直接決定衛(wèi)星地面觀測區(qū)域的準(zhǔn)確性及長時(shí)間觀測的連續(xù)性。星敏感器在軌測量時(shí)的主要誤差源是溫度變化引起的熱變形，對于高分辨率的空間光學(xué)遙感衛(wèi)星，其星敏感器組件的溫度設(shè)計(jì)指標(biāo)范圍較窄，一般為基準(zhǔn)溫度±2 ℃，甚至±1 ℃[1-3]。

分體式主動(dòng)像元星敏感器（active pixel sensor,APS）在軌測量精度高，在衛(wèi)星中的應(yīng)用越來越多。對于很多衛(wèi)星尤其是小衛(wèi)星而言，星敏感器的熱設(shè)計(jì)需要以較少資源實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜外熱流變化情況下的高溫度穩(wěn)定度[4-5]。本文以某太陽同步軌道衛(wèi)星為例，針對T±2 ℃的高溫度穩(wěn)定度控溫要求，對3臺(tái)分體式APS集中布局的情況采用常規(guī)熱控措施進(jìn)行熱控設(shè)計(jì)，并給出熱分析計(jì)算和在軌驗(yàn)證結(jié)果。

1 星敏感器熱控設(shè)計(jì)原理

1.1 星敏感器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

分體式APS由探頭和數(shù)據(jù)處理線路盒2部分組成（見圖1）。其中線路盒安裝在航天器艙內(nèi)，故在熱控設(shè)計(jì)中，將探頭和線路盒分開考慮[6]。

圖1 分體式APS外形Fig.1 Configuration of separated type APS

目前，針對分體式APS的控溫需求一般為基準(zhǔn)溫度±2 ℃，下文將分別針對2種不同的安裝法蘭控溫需求，結(jié)合具體案例進(jìn)行熱控設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

1.2 星敏感器空間熱環(huán)境特點(diǎn)

以軌道高度645 km、降交點(diǎn)地方時(shí)為10:30AM的某太陽同步軌道衛(wèi)星為例，其星敏感器通過支架安裝在航天器外表面。由于星敏感器需要對空間目標(biāo)成像，為減小地球視場的干擾，其最佳安裝位置為航天器的對天面。對天面一般不受地球紅外熱流的影響，但受太陽光的周期性直接照射影響——太陽光可以直接照射到星敏感器法蘭和遮光罩外表面，甚至距離安裝法蘭較遠(yuǎn)的遮光罩內(nèi)表面也會(huì)受到陽光照射。

圖2為安裝在某航天器對天面?zhèn)劝迳系男敲舾衅髡诠庹謨?nèi)部于2月9日接收的太陽輻照功率，3個(gè)星敏感器遮光罩內(nèi)部接收到的太陽輻照功率平均值分別為1.7、3.7、4.2 W。分體式APS功耗較小，制冷器不開啟時(shí)約為1 W；而星敏感器在軌長期工作時(shí)，制冷器一般不會(huì)開啟。由圖2可見該星敏感器所處的空間熱流環(huán)境惡劣，同時(shí)其內(nèi)部構(gòu)型復(fù)雜、熱耗集中，給熱控設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)帶來困難。

圖2 某太陽同步軌道衛(wèi)星星敏感器遮光罩內(nèi)部接收的太陽輻照功率Fig.2 Received solar heat power in the lens hood for star sensor of an SSO satellite

1.3 星敏感器熱控設(shè)計(jì)途徑

星敏感器內(nèi)部熱耗通過傳導(dǎo)的方式傳輸至安裝法蘭，而安裝法蘭主要通過以下途徑向外散熱：

1）在法蘭表面噴涂熱控涂層或貼膜，依靠其自身輻射能力散熱。但法蘭面積有限，且受太陽直照影響大，難以將熱量散除。

2）安裝法蘭與遮光罩連接，遮光罩開口直接對外輻射能量，這部分為遮光罩的固定散熱能力；還可以在遮光罩外表面噴涂熱控涂層或貼膜，以降低遮光罩溫度，從而降低安裝法蘭的溫度。但遮光罩所接收的空間外熱流的變化幅度很大，因此，在對1個(gè)軌道周期內(nèi)星敏感器溫度變化范圍要求較窄的情況下，應(yīng)謹(jǐn)慎采用此方法。

3）安裝法蘭向后部電子學(xué)殼體導(dǎo)熱，再通過輻射的方式向外散熱。但電子學(xué)殼體受支架遮擋，對外界空間的視角系數(shù)比較小，對星體的視角系數(shù)比較大，因此散熱能力非常有限。

4）安裝法蘭向支架傳熱，再通過支架向星體導(dǎo)熱或由支架直接輻射散熱。當(dāng)支架材料為導(dǎo)熱性能較好的鋁合金材料，且支架安裝環(huán)境溫度控制得比較合適時(shí)，此種方法散熱能力較強(qiáng)；當(dāng)支架材料為導(dǎo)熱性能較差的鈦合金材料時(shí)，此種方法散熱能力非常有限。

5）直接在法蘭或支架上安裝熱管等高導(dǎo)熱性能產(chǎn)品或材料，將熱量傳導(dǎo)至熱環(huán)境較好的獨(dú)立散熱面。此方法散熱能力強(qiáng)，但設(shè)計(jì)及實(shí)施的復(fù)雜性增加。

綜上，一般當(dāng)星敏感器支架為鋁合金材料時(shí)，通過整星合理設(shè)計(jì)為星敏感器提供良好的散熱邊界，即可解決星敏感器散熱問題；當(dāng)星敏感器支架為鈦合金等導(dǎo)熱性能差的材料且外熱流條件不是非常惡劣時(shí)，需要協(xié)同采用途徑1、2、3等多種方法來實(shí)現(xiàn)星敏感器的散熱；在星敏感器外熱流條件非常惡劣的情況下，途徑5是解決星敏感器散熱問題的較佳途徑。因此，在星敏感器的熱設(shè)計(jì)過程中，需要綜合考慮結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱能力、重量限制、資源需求及總裝可實(shí)現(xiàn)性等約束條件，合理選擇適合的散熱途徑。

2 星敏感器熱設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證

星敏感器熱設(shè)計(jì)的目標(biāo)是控制星敏感器安裝法蘭的溫度水平和穩(wěn)定度，而星敏感器法蘭的溫度水平和穩(wěn)定度主要受外熱流波動(dòng)和內(nèi)熱源影響，因此，在熱設(shè)計(jì)中需盡量降低星敏感器吸收的外熱流，同時(shí)設(shè)計(jì)合理的散熱途徑將所吸收外熱流和自身內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱量排散出去。此外，當(dāng)星敏感器處于軌道陰影區(qū)時(shí)，外熱流突降會(huì)加劇星敏感器法蘭的溫度波動(dòng)，需要設(shè)計(jì)合理的主動(dòng)控溫回路[7-11]。

下面，在1.3節(jié)基礎(chǔ)上，結(jié)合具體案例中2種不同的控溫需求，介紹分體式APS的熱設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法、熱分析結(jié)果及其在軌表現(xiàn)。

2.1 分體式 APS-I

星敏法蘭控溫需求：(20±2) ℃。

2.1.1 熱設(shè)計(jì)輸入

1）軌道參數(shù)

該星敏感器安裝于某太陽同步軌道衛(wèi)星，其軌道參數(shù)見表1。

表1 分體式 APS-I的衛(wèi)星軌道參數(shù)Table 1 Satellite orbit parameters of the separated APS-I

2）星敏感器布局

衛(wèi)星上的3臺(tái)星敏感器通過一體化支架安裝于星體-z面，具體安裝位置參見圖3。

圖3 分體式APS-I安裝位置示意Fig.3 Schematic diagram of the separated APS-I in assembly

3）溫度指標(biāo)要求

星敏感器的工作溫度指標(biāo)要求見表2。

表2 分體式 APS-I溫度指標(biāo)Table 2 Temperature requirement of the separated APS-I

2.1.2 熱設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

針對分體式APS安裝法蘭(20±2) ℃的控溫需求，在星敏感器的設(shè)計(jì)中利用1.3節(jié)介紹的熱控設(shè)計(jì)途徑2和4，分別以遮光罩和支架作為散熱面，具體實(shí)現(xiàn)方法如表3和圖4所示。

表3 分體式 APS-I組合件熱設(shè)計(jì)狀態(tài)Table 3 Schematic thermal design states of the separated APS-I

圖4 分體式APS-I的多層安裝及白漆噴涂位置示意Fig.4 Locations of MLIs and white paint outside the separated APS-I

鑒于星敏感器法蘭的控溫穩(wěn)定度要求較高，每個(gè)星敏感器均設(shè)計(jì)了一主一備控溫回路對安裝法蘭進(jìn)行主動(dòng)控溫，選用測溫精度為±0.1 ℃的熱敏電阻作為控溫器件，加熱回路為開關(guān)控制?？販卦O(shè)備A/D使用位數(shù)為9位，測控溫分辨率（分層值）為0.23 ℃，控溫區(qū)間設(shè)計(jì)為2個(gè)分層值（即約0.5 ℃）。主動(dòng)控溫回路如表4所示，星敏感器的Thermal Desktop熱分析計(jì)算結(jié)果見表5。

表4 分體式 APS-I主動(dòng)控溫回路Table 4 Active thermal control loop of the separated APS-I

表5 分體式 APS-I熱分析計(jì)算結(jié)果Table 5 Thermal analysis results of the separated APS-I

2.1.3 在軌驗(yàn)證情況

衛(wèi)星于2018年上半年成功發(fā)射，于入軌第2圈轉(zhuǎn)為對地姿態(tài)，至第4日12:48AM，已經(jīng)連續(xù)工作3天，整星溫度達(dá)到平衡。圖5為第4日星敏感器安裝法蘭在軌溫度實(shí)測數(shù)據(jù)，衛(wèi)星三軸對地姿態(tài)下星敏感器1～3法蘭在軌溫度控制在18.4～20.2 ℃之間，均滿足(20±2) ℃的溫度控制指標(biāo)要求，3臺(tái)星敏感器法蘭補(bǔ)償加熱回路的占空比均在75%左右。

圖5 分體式APS-I安裝法蘭在軌溫度曲線Fig.5 On-orbit temperatures of the flanges for the separated APS-I

2.2 分體式 APS-II

星敏法蘭控溫需求：(8±2) ℃。

2.2.1 熱設(shè)計(jì)輸入

1）軌道參數(shù)

該星敏感器安裝于某太陽同步軌道衛(wèi)星，其軌道參數(shù)見表6。

表6 分體式 APS-II的衛(wèi)星軌道參數(shù)Table 6 Satellite orbit parameters of the separated APS-II

2）星敏感器布局

衛(wèi)星上的3臺(tái)星敏感器通過一體化支架安裝于星體-z面，具體安裝位置參見圖6。

圖6 分體式APS-II安裝位置示意Fig.6 Schematic diagram of the separated APS-II in assembly

3）溫度指標(biāo)要求

星敏感器的工作溫度指標(biāo)要求見表7。

表7 分體式 APS-II溫度指標(biāo)Table 7 Temperature design objective of the separated APS-II

2.2.2 熱設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

針對分體式APS安裝法蘭(8±2) ℃的控溫需求，在星敏感器的設(shè)計(jì)中利用1.3節(jié)介紹的熱控設(shè)計(jì)途徑2，以遮光罩作為散熱面；同時(shí)，由于遮光罩散熱面吸收的外熱流主要來自附近艙板多層對太陽輻射的反射，所以在各星敏感器之間及星敏感器與艙板之間安裝15單元多層，以減少反射。具體實(shí)現(xiàn)方法如表8和圖7所示。

表8 分體式 APS-II組合件熱設(shè)計(jì)狀態(tài)Table 8 Thermal design states of the separated APS-II

圖7 分體式APS-II的多層安裝及白漆噴涂位置示意Fig.7 Locations of MLIs and white paint outside the separated APS-II

鑒于星敏感器法蘭的控溫穩(wěn)定度要求較高，每個(gè)星敏感器均設(shè)計(jì)了一主一備控溫回路對法蘭進(jìn)行主動(dòng)控溫，選用測溫精度為±0.3 ℃的熱敏電阻作為控溫器件，加熱回路為開關(guān)控制?？販卦O(shè)備A/D使用位數(shù)為8位，測控溫分辨率（分層值）為0.46 ℃，控溫區(qū)間設(shè)計(jì)為2個(gè)分層值（即約1 ℃）。主動(dòng)控溫回路如表9所示，星敏感器的Thermal Desktop熱分析計(jì)算結(jié)果見表10。

表9 分體式 APS-II主動(dòng)控溫回路（部分）Table 9 (Parts of) active thermal control loop of the separated APS-II

表10 分體式 APS-II熱分析計(jì)算結(jié)果Table 10 Thermal analysis results of the separated APS-II

2.2.3 在軌驗(yàn)證情況

衛(wèi)星飛行姿態(tài)于發(fā)射次日1:12AM左右由對日定向轉(zhuǎn)為三軸對地，由于星敏感器及其支架熱容較小，至同日下午星敏感器溫度已經(jīng)達(dá)到平衡，整星三軸對地姿態(tài)下星敏感器1～3法蘭和星敏支架達(dá)到在軌溫度平衡時(shí)的溫度最大和最小值參見表11和表12。從表中數(shù)據(jù)可以看出：星敏感器法蘭溫度水平控制在6.4～10.2 ℃之間，所有測溫點(diǎn)溫度波動(dòng)均在±2 ℃范圍內(nèi)，3臺(tái)星敏感器法蘭的補(bǔ)償加熱回路占空比均在70%左右；星敏感器3法蘭測點(diǎn)（TK32）的最高溫度為10.22 ℃，通過調(diào)整控溫門限及控溫區(qū)間可將溫度水平控制在(8±2) ℃，但由于不影響星敏正常使用，在軌未做調(diào)整；星敏感器支架溫度控制在7.9～10.3 ℃，溫差最大2.4 ℃，滿足溫度指標(biāo)要求，支架補(bǔ)償加熱回路占空比均在75%左右。

表11 分體式 APS-II法蘭在軌溫度匯總Table 11 On-orbit temperature curves of the separated APS-II's flanges

表12 分體式 APS-II支架在軌溫度匯總Table 12 On-orbit temperature curves of the separated APS-II's bracket

3 結(jié)束語

星敏感器熱控設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是控制安裝法蘭的溫度水平及穩(wěn)定度。本文結(jié)合具體案例，針對分體式APS高溫度穩(wěn)定度的要求，歸納總結(jié)采用常規(guī)熱控措施，以較少的資源應(yīng)對復(fù)雜熱流環(huán)境，實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定度控溫的熱設(shè)計(jì)方法，并根據(jù)熱分析數(shù)據(jù)和在軌運(yùn)行情況對該熱設(shè)計(jì)方法的有效性進(jìn)行了評價(jià)。結(jié)果表明，該方法在軌實(shí)現(xiàn)了星敏感器法蘭溫度波動(dòng)在±2 ℃內(nèi)的熱控效果，可為后續(xù)分體式星敏感器的熱設(shè)計(jì)提供參考。