王珊珊，陳 麗，張麗新，裴 佩，代銘秋，蔣 茜

（上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240）

0 引言

地球軌道上運行的航天器主要接受3 部分的熱能輸入：太陽的直射能量、地球及其大氣反射的太陽能和地球紅外輻射能，三者統(tǒng)稱為空間外熱流。為充分驗證航天器在軌運行情況，需在地面試驗中模擬航天器在軌外熱流環(huán)境，主要模擬方法包括入射熱流模擬法及吸收熱流模擬法[1]。當(dāng)前國內(nèi)多采用吸收熱流模擬法（利用紅外加熱籠、板式加熱器、貼片式電阻加熱器及紅外燈陣等）進行地面真空熱試驗[2]。隨著航天器構(gòu)形的日趨復(fù)雜和多樣化，例如具有熱光效應(yīng)的光學(xué)載荷衛(wèi)星、具有多次反射效應(yīng)的復(fù)雜星外部件及具有特殊表面性能的衛(wèi)星的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的吸收熱流模擬法將無法滿足這些航天器的動態(tài)外熱流模擬需求。而太陽模擬器具有較好地模擬太陽輻照環(huán)境及其效應(yīng)的能力，能較真實地模擬外層空間太陽光譜分布，并有較高的準(zhǔn)直性，其作為可控的室內(nèi)模擬太陽光源得到了廣泛的應(yīng)用[3]。

美國是最早研制太陽模擬器的國家，建立了SS15B 太陽模擬器。歐空局在ESTEC 大型空間環(huán)模設(shè)備上建立了大型太陽模擬器，日本筑波空間中心在大型空間環(huán)境模擬器設(shè)備上配置了大型太陽模擬器，俄羅斯建有兩2 套大型太陽模擬器[4-5]。我國現(xiàn)在擁有KM6 及Y1H 等系列太陽模擬器[6]。未來型號具有更大視角光學(xué)相機，需要太陽模擬器在地面熱試驗時提供更大的輻照面尺寸。而太陽模擬器系統(tǒng)建造完成后其輻照面尺寸是一定的。為滿足日益增大的輻照范圍需求，入射熱流模擬法與吸收熱流模擬法相結(jié)合的組合熱流模擬方法應(yīng)運而生。

NASA 探索項目火星探測器巡航階段的試驗，要求模擬施加在穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)狀態(tài)航天器上的太陽輻照熱負(fù)荷，此時航天器偏離太陽入射光的角度在0°到60°之間。在距離太陽相同距離的情況下，不同的角度會導(dǎo)致最嚴(yán)酷的熱環(huán)境出現(xiàn)在航天器的不同區(qū)域。傳統(tǒng)方法難以滿足這一模擬需求，而采用紅外燈陣與太陽模擬器組合的方法較好地完成了該項試驗中對航天器遠(yuǎn)離太陽的動態(tài)熱環(huán)境的模擬。同時，由于紅外燈陣的加入，使得對太陽模擬器輻照面直徑的要求由5.7 m 減小到3.1 m[7]。

本文針對某型號光學(xué)載荷不同區(qū)域?qū)Ω呔葻崃髂M的需求，采用紅外燈陣配合太陽模擬器的模擬外熱流加載方案進行真空熱試驗。但2 種熱流同步施加會形成部分區(qū)域熱流重疊，同時太陽模擬器輸出為瞬態(tài)熱流，導(dǎo)致熱流重疊區(qū)域隨時間發(fā)生變化，因此必須采取有效措施解決兩者相互干擾的問題，以提高地面熱試驗?zāi)M的準(zhǔn)確度。

1 某載荷組合熱流模擬方案設(shè)計

選取某型號載荷為研究對象，其太陽光受照面直徑為2.5 m，而真空熱試驗所用太陽模擬器輻照面直徑為1 m，因此需采用組合熱流模擬方法來降低對輻照面直徑的要求。遮光罩內(nèi)為光學(xué)系統(tǒng)，在軌受太陽照射影響，其三軸反射鏡易形成光路匯聚及熱量聚焦。傳統(tǒng)熱流模擬方法（紅外燈陣或紅外加熱籠）無法準(zhǔn)確模擬其外熱流，因此采用太陽模擬器進行熱流模擬。載荷散熱面在軌受低熱流影響，利用紅外燈陣遮擋系數(shù)小的優(yōu)點可準(zhǔn)確模擬其外熱流。圖1 為某載荷真空熱試驗外熱流模擬方案示意圖，照射在遮光罩表面及進入光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部的外熱流均通過太陽模擬器來實現(xiàn)，并通過運動模擬器的水平轉(zhuǎn)動來模擬陽光每日自東向西的入射角度變化，通過調(diào)節(jié)運動模擬器的俯仰角度來模擬陽光隨季節(jié)發(fā)生的南北傾角變化；同時在散熱面（北冷板及散熱北板）采用紅外燈陣進行外熱流模擬。

圖1 某載荷真空熱試驗熱流模擬方案Fig.1 Schematic diagram of satellite payload in thermal test

2 組合熱流模擬干擾分析及抑制

試驗中載荷通過運動模擬器與模擬太陽光之間形成不同夾角以實現(xiàn)瞬態(tài)熱流模擬，但紅外燈陣隨運動模擬器一起運動（參見圖1），其位置相對載荷固定不動，因此需要分析太陽光與紅外燈陣間的熱流重疊及干擾情況。

2.1 熱流重疊分析

本文研究的型號在軌正常工作時太陽光與衛(wèi)星載荷之間的夾角在±8.8°區(qū)間為地影區(qū)。熱試驗中，運動模擬器擺動角為±60°，可模擬太陽光與載荷間光角在±60°之間的變化。因此，選取+60°、+9°、-9°及-60°共4 個極限光角研究太陽光與載荷位置關(guān)系，如圖2 所示。

圖2 不同太陽入射角下載荷受照情況Fig.2 Irradiation on the satellite payload atdifferent solar angles

由圖2 可見：太陽光角從+60°變換至+9°的過程中，載荷上的太陽輻照面由遮光罩右側(cè)轉(zhuǎn)至全覆蓋遮光罩，同時在2 個散熱面出現(xiàn)與紅外燈陣熱流的輻照重疊區(qū)；太陽光角從-9°變換至-60°的過程中，載荷上的太陽輻照面由全覆蓋遮光罩轉(zhuǎn)至遮光罩左側(cè)，在散熱北板上的輻照重疊區(qū)面積也相應(yīng)改變。

通過簡化載荷模型及應(yīng)用熱分析軟件，仿真得到在+60°、+9°、-9°及-60°這4 個極限太陽光角下載荷遮光罩和散熱面的溫度場分布情況（仿真過程不考慮內(nèi)熱源及殼體外熱流），如圖3 和圖4 所示。

圖3 不同太陽入射角下載荷遮光罩溫度分布情況Fig.3 Temperature distributions of satellite payloads at different solar angle

圖4 不同太陽入射角下載荷散熱面溫度分布情況Fig.4 Temperature distributions of satellite payloads at different solar angles

根據(jù)熱分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)：由于各表面的相互遮擋及太陽入射角的變化，載荷表面溫度分布極不均勻且變化非常劇烈；隨著光照角度的變化，遮光罩上的最高溫出現(xiàn)在不同位置，散熱面上溫度出現(xiàn)相應(yīng)變化。如表1 所示：隨著太陽入射角從+60°變換至+9°，太陽光的覆蓋區(qū)域增加，2 個散熱面溫度上升；經(jīng)過+9°至-9°的地影區(qū)后，入射角從-9°變換至-60°時太陽光的覆蓋區(qū)域減小，2 個散熱面溫度下降。

表1 不同太陽入射角下的散熱面溫度Table 1 Temperature on radiator surface at different solar angles

2.2 熱流干擾抑制

在軌運行時散熱面的外熱流為低熱流，熱試驗時通過紅外燈陣進行相應(yīng)的熱流模擬與施加，表2所示為散熱面上施加的紅外熱流模擬值。

由2.1 節(jié)的重疊熱流分析可知，太陽輻照對散熱面熱流的影響隨太陽入射角的變化而變化，為抑制其對散熱面外熱流的干擾，須增加遮光擋板。輻照重疊區(qū)出現(xiàn)在太陽模擬器與紅外燈陣相互作用區(qū)域，為排除兩者干擾，且不影響遮光罩及光學(xué)系統(tǒng)的熱流施加，根據(jù)散熱面上輻照重疊區(qū)的最大尺寸在散熱面的太陽入射光路上設(shè)置遮光擋板，位置參見圖5 中的綠色區(qū)域。遮光擋板為鏡面鋁合金材料，迎光面涂覆吸光涂層，背光面設(shè)置多層隔熱組件，可有效降低遮光擋板反照作用對遮光罩的影響，減小擋板溫度對載荷熱影響。由圖5 可以看出，增加遮光擋板后，2 塊散熱面在+60°至-60°的太陽入射角范圍內(nèi)可以免受太陽輻照影響。

表2 散熱面上紅外燈陣外熱流模擬值Table 2 Simulated heat flux on the radiator surface by infrared lamp array

圖5 不同太陽入射角下遮光擋板的遮擋效果Fig.5 Effect of light shield at different solar angles

3 試驗驗證及分析

應(yīng)用組合熱流模擬方法進行載荷熱試驗，試驗結(jié)果如圖6 所示。在北冷板、散熱北板和遮光罩典型位置分別粘貼熱電偶，測量這3 個區(qū)域在1 個軌道周期內(nèi)溫度變化情況。

圖6 1 個周期內(nèi)載荷不同區(qū)域的溫度變化Fig.6 Temperature on the satellite payloads during one orbital period

由圖6 可以看出，在1 個軌道周期內(nèi)，遮光罩溫度分布極不均勻，且隨著太陽光角的變化，最高溫度出現(xiàn)在不同位置。太陽光角由+60°變換至+9°，遮光罩同一位置的最大溫差達(dá)88.2 ℃。太陽光角由+60°變換至+9°及從-9°變換至-60°時，北冷板及散熱北板溫度基本保持穩(wěn)定。在+9°～-9°的地影區(qū)，載荷整體溫度下降，出地影后溫度恢復(fù)。太陽光角由+60°變換至+9°，有遮光擋板時北冷板和散熱北板同一位置的最大溫差分別為0.75 ℃和1.34 ℃，而無遮光擋板仿真結(jié)果中的北冷板與散熱北板同一位置的最大溫差分別為12.63 ℃和13.98 ℃?？梢?，增加遮光擋板后最大溫差明顯縮小，分別為無遮光擋板時的5.93%和9.58%，說明增加遮光擋板有效抑制了重疊熱流的干擾。

4 結(jié)束語

本文將組合熱流模擬方法應(yīng)用于某載荷熱試驗，在光學(xué)系統(tǒng)區(qū)域采用太陽模擬器進行入射熱流模擬，在散熱面采用紅外燈陣進行吸收熱流模擬，并針對2 種熱流施加重疊情況，增加遮光擋板進行熱流干擾的抑制。試驗結(jié)果表明，增加遮光擋板后散熱面同一位置最大溫差為無遮光擋板時的5.93%及9.58%，干擾抑制措施有效，組合熱流模擬方法可行。

本方法可解決高成像精度衛(wèi)星復(fù)雜光學(xué)載荷、尺寸日益增大的星外部件等對地面熱試驗高精度熱流模擬與有限太陽模擬器輻照面之間的矛盾，通過分析特定載荷在軌熱流情況，充分利用入射熱流模擬法與吸收熱流模擬法特點，在地面熱試驗時通過設(shè)置遮光擋板精確區(qū)分熱流施加區(qū)域并有效減少兩者干擾影響，可保證熱流模擬精度。