童葉龍 李一凡 劉書鋒 尹成爽 肖朋 劉銀年 朱海健 王帥

(1 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)(2 中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 中國(guó)科學(xué)院紅外探測(cè)與成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200083)(3 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094)

高光譜相機(jī)是一臺(tái)大幅寬、高空間分辨率、高光譜分辨率的成像遙感儀器，是資源一號(hào)02D衛(wèi)星(又稱為5米光學(xué)業(yè)務(wù)衛(wèi)星)的主要載荷之一。相機(jī)的光學(xué)性能除了取決于相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，還對(duì)溫度的變化非常敏感。一方面，相機(jī)的主結(jié)構(gòu)和光學(xué)元件的溫度波動(dòng)、溫度梯度使光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)間距發(fā)生變化；另一方面，光學(xué)元件內(nèi)部的溫度波動(dòng)和溫度梯度使光學(xué)元件的面型發(fā)生變化，從而影響相機(jī)光學(xué)成像質(zhì)量[1-5]。因此，相機(jī)對(duì)光機(jī)結(jié)構(gòu)、CCD組件、制冷機(jī)等關(guān)鍵部件提出了較高的溫度穩(wěn)定性、均勻性要求。同時(shí)，相機(jī)通光孔徑大、各個(gè)面外熱流變化劇烈、內(nèi)部光路復(fù)雜、內(nèi)置的斯特林制冷機(jī)等組件熱耗大，也給相機(jī)熱設(shè)計(jì)帶來了較大的難度。

本文針對(duì)高光譜相機(jī)熱控需求，提出了一種基于多級(jí)隔熱的分區(qū)控溫方法，優(yōu)化遮光罩設(shè)計(jì)，強(qiáng)化隔熱措施；采取電加熱主動(dòng)熱控措施提高相機(jī)的溫度穩(wěn)定性；采用一體化熱設(shè)計(jì)方案解決短波電路箱大功率散熱難題，并完成了熱平衡試驗(yàn)及飛行驗(yàn)證。

1 高光譜相機(jī)簡(jiǎn)介

1.1 高光譜相機(jī)構(gòu)型及熱耗

資源一號(hào)02D衛(wèi)星為太陽同步軌道三軸穩(wěn)定衛(wèi)星，降交點(diǎn)地方時(shí)為10:30am，軌道高度為778 km，壽命為5年。高光譜相機(jī)由光機(jī)框架、主光學(xué)系統(tǒng)(主、次、三鏡)、可見光譜儀、紅外光譜儀、制冷機(jī)組件、CCD組件和電子學(xué)單機(jī)等部件組成。圖1給出了相機(jī)結(jié)構(gòu)示意。

圖1 相機(jī)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Camera structure

高光譜相機(jī)在軌工作模式主要分為入軌初期加熱除氣模式、待機(jī)模式、成像模式和定標(biāo)模式4種。其中：成像模式熱耗最大，達(dá)190 W；加熱除氣模式熱耗為0 W，且光機(jī)結(jié)構(gòu)需要控溫至28 ℃±3 ℃。每軌成像時(shí)間不超過15 min。

1.2 熱控指標(biāo)

根據(jù)熱光學(xué)分析得到了高光譜相機(jī)溫度指標(biāo)，具體見表1。

表1 相機(jī)溫度指標(biāo)要求Table 1 Temperature requirements of camera

2 熱設(shè)計(jì)方案

高光譜相機(jī)熱設(shè)計(jì)以被動(dòng)熱控為主，電加熱主動(dòng)控溫為輔，采用多級(jí)隔熱、分區(qū)控溫方法，通過補(bǔ)償加熱實(shí)現(xiàn)精確控溫。采用的主要熱控手段為：①隔熱設(shè)計(jì)，即盡量減少光機(jī)組件與冷空間的熱量傳遞；②設(shè)計(jì)傳熱途徑以排散電子學(xué)單機(jī)及制冷機(jī)內(nèi)熱耗，并盡量降低沿程熱阻；③電加熱主動(dòng)控溫。

根據(jù)不同的熱控需求，將高光譜相機(jī)熱設(shè)計(jì)分為：①光學(xué)系統(tǒng)部分；②電子學(xué)組件及制冷機(jī)部分。

2.1 光學(xué)系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)

2.1.1 遮光罩長(zhǎng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)

遮光罩長(zhǎng)度直接影響相機(jī)光機(jī)組件內(nèi)表面吸收的太陽直射熱流、地球反照熱流的大小，對(duì)光機(jī)組件的溫度穩(wěn)定性影響最大[6]，本文通過理論分析獲得了遮光罩長(zhǎng)度與相機(jī)遮光罩內(nèi)部外熱流計(jì)算公式。

(1)當(dāng)遮光罩長(zhǎng)度L>0.45D(D為進(jìn)光口直徑)時(shí)，太陽直射熱流無法進(jìn)入光機(jī)組件內(nèi)表面；

(2)當(dāng)遮光罩長(zhǎng)度L∈[0.8D,1.0D]時(shí)，光機(jī)組件上到達(dá)的地球反照熱流波動(dòng)量可降至30 W/m2以下。

在資源一號(hào)02D衛(wèi)星包絡(luò)允許的條件下，遮光罩盡量長(zhǎng)，本文設(shè)計(jì)為0.3 m。遮光罩外表面包覆15單元的多層隔熱組件，內(nèi)表面發(fā)黑處理。遮光罩與相機(jī)支架之間加裝5 mm厚的聚酰亞胺隔熱墊，以降低遮光罩對(duì)相機(jī)支架溫度水平的影響。

2.1.2 主光學(xué)系統(tǒng)及光譜儀熱設(shè)計(jì)

主光學(xué)系統(tǒng)包括主框架及主、次、三鏡組件。主光學(xué)系統(tǒng)采用3級(jí)隔熱系統(tǒng)，其外設(shè)置蒙皮。在主光學(xué)系統(tǒng)外表面、蒙皮內(nèi)外表面均包覆15單元多層隔熱組件，以增強(qiáng)隔熱效果，減少外熱流對(duì)主光學(xué)系統(tǒng)溫度場(chǎng)的影響。主框架熱接口復(fù)雜，與制冷機(jī)、光譜儀、主、次、三鏡組件均有機(jī)械接口，存在導(dǎo)熱換熱，且與遮光罩及冷空間有輻射換熱。主框架與制冷機(jī)溫度指標(biāo)差異大，采用隔熱設(shè)計(jì)，通過減小接觸面積、使用聚酰亞胺分層隔熱墊片等措施減小導(dǎo)熱耦合。

根據(jù)外熱流及主光學(xué)系統(tǒng)周邊溫度差異，對(duì)主光學(xué)系統(tǒng)、光譜儀控溫區(qū)域進(jìn)行了劃分。經(jīng)詳細(xì)熱分析，在主框架上共布置主備各8路的控溫回路，其中與制冷機(jī)連接的部分布置單獨(dú)控溫回路；在主、次、三鏡組件上分別布置主備各1路的控溫回路；在光譜儀上布置主備各5路的控溫回路。控溫回路使用安裝在相機(jī)上的控溫儀進(jìn)行控制，控溫儀采用16位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、開關(guān)加比例控制算法，控制周期3 s，可以保證0.1 ℃采集精度。

2.2 電子學(xué)組件及制冷機(jī)熱設(shè)計(jì)

2.2.1 CCD組件熱設(shè)計(jì)

由于CCD組件的溫度水平和溫度梯度直接影響成像質(zhì)量，成像時(shí)要保證CCD組件的溫度維持在要求的溫度水平且溫度均勻，因此必須將CCD組件產(chǎn)生的熱功耗及時(shí)排散出去。同時(shí)，需要考慮CCD散熱板溫度交變對(duì)CCD組件的影響，為此在CCD組件散熱環(huán)節(jié)中增加了柔性換熱裝置。

本文采用偏冷設(shè)計(jì)方案，即利用陰面散熱面、縮短控溫周期、結(jié)合比例控制等措施，確保CCD組件的溫度穩(wěn)定性。經(jīng)詳細(xì)熱分析，最終確定熱控措施為CCD組件→銅導(dǎo)熱索→外貼熱管→相機(jī)+Y側(cè)散熱面，以保證CCD組件工作時(shí)廢熱的及時(shí)排散。同時(shí)，在CCD組件上布置控溫回路，以保證CCD組件不工作時(shí)其溫度也在指標(biāo)范圍內(nèi)。散熱面布置在相機(jī)+Y側(cè)，采用柿玻璃鍍銀二次表面鏡作為熱控涂層，面積為0.12 m2。圖2為CCD組件熱管及散熱面布局。

圖2 CCD組件熱管及散熱面布局Fig.2 Layout of heat pipes and radiators for CCD assembly

2.2.2 短波電路箱一體化熱設(shè)計(jì)

短波電路箱短期熱耗達(dá)52 W，每軌工作25 min。大功率電單機(jī)普遍采用“熱管+熱輻射器”的方案，即利用熱管將大功率單機(jī)熱量傳導(dǎo)至安裝在高光譜相機(jī)上的熱輻射器，在單機(jī)上布置補(bǔ)償加熱器的熱控方案。本文采用機(jī)電熱一體化熱設(shè)計(jì)，統(tǒng)籌考慮芯片散熱和整機(jī)散熱需求，以設(shè)備內(nèi)部大熱耗器件為源頭，通過對(duì)大熱耗器件-設(shè)備-系統(tǒng)整個(gè)傳熱路徑的優(yōu)化，達(dá)到既可以滿足器件工作溫度、又能使熱控質(zhì)量功率等各方面代價(jià)降至最低的目的。

短波電路箱內(nèi)部熱設(shè)計(jì)措施為：每一塊電路板分別設(shè)計(jì)了“日”字形框架，框架可以起到固定電路板、防止震動(dòng)損壞的作用，另外，框架還與電路板導(dǎo)熱連接，可作為電路板的散熱路徑[7]。在大功率FPGA上加裝鋁擴(kuò)熱板，將熱量傳遞至框架，然后框架導(dǎo)熱安裝至短波電路箱+Z面板上?？紤]到短波電路箱散熱需求，將短波電路箱安裝至相機(jī)+Z側(cè)，在短波電路箱+Z面板開設(shè)散熱面，采用SR107-ZK作為熱控涂層，如圖3所示。在短波電路箱底板處布置1路主動(dòng)控溫回路，以保證短波電路箱不工作時(shí)不影響相機(jī)的溫度。與“熱管+熱輻射器”的方案相比，本文方案簡(jiǎn)單可靠，實(shí)施難度小，質(zhì)量小。

圖3 短波電路箱散熱途徑示意Fig.3 Schematic of heat dissipation path for short wave circuit box

2.2.3 制冷機(jī)組件熱設(shè)計(jì)

制冷機(jī)組件包括壓縮機(jī)和膨脹機(jī)，為減少壓縮機(jī)和膨脹機(jī)之間的溫差，在膨脹機(jī)安裝座、壓縮機(jī)安裝座各引出2根工字形30×11.4(Ω)單孔氨軸向槽道熱管至高光譜相機(jī)+X側(cè)同一外板，并在該外板內(nèi)預(yù)埋3根熱管，如圖1所示；該外板既作為相機(jī)的蒙皮，也作為散熱面使用，減少了相機(jī)的質(zhì)量。散熱板采用15 mm厚的鋁蜂窩板，+X面開設(shè)0.41 m2的散熱面，采用柿玻璃鍍銀二次表面鏡作為熱控涂層。在膨脹機(jī)安裝座、壓縮機(jī)安裝座處各布置1路主動(dòng)控溫回路，以保證制冷機(jī)不工作時(shí)不超過下限溫度。

3 熱分析及驗(yàn)證

3.1 熱分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

采用熱分析軟件進(jìn)行建模分析，高光譜相機(jī)主體熱分析模型如圖4所示。

圖4 相機(jī)熱分析模型Fig.4 Thermal analysis model of camera

根據(jù)空間熱環(huán)境分析結(jié)果，選取高光譜相機(jī)在軌極端低溫、極端高溫2個(gè)工況進(jìn)行分析計(jì)算。根據(jù)相機(jī)熱分析情況，通過試驗(yàn)對(duì)在軌高溫、低溫工況進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)中控溫回路功率及布局、控溫閾值設(shè)置、外熱流情況均與熱分析模型中的數(shù)據(jù)一致。由于熱真空定標(biāo)試驗(yàn)需要在相機(jī)遮光罩進(jìn)光口前端布置封閉的真空定標(biāo)試驗(yàn)裝置，導(dǎo)致無法直接模擬進(jìn)光口處在軌外熱流，以往相機(jī)通常將熱平衡試驗(yàn)與熱真空定標(biāo)試驗(yàn)分2次進(jìn)行，而本文創(chuàng)新性地提出并采用等效試驗(yàn)方案，即在遮光罩前端增加150 mm長(zhǎng)的鋁筒，在定標(biāo)裝置和鋁筒上布置控溫回路，設(shè)置定溫邊界溫度，以等效模擬進(jìn)光口外熱流邊界條件，實(shí)現(xiàn)熱平衡試驗(yàn)與熱真空定標(biāo)試驗(yàn)的統(tǒng)籌，縮短了試驗(yàn)周期，節(jié)約了研制經(jīng)費(fèi)。

圖5給出了高溫工況下高光譜相機(jī)制冷機(jī)與CCD組件的溫度曲線。

圖5 高溫工況下相機(jī)溫度曲線Fig.5 Camera temperature curves in hot case

表2對(duì)比了熱分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，具體如下。①高低溫工況下，相機(jī)溫度水平計(jì)算值與試驗(yàn)值相近，所有溫度數(shù)據(jù)均能滿足指標(biāo)要求，其中相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)溫度穩(wěn)定，最大溫度波動(dòng)不大于0.12 ℃，CCD組件溫度穩(wěn)定，最大溫度波動(dòng)不大于1.50 ℃。②在低溫工況下，熱分析模型預(yù)測(cè)的平均控溫功率為92.3 W，試驗(yàn)值為83.3 W，偏差為9.75%，表明熱分析模型正確、可信。

表2 熱分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison between thermal analysis and thermal test

3.2 在軌數(shù)據(jù)分析

本節(jié)統(tǒng)計(jì)了衛(wèi)星入軌1年內(nèi)高光譜相機(jī)的溫度數(shù)據(jù)，具體見圖6。在軌數(shù)據(jù)表明：相機(jī)光機(jī)主結(jié)構(gòu)溫度控制在18 ℃±1.5 ℃范圍內(nèi)；CCD散熱板每軌溫度波動(dòng)約為7 ℃，而CCD組件每軌溫度波動(dòng)不大于0.5 ℃，有效抑制了散熱面溫度波動(dòng)對(duì)CCD組件溫度的影響，其溫度穩(wěn)定性優(yōu)于國(guó)內(nèi)同類相機(jī)[5，8]；短波電路箱溫度不超過26.9 ℃，驗(yàn)證了內(nèi)外一體化熱設(shè)計(jì)的正確性；制冷機(jī)溫度為-2～+3 ℃，周期平均控溫功率為75.7 W，均滿足指標(biāo)要求，表明熱設(shè)計(jì)正確。

圖6 入軌1年相機(jī)在軌溫度曲線Fig.6 Camera temperature curve for the first year on orbit

4 結(jié)束語

本文針對(duì)高光譜相機(jī)熱控需求，采用基于多級(jí)隔熱的分區(qū)控溫方法，通過優(yōu)化遮光罩設(shè)計(jì)、強(qiáng)化隔熱及電加熱主動(dòng)熱控保證相機(jī)光機(jī)結(jié)構(gòu)的溫度水平及溫度穩(wěn)定性；采用一體化熱設(shè)計(jì)方案解決短波電路箱大功率散熱難題；巧妙利用相機(jī)結(jié)構(gòu)布置散熱板，解決制冷機(jī)及CCD組件的散熱問題。試驗(yàn)及飛行結(jié)果表明：本文提出的相機(jī)熱設(shè)計(jì)能較好地控制相機(jī)在軌溫度。其中的遮光罩長(zhǎng)度設(shè)計(jì)、大功率單機(jī)內(nèi)部外部一體化熱設(shè)計(jì)、等效試驗(yàn)等方法，可為其他空間相機(jī)熱設(shè)計(jì)提供參考。