曹 恒 強 佳 周成林 舒 嶸

(1、上海技術(shù)物理研究所,上海 200000 2、中科院空間主動光學(xué)技術(shù)重點實驗室,上海 200080)

激光測距望遠(yuǎn)鏡屬于空間光學(xué)儀器,通過激光發(fā)射與接收,實現(xiàn)對超遠(yuǎn)距離目標(biāo)的捕獲和測距,對溫度精度要求較高[1-2]。空間光學(xué)儀器在軌運行過程中會受到衛(wèi)星平臺熱耦合、太陽輻射、地球紅外輻射、地球反照及深冷空間的影響[3],如果不采用合理的熱控設(shè)計手段,這些影響因素可能使儀器內(nèi)部溫差變大。由于儀器內(nèi)部光學(xué)部件和結(jié)構(gòu)部件所使用材料的熱膨脹系數(shù)通常不可能保持一致,因此當(dāng)兩者之間溫差變大,會使光學(xué)部件發(fā)生形變、光學(xué)部件曲率半徑產(chǎn)生變化以及光機結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生位移,進(jìn)而導(dǎo)致光學(xué)儀器產(chǎn)生離焦及成像像質(zhì)變差[4]。

2021 年5 月進(jìn)行了激光測距望遠(yuǎn)鏡熱試驗,試驗結(jié)果驗證了熱控設(shè)計效果,試驗過程中光學(xué)組件溫度穩(wěn)定,可以滿足激光器的溫度要求。

1 激光測距望遠(yuǎn)鏡熱設(shè)計

1.1 激光測距望遠(yuǎn)鏡熱設(shè)計任務(wù)分析

激光測距望遠(yuǎn)鏡可以實現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的激光發(fā)射和接收,主要的光學(xué)組件在任務(wù)期間對溫度穩(wěn)定性要求較高。但是由于激光測距望遠(yuǎn)鏡面臨著軌道苛刻的外熱流環(huán)境,安裝處環(huán)境溫度變化較大以及自身體積、重量和發(fā)熱,給望遠(yuǎn)鏡的熱設(shè)計帶來了困難。

1.1.1 激光測距望遠(yuǎn)鏡處于低地球軌道,受到周期性變化的熱環(huán)境影響。

低地球軌道又被稱為“近地軌道”,軌道中心為地球,軌道高度不超過2000 千米,軌道周期100 分鐘左右,偏心率小于0.25。激光測距望遠(yuǎn)鏡受到來自太陽光照、地球紅外輻射和地球反照等外熱流的周期性影響,需要時刻調(diào)整自身的熱控狀態(tài),以保持光學(xué)組件溫度穩(wěn)定性。

當(dāng)激光測距望遠(yuǎn)鏡所在衛(wèi)星運行至光照區(qū),如圖1 所示,此時太陽光照時間長、熱流密度大,如果不采取有效散熱設(shè)計,會導(dǎo)致激光測距望遠(yuǎn)鏡局部溫度升高,影響光學(xué)成像質(zhì)量。

圖1 激光測距望遠(yuǎn)鏡運行至光照區(qū)

當(dāng)激光測距望遠(yuǎn)鏡所在衛(wèi)星運行至陰影區(qū),如圖2 所示,此時太陽光照時間短,甚至沒有光照,激光測距望遠(yuǎn)鏡光學(xué)組件不斷向深冷空間或者地球輻射熱量,這也會導(dǎo)致激光測距望遠(yuǎn)鏡光學(xué)組件與周圍結(jié)構(gòu)之間的溫差變大。在軌熱環(huán)境周期性變化要求激光測距望遠(yuǎn)鏡具有閉環(huán)控制的熱控系統(tǒng),保證其溫度的穩(wěn)定性。

圖2 激光測距望遠(yuǎn)鏡運行至陰影區(qū)

1.1.2 激光測距望遠(yuǎn)鏡重量較大,要求不同部位都要保持在20℃左右是熱設(shè)計難度之一。

激光測距望遠(yuǎn)鏡質(zhì)量約為80kg,長度約1500 毫米。熱傳導(dǎo)是航天器內(nèi)部熱量傳遞的一種方式,又被稱為導(dǎo)熱,是由于分子、原子或者電子等微觀粒子相互碰撞而產(chǎn)生的熱量傳遞過程。根據(jù)傅里葉定律:

根據(jù)傅里葉定律可知,距離越遠(yuǎn),傳遞相同熱量的條件下,溫差越大。因此要滿足大尺寸的激光測距望遠(yuǎn)鏡不同部位的溫度均勻性就成了熱控設(shè)計的難點和挑戰(zhàn)。

1.1.3 激光測距望遠(yuǎn)鏡光學(xué)組件與周圍結(jié)構(gòu)存在復(fù)雜的熱耦合

由于主、次鏡與支撐結(jié)構(gòu)之間直接接觸,支撐結(jié)構(gòu)的溫度變化直接影響了主、次鏡的溫度穩(wěn)定性；另外激光測距望遠(yuǎn)鏡處于空間軌道環(huán)境,主鏡會向深冷空間輻射散熱,造成大量的漏熱；激光測距望遠(yuǎn)鏡在衛(wèi)星上的安裝面溫度不是恒定。以上因素都會對激光測距望遠(yuǎn)鏡光學(xué)組件的精密控溫帶來不利影響。

1.2 激光測距望遠(yuǎn)鏡熱設(shè)計方案

激光測距望遠(yuǎn)鏡熱控設(shè)計的基本思路是在滿足載荷熱控要求的前提下力求簡單可靠,在測距系統(tǒng)熱設(shè)計中,主要測距系統(tǒng)內(nèi)部通過等溫化設(shè)計獲得相對均勻的溫度場分布。

熱控設(shè)計的組成主要包括熱控涂層,多層隔熱組件,熱敏電阻、主動熱控電加熱器和隔熱墊等。

1.2.1 整機隔熱設(shè)計

1.2.1.1 激光測距望遠(yuǎn)鏡遮光罩受到太陽光直接照射,且和衛(wèi)星艙板之間有輻射換熱,因此在遮光罩外表面包覆多層隔熱組件。多層隔熱組件(Multilayer Insulator, MLI)是航天器上常用的隔熱材料,一般由低發(fā)射率的聚酰亞胺膜反射屏和導(dǎo)熱系數(shù)較低的滌綸隔離層相互交替疊加而成,如圖3所示。

圖3 多層隔熱組件結(jié)構(gòu)和隔熱原理示意圖

多層隔熱組件可以簡化為真空狀態(tài)下無限大的兩平行表面之間放置N 層互不接觸的反射屏,根據(jù)輻射傳熱公式:

1.2.2 光學(xué)組件的熱設(shè)計

激光測距望遠(yuǎn)鏡在運行至軌道光照區(qū)時,會面臨太陽的直接照射,光學(xué)組件的熱設(shè)計是保證激光測距望遠(yuǎn)鏡成像質(zhì)量的關(guān)鍵因素。1.2.2.1 激光測距望遠(yuǎn)鏡光學(xué)組件主鏡和次鏡采用膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱系數(shù)高的碳化硅材料,可以迅速拉平鏡片溫度,限制鏡片內(nèi)部溫差。1.2.2.2 激光測距望遠(yuǎn)鏡在軌運行時會經(jīng)歷光照區(qū)和陰影區(qū),不同區(qū)域?qū)峥卦O(shè)計的要求不同,因此設(shè)計了閉環(huán)控制的主動加熱回路對望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行閉環(huán)控溫。當(dāng)溫度監(jiān)測點溫度低于所要求的溫度時,主動加熱回路自動開啟,提高監(jiān)測點溫度；當(dāng)溫度高于所要求的的溫度時,主動加熱回路自動關(guān)閉。通過主動加熱回路的通斷達(dá)到精密控溫。1.2.2.3 激光測距望遠(yuǎn)鏡的遮光罩用于遮擋太陽光照,如圖4 所示,防止太陽光照直接進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡鏡筒內(nèi)部,抬高局部溫度,具體措施如下:根據(jù)實際軌道參數(shù)和衛(wèi)星姿態(tài),設(shè)計合適尺寸的遮光罩,以確保激光測距望遠(yuǎn)鏡在軌運行時遮光罩可以有效阻止太陽光照；外表面包覆多層隔熱組件,最外層是防靜電聚酰亞胺薄膜,減小遮光罩吸收太陽外熱流,降低太陽輻射的影響；遮光罩本體材料使用碳纖維,使得遮光罩輕便的同時具有一定的機械強度。

圖4 遮光罩遮擋入射太陽光示意圖

2 激光測距望遠(yuǎn)鏡熱仿真分析

激光測距望遠(yuǎn)鏡熱設(shè)計過程中離不開有限元軟件UG TMG 的熱仿真分析,根據(jù)仿真分析結(jié)果,可以確定驗證熱控設(shè)計能否滿足溫度要求,為后面的試驗驗證提供模擬外熱流數(shù)據(jù),也可以預(yù)測發(fā)射以后在軌的溫度情況,提前做出在軌應(yīng)急預(yù)案。熱仿真分析一般步驟是前處理、仿真計算、后處理。首先是導(dǎo)入簡化后的結(jié)構(gòu)模型,運用有限體積法對模型劃分網(wǎng)格,設(shè)定使用的材料參數(shù)、單機內(nèi)部發(fā)熱時序、表面輻射狀態(tài)、邊界條件,模型計算完成后通過后處理獲得所需要的仿真數(shù)據(jù)及類型,包括溫度分布云圖、溫度曲線等。

2.1 前處理

激光測距望遠(yuǎn)鏡實際模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜,零件眾多,包括眾多的螺釘、螺孔、圓角等細(xì)小特征,這些特征的存在與否對熱仿真結(jié)果正確性幾乎沒有影響,但是如果將其納入仿真模型中,會耗費大量的計算資源,因此在簡化模型的時候,需要刪除這些細(xì)小特征,以滿足計算時間和計算精度之間的平衡。

2.2 熱分析工況

熱分析工況需要考慮激光測距望遠(yuǎn)鏡在軌任務(wù)期間會遇到的極端高、低溫工況,如果可以單機在極端高、低溫工況也可以滿足溫度要求,那就認(rèn)為單機熱控設(shè)計合理,且具有一定的余量。極端高、低溫工況的選取需要結(jié)合激光測距望遠(yuǎn)鏡所處環(huán)境、工作模式、內(nèi)部功耗以及艙內(nèi)發(fā)熱部件的分布狀態(tài),熱分析工況如下:

低溫存儲工況:激光測距望遠(yuǎn)鏡安裝面溫度為-20℃,單機不工作,在軌運行至陰影區(qū)；低溫工作工況:激光測距望遠(yuǎn)鏡安裝面溫度為-20℃,單機工作,在軌運行至陰影區(qū)；高溫存儲工況:激光測距望遠(yuǎn)鏡安裝面溫度為20℃,單機不工作,在軌運行至光照區(qū)；高溫工作工況:激光測距望遠(yuǎn)鏡安裝面溫度為20℃,單機工作,在軌運行至光照區(qū)。

2.3 熱仿真結(jié)果

利用UG TMG 軟件對有限元模型對上述各個定義工況進(jìn)行熱分析計算,得到了激光測距望遠(yuǎn)鏡的溫度分布情況。

2.3.1 低溫存儲工況

這個工況下,激光測距望遠(yuǎn)鏡在軌運行至陰影區(qū),此時單機不開機且接收的外熱流最小。此時開啟主動加熱回路,對光學(xué)組件進(jìn)行精密控溫,仿真結(jié)果顯示,當(dāng)激光測距望遠(yuǎn)鏡溫度穩(wěn)定以后,主鏡溫度在19.2～19.8℃之間,次鏡溫度在19.2～19.5℃之間,加熱功率53W,說明在現(xiàn)有的熱控手段和資源條件下,可以滿足低溫存儲工況時激光測距望遠(yuǎn)鏡控溫要求。此時遮光罩溫度在-60.1～-52.6℃之間,由于遮光罩是安裝在衛(wèi)星艙板上的與激光測距望遠(yuǎn)鏡不是直接接觸,因此兩者之間的溫差不會對望遠(yuǎn)鏡的成像質(zhì)量產(chǎn)生影響。而衛(wèi)星艙板與遮光罩之間的溫差小于10℃,因此遮光罩與衛(wèi)星艙板之間也不會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)錯位的情況。

2.3.2 低溫工作工況

這個工況下,激光測距望遠(yuǎn)鏡在軌運行至陰影區(qū),此時單機開機且接收的外熱流最小。此時開啟主動加熱回路,對光學(xué)組件進(jìn)行精密控溫,仿真結(jié)果顯示,當(dāng)激光測距望遠(yuǎn)鏡溫度穩(wěn)定以后,主鏡溫度在19.9～20.3℃之間,次鏡溫度在19.9～20.1℃之間,加熱功率達(dá)到45W,說明在現(xiàn)有的熱控手段和資源條件下,可以滿足低溫工作工況時激光測距望遠(yuǎn)鏡控溫要求。此時遮光罩溫度在-61.3～-54.9℃之間,衛(wèi)星艙板與遮光罩之間的溫差小于10℃。

2.3.3 高溫存儲工況

這個工況下,激光測距望遠(yuǎn)鏡在軌運行至光照區(qū)區(qū),此時單機不開機且接收的外熱流最大。此時開啟主動加熱回路,對光學(xué)組件進(jìn)行精密控溫,仿真結(jié)果顯示,當(dāng)激光測距望遠(yuǎn)鏡溫度穩(wěn)定以后,主鏡溫度在19.3～20.1℃之間,次鏡溫度在19.1～19.4℃之間,加熱功率49W,說明在現(xiàn)有的熱控手段和資源條件下,可以滿足高溫存儲工況時激光測距望遠(yuǎn)鏡控溫要求。此時遮光罩溫度在-52.1～-39.1℃之間,衛(wèi)星艙板與遮光罩之間的溫差小于10℃。

2.3.4 高溫工作工況

這個工況下,激光測距望遠(yuǎn)鏡在軌運行至光照區(qū),此時單機開機且接收的外熱流最大。此時開啟主動加熱回路,對光學(xué)組件進(jìn)行精密控溫,仿真結(jié)果顯示,當(dāng)激光測距望遠(yuǎn)鏡溫度穩(wěn)定以后,主鏡溫度在19.9～20.2℃之間,次鏡溫度在19.9～20.1℃之間,加熱功率達(dá)到40W,說明在現(xiàn)有的熱控手段和資源條件下,可以滿足低溫工作工況時激光測距望遠(yuǎn)鏡控溫要求。此時遮光罩溫度在-51.8～-41.3℃之間,衛(wèi)星艙板與遮光罩之間的溫差小于10℃。

仿真結(jié)果表明當(dāng)前的熱控設(shè)計可以滿足激光測距望遠(yuǎn)鏡不同工況下的溫度要求。

3 激光測距望遠(yuǎn)鏡熱平衡試驗

熱平衡試驗是驗證航天器熱控設(shè)計的重要方式,通過模擬太空環(huán)境和航天器在軌工作狀態(tài),獲得航天器的試驗溫度數(shù)據(jù),檢驗熱設(shè)計的正確性和有效性,為仿真設(shè)計優(yōu)化提供試驗依據(jù)。

3.1 熱平衡試驗方案

激光測距望遠(yuǎn)鏡熱平衡試驗在真空罐內(nèi)進(jìn)行,真空罐內(nèi)抽真空,真空度約為6.63×10-3Pa,罐壁布置有鋁合金熱沉,內(nèi)部埋有液氮管路,這樣就可以模擬空間冷黑背景。試驗之前將激光測距望遠(yuǎn)鏡放置于真空罐內(nèi),完成熱控實施,接入穿壁電纜,對試驗件進(jìn)行控制,模擬在軌工作狀態(tài)、外熱流及邊界條件等。

3.1.1 激光測距望遠(yuǎn)鏡試驗件與在軌狀態(tài)一致,完成熱控實施,包括多層隔熱組件包覆、主動加熱回路布置等。

3.1.2 外熱流模擬。采用多層隔熱組件外表面均勻粘貼加熱片的方式模擬太陽外熱流,外熱流的大小和時序由仿真結(jié)果計算得到。

3.2 熱平衡試驗結(jié)果

激光測距望遠(yuǎn)鏡光學(xué)組件中的次鏡在整個軌道周期內(nèi),次鏡溫度在20±0.1℃之間,優(yōu)于指標(biāo)要求的20±0.5℃,如圖5 所示。主鏡的溫度水平為19.6℃～20.4℃,滿足技術(shù)指標(biāo)要求的20±0.5℃,如圖6 所示。試驗結(jié)果表明,激光測距望遠(yuǎn)鏡的熱控設(shè)計經(jīng)過試驗驗證,其溫度水平、梯度和穩(wěn)定性可以滿足設(shè)計指標(biāo)要求,與熱仿真計算模型數(shù)據(jù)誤差小于5%,說明仿真計算模型基本有效,符合實際情況。

圖5 試驗期間次鏡溫度曲線

圖6 試驗期間主鏡溫度曲線

4 結(jié)論

激光測距望遠(yuǎn)鏡光學(xué)組件溫度穩(wěn)定性要求高和在軌環(huán)境條件復(fù)雜,是熱控設(shè)計的主要難點和挑戰(zhàn)。在被動熱控和主動熱控設(shè)計結(jié)合的設(shè)計原則指導(dǎo)下,通過前期的仿真迭代確定了激光測距望遠(yuǎn)鏡的熱設(shè)計,完成了熱試驗,試驗結(jié)果驗證了熱設(shè)計的可行性和可靠性,形成了熱控設(shè)計的閉環(huán),為以后類似的光學(xué)載荷熱設(shè)計提供了設(shè)計參考。