孔林 姜峰 王建超 柏添

微小衛(wèi)星高分辨率相機CCD焦面組件熱控制

孔林 姜峰*王建超 柏添

（長光衛(wèi)星技術(shù)有限公司，長春 130033）

為了保證微小衛(wèi)星高分辨率遙感器相機的成像品質(zhì)，需控制焦面組件的溫度水平及溫度穩(wěn)定性，特別是焦面CCD光學探測器件的溫度控制。首先提出以相變儲能與超低剛度柔性導熱索相結(jié)合的焦面組件精密熱控方法，對相變儲能裝置與石墨柔性導熱索的設(shè)計及參數(shù)選取進行詳細介紹；然后，建立焦面組件的熱仿真模型并進行溫度計算；最后，在真空環(huán)境下進行了熱試驗。計算與試驗結(jié)果表明，焦面CCD器件長期溫度為15～18.5 ℃，工作溫升速率為0.33 ℃/min，具有良好的溫度水平與溫度穩(wěn)定性；熱控補償功率≤4.8 W，約為焦面組件發(fā)熱功率的1/10，可節(jié)省衛(wèi)星能源消耗，驗證了焦面組件熱控制方法的正確性。

相變儲能 柔性導熱索 精密熱控 電荷耦合器件 微小衛(wèi)星 空間遙感相機

0 引言

隨著空間光學遙感衛(wèi)星分辨率的不斷提高，焦面組件作為空間光學遙感相機的成像部件，其光學探測器件CCD的功率也不斷增加，對工作溫度的要求愈加嚴格。溫度水平過高或溫度波動過大均會增加CCD的暗電流與熱噪聲，導致成像品質(zhì)下降[1-3]。另一方面，焦面組件的集成化設(shè)計，使得其熱流密度越來越大，輻射換熱難以滿足焦面散熱需求，同時近地微小衛(wèi)星的焦面組件還具有工作時間較短、非工作時間較長的特點，為了抑制CCD器件溫度波動需要花費很大的代價。因此，需尋求較為合理的方法進行熱設(shè)計以控制焦面組件的長期溫度水平及溫度穩(wěn)定性。常規(guī)的熱控方法是在CCD焦面組件的背部安裝導熱銅片散熱，例如法國SPOT衛(wèi)星上的焦面組件。目前，國內(nèi)大功率CCD焦面組件一般采用微型導熱熱管、鋁板等進行散熱，對于工作時間遠小于非工作時間的遙感相機的焦面組件來說，微型熱管導熱性能強，可以滿足散熱需求，但缺點是需要設(shè)計較大的補償加熱功率，在非工作期間需一直加熱來維持其溫度水平。該方法不適用于能源緊張的微小衛(wèi)星，并且微型熱管的質(zhì)量與剛度稍大，超出高分辨率微小衛(wèi)星移動焦面組件熱設(shè)計的輕質(zhì)與低剛度要求[4-5]。

本文根據(jù)某高分辨率微小衛(wèi)星焦面組件的工作模式以及熱控功率與溫度指標要求，提出了相變儲能裝置與高性能石墨柔性導熱索相結(jié)合的熱設(shè)計方法，并開展了仿真及試驗研究。

1 焦面組件熱控要求

本文研究的焦面組件的總功率為45 W，由5片CCD器件拼接而成（如圖1所示），其中每片CCD器件功率5 W，功率密度為2 000 W/m2。每個軌道周期內(nèi)，焦面組件最長工作時間為10 min。熱控指標要求為：1）焦面CCD器件長期溫度水平保持在15～20 ℃；2）工作模式下溫升速率≤0.4 ℃/min；3）熱控平均補償功率＜5 W。

圖1 焦面組件結(jié)構(gòu)示意

2 CCD焦面組件熱控

焦面組件位于溫度為10 ℃的后罩內(nèi)，受移動調(diào)焦限制焦面組件不能采用剛性連接，單憑輻射換熱難以滿足散熱需求。焦面在工作時CCD器件溫升速率很快，會達到較高溫度水平，且降溫速率緩慢，不僅影響成像品質(zhì)，而且延誤成像任務(wù)規(guī)劃，因此CCD焦面組件熱控制較為關(guān)鍵。對于能源緊張的微小衛(wèi)星，在實現(xiàn)對CCD精密控溫的同時需盡可能減小焦面組件的熱控補償功率，以節(jié)省衛(wèi)星資源。針對微小衛(wèi)星焦面組件熱控制存在的問題，本文提出一種采用相變儲能與柔性導熱索散熱相結(jié)合的熱控方法[6-11]，詳述如下。

2.1 CCD器件熱控

CCD器件控溫主要采用相變儲能裝置、石墨導熱膜、導熱絕緣墊這3種熱控措施[12-18]。相變儲能裝置內(nèi)主要相變材料為正十六烷，具有潛熱大、導熱性強、相變過程可逆等特性，相變溫度為16～18 ℃，適應(yīng)CCD器件工作溫度要求。利用相變儲能裝置吸收CCD器件工作時產(chǎn)生的熱量，降低其工作溫升。忽略CCD器件與環(huán)境的輻射換熱， CCD器件的熱量全部被相變儲能裝置吸收，則相變裝置吸收熱量的計算公式為：

圖2 CCD器件熱設(shè)計示意

2.2 焦面基殼熱控

根據(jù)焦面組件發(fā)熱量及焦面工作模式計算平均散熱量需求，具體算式為

圖3 焦面組件熱控示意

3 熱分析計算

利用有限元熱分析軟件建立仿真模型，有限元建模既需要與實際結(jié)構(gòu)幾何相似，又需在熱容、熱阻等效等前提下對連接螺釘、墊片等進行簡化，同時還要對傳熱路徑上的關(guān)鍵器件進行細化[19-21]，具體分析模型如圖5所示。焦面基殼材料為鋁合金，導熱系數(shù)取210W/(m?K)，不同連接器件的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)按500 W/(m2?K)計算。圖6為溫度計算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)無熱控措施情況下，焦面CCD溫度為17.2～27.5 ℃，溫度波動高達10.3 ℃；在采用相變儲能裝置與柔性石墨導熱索等熱控措施下，焦面CCD溫度為15.5～18.9 ℃，溫度波動僅3.4 ℃。結(jié)果說明，采用柔性石墨導熱索與相變儲能裝置的熱控措施，既可以有效控制焦面組件溫度水平，又可以降低焦面CCD器件工作時的溫升，提高溫度穩(wěn)定性。

圖5 焦面組件有限元分析模型

圖6 焦面CCD溫度仿真結(jié)果

4 焦面組件熱試驗

4.1 試驗狀態(tài)

將焦面組件水平放置于空間環(huán)境模擬試驗設(shè)備內(nèi)的載物平臺上，試驗設(shè)備內(nèi)真空度小于1.3×10–3Pa，試驗設(shè)備內(nèi)環(huán)境溫度為10 ℃，焦面組件粘貼熱電偶測量溫度[22-25]。焦面組件真空熱試驗共進行兩組，一組試驗的技術(shù)狀態(tài)為焦面組件未采取任何熱控措施；另一組試驗的技術(shù)狀態(tài)為焦面組件采用相變儲能裝置與柔性導熱索的熱控措施，如圖7所示。通過兩組熱試驗的結(jié)果對比焦面組件熱控的效果。

圖7 焦面CCD試驗狀態(tài)

4.2 試驗結(jié)果

由圖8所示的試驗結(jié)果可知，焦面組件連續(xù)工作10 min，無熱控措施時焦面CCD溫度為17～25.2 ℃，溫升速率為0.82 ℃/min，溫升速率較大，降溫速率較小，不能滿足焦面連續(xù)單圈10 min工作要求。采取熱控措施后焦面CCD試驗溫度為15.2～18.5 ℃，試驗溫升速率為0.33 ℃/min，CCD溫升速率大幅度減小，CCD試驗降溫過程在16～18 ℃之間出現(xiàn)降溫緩慢現(xiàn)象，因為此時相變儲能裝置在相變散熱過程中溫度變化很小，CCD器件相比無熱控措施時降溫時間減少約一半。無熱控措施情況下，CCD溫升試驗與仿真結(jié)果偏差較大，是由于此時CCD器件只能依靠自身熱容抵抗溫升，熱容賦值不準確導致仿真計算結(jié)果存在偏差。有熱控措施情況下，CCD器件大部分熱量被相變儲能裝置吸收，CCD器件溫升主要由相變材料吸熱能力決定，因此CCD試驗與仿真溫升結(jié)果基本一致。由此可見，柔性石墨導熱索與相變儲能裝置熱控措施可以有效控制焦面CCD溫度水平及升降溫速率，提高CCD溫度穩(wěn)定性；而且焦面組件在工作模式下，熱控補償加熱功率幾乎為零，長期不工作模式下熱控補償功率不超過4.8 W。

圖8 焦面CCD溫度試驗結(jié)果

5 結(jié)束語

本文對CCD焦面組件進行了精密熱設(shè)計，提出了以柔性石墨導熱索與相變儲能裝置為主要措施的熱控方法。試驗結(jié)果表明：焦面CCD器件試驗溫度為15～20 ℃，溫升速率為0.33 ℃/min，熱控補償功率≤4.8 W，均滿足熱控指標，證明了柔性石墨導熱索與相變儲能裝置相結(jié)合的熱控方法可以用于CCD焦面組件的精密熱控，且所需熱控功率較常規(guī)熱控方法大幅降低。此熱控方法已經(jīng)成功應(yīng)用到某近地微小衛(wèi)星，也可為其他遙感衛(wèi)星CCD焦面組件的熱控提供參考。

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Thermal Control of the CCD Focal Plane of High Resolution Cameras for Microsatellites

KONG Lin JIANG Feng*WANG Jianchao BAI Tian

（Chang Guang Satellite Technology LTD.CO, Changchun 130033, China）

In order to ensure the imaging quality of high resolution remote sensing cameras for micro satellite, it is necessary to control the temperature level and temperature stability of the focal plane assembly, especially of the CCD device. Firstly, a precise thermal control method for the focal plane is proposed which combines the phase change energy storage device and low stiffness flexible thermal strap, and the design and parameter selection of the phase change energy storage device and graphite flexible thermal strap are introduced in detail. Then, the thermal simulation analysis model is established and the temperature is calculated. Finally, the thermal vacuum test is carried out and the results show that the long-term temperature of the focal plane CCD device is 15～18.5 ℃ with the temperature rise rate 0.33 ℃/min, which has good temperature level and temperature stability; the electric heating power is less than 4.8 W, about 1/10 of the focal plane power, greatly saving satellite energy. The result shows that the thermal control method of the focal plane assembly is reasonable and feasible.

phase change energy storage; flexible thermal strap; precision thermal control; charge-coupled deice (CCD); microsatellites; space remote sensing camera

TN386.5

A

1009-8518(2023)03-0062-07

10.3969/j.issn.1009-8518.2023.03.007

孔林，男，1986年生，2014年于中國科學院大學獲得博士學位，副研究員，主要研究方向為衛(wèi)星熱控制、衛(wèi)星總體設(shè)計。E-mail：konglin@charmingglobe.com。

姜峰，男，1992年生，2016年于吉林大學獲得機械與工程專業(yè)碩士學位，工程師，主要研究方向為衛(wèi)星熱控制技術(shù)。E-mail：jiangfeng@charmingglobe.com。

2022-05-16

吉林省發(fā)展與改革委員會產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究與開發(fā)項目（2021C45-1）

孔林, 姜峰, 王建超, 等. 微小衛(wèi)星高分辨率相機CCD焦面組件熱控制[J]. 航天返回與遙感, 2023, 44(3): 62-68.

KONG Lin, JIANG Feng, WANG Jianchao, et al. Thermal Control of the CCD Focal Plane of High Resolution Cameras for Microsatellites[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2023, 44(3): 62-68. (in Chinese)

（編輯：夏淑密）