空间相机的热分析和热设计

第35卷第1期光子学报Vol 35 No. 12006年1月ACTA PHOTONICA SINICAanua空间相机的热分析和热设计陈荣利3耿利寅2马臻1。李英才1(1中国科学院西安光学精密机械研究所,西安710068)2航天科技集团第五研究院,北京1000803中国科学院研究生院,北京100039)摘要空间飞行器在轨道运行过程中,除空间热沉影响外,还会受到太阳辐射、地球红外辐射和地球阳光反照等热因素作用,同时相机内部热源也会影响相机的温度.温度的变化对高分辨率航天相机光学系统成像质量影响很大.热控系统的目的是保证相机的各部分保持在各自的温度范围内本文对相机整体进行了详细热分析计算,得出了低温、高温初期、高温末期工况以及其他一些情况下相机各部分的温度水平,为相机热控实施提供依据关键词高分辨率空间相机;轨道外热流;热分析;热设计中图分类号O414.19;O432文献标识码A0引言cosi=-0.09890445Re|-a(1)高分辨率空间相机具有通光孔径大、成像焦距式中Re为地球半径,h为轨道高度长、规划频率高、瞬时视场小等特点,决定了其光学太阳同步轨道意味着太阳与轨道平面有相对固系统和支撑结构几何尺寸及外形尺寸较大,一般直定的几何关系以地球球心为原点的天球座标中,接装在卫星舱体外部.在轨道运行过程中,受到太太阳随时间(以天计算)相对于轨道面的入射角为0阳辐射、地球红外辐射和地球阳光反照及空间冷黑cos isin arctanSin zTt热沉的交替加热和冷却,相机表面各部分接受辐射热量的不均匀性和随时间的变化,将造成其表面温 n icos [arctan sin2mt/365tin[1m-△a(t)]度分布的不均匀和波动.当工作姿态变化时,向着t∈[0,365],t0∈[0,24](2)太阳的部分与处于太阳阴影中的部分会产生巨大的式中,为轨道倾角;e为黄赤交角;t为降交点地方温差.温度的变化对高分辨率航天相机的光学系统时;△a为赤经差.可以得出太阳与轨道平面的入射成像质量影响很大,同时,相机内部的热源所产生的角在一年中有季节性的变化,在一天中变化较小热扰动也会影响到相机的性能.各种形式的温度分相机各面太阳辐射热流变化很大.把三轴稳定的航布对航天相机的光学系统产生不同的影响2.对天相机分为6个面,即朝阳面、背阳面、对天面、对地于均匀温度场变化,可通过镜筒材料和光学材料的面、朝前面(飞行方向)和朝后面,各面将有不同的热合理匹配和无热化设计,尽量减少它对像面位置和特性·朝阳面在轨运行一天中(地球阴影区除外)将像质的影响;温度梯度对光学系统的影响既复杂又受到基本恒定的太阳外热流;与之对应的背阳面始难以控制,必须针对具体的温度环境进行相关分析,终受不到太阳光照,对天面、朝前面随航天器在轨道并采用有效的温控手段中的位置接受的太阳外热流也随之变化;对地面仅在日落和日出时才能接受到太阳辐照;朝后面为与轨道外热流的计算星体的安装面,与星体有一定的热耦合的高分辨率相机几乎都运行在太阳同步轨道上.所多(m卫星与太阳及地球的相对位置不断变化,卫星在相机本坐标系中,相机各面元外法线方向表面所接收的外热流也在不断变化.用于对地观测余弦为,cosB,cosy,),太阳辐射角系数谓太阳同步轨道就是轨道的升交点赤经Ω的变化中国煤化工率等于地球公转的平均角速度(0.9856°/天)的轨道1,2,3,(3)CNMHG太阳同步轨道倾角与轨道高度的关系由下式确定式中以地心角距;为太阳对轨道面的入射角.太阳辐射周期平均角系数国家863—708高技术研究发展计划资助项目Tel: 029-88484258 Email: crl@ opt. accn=2x(cosa·cosb,csi-cos月收稿日期:2004-11-15sin0· cos I+cosy,·sin)dO(4)1期陈荣利等.空间相机的热分析和热设计155空间相机外表面任一微元dA上所受的太阳辐射外表1六个方向上的平均到达外热流(W/m2)热流为表面夏至冬至S·F·dA(5)方向太阳及地球返照地球红外太阳及地球返照地球红外62,065729.521666.2350F为太阳辐射角系数;S为太阳常量;a为太阳吸收Y281.84860.5354391.60664.6019率,与表面性质有关00962.970503467.2006低温工况取夏至时的外热流,太阳常量为S308.51260.3398317.23864.3932195.039143.920208.1401310W/m2,载荷舱面板温度取-10℃;高温工况取392.9030.00000冬至时外热流,太阳常量为S=1398W/m2,载荷舱考依据面板温度取10℃;高温末期工况取冬至时外热流并考虑涂层退化的影响,载荷舱面板温度取45C2热设计计算中采用的热分析软件为 SINDA/G和高分辨率相机具有外形尺寸大、遮光罩窗口面Nevada.按照节点网络法进行建模.根据节点网络积大、内功率变化大以及空间热环境复杂等特点,热法,节点的能量平衡方程为控设计的基本思想是在满足相机总体要求的前提下(Gc)d-R(T-T:)+力求简单、可靠,尽可能采用成熟的热控技术和实施∑RE.no(T-T)+Q(6)工艺.在相机设计中尽量降低对热控的要求.根据工程分析的结果可知,外遮光罩的结构尺寸形式几式中,G为节点质量,单位kg;c为比热,单位kJ何参量的改变对热载荷并不敏感,但对其动载荷尺(w:T为绝对温度,单位K;为时间,单位s;寸的应力及变形影响较大.反射镜的热变形系数R,R分别为热网络的传导和辐射系数;Q为总的越小,镜面的热稳定性越高,对热控系统要求就越低内、外热流量,单位W.将反射镜材料热常量与镜筒材料的热膨胀系数很好首先计算了相机在轨道上运行时外表面各个方地配合起来,可达到减小热差的效果7,热控的主向的外热流.表1给出了六个方向单位面积上到达的平均外热流图1为这六个方向冬至时一个周期要原则如下.被动热控和主动热控相结合.其中主要采内到达外热流的瞬时变化情况(十Z面按黑体,其余用热控涂层、多层隔热材料、隔热垫、导热填料以及各面按S781涂层计算),夏至的数值略有减小,但变薄膜电加热器等措施化趋势与此相似,可作为设计焦面机构散热面的参b.光、机、电、热设计的有机统一.其中包括光机设计时合理的光学材料、结构材料的选择、结构装配技术以保证相机结构的温度稳定性;C.采用恒定内功率的补偿方法来保证关键组件的温度稳定性;按照优化设计的原则和方法,实现加热功率的优化配置;d.对有特殊温度要求的关键部件,采取新的热控方式0020406081012141618Time/h热设计计算参量见表2.图2为热分析中主镜750节点的单元划分情况表2主要计算参量材料名称太阳吸发射密度p比热C热导率λ收比a,率EHkg/m3J/kg:KW/m:K碳纤维复合材料90.815006中国煤化工2710946221钛合4020020406081012141618CNMHG4506785.4殷钢Time/h0,180.86图1冬至时各方向吸收的外热流密度(+Z面按黑体微晶玻璃0.080.0823035781.39其余按S781)Fig 1 Different direction space heat flux density微晶玻璃(表面镀膜)0.050.05in midwinter隔热垫140011100.34156光子学报出,自适应光学系统未达到实用阶段.因此空间相机的热分析与热控制是一个非常有挑战性的课题而且随着分辨率的进一步提高而越发困难.因此,有必要研究新型的主动热控设备和新型的光学和结构材料.把光学系统对温度敏感的不利条件变为有26210利条件,发展一门新的学科一热光学自适应技术参考文献1王红,韩昌元.温度对航天相机光学系统影响的研究.光图2热分析中主镜节点单元划分学技术,2003,29(4):452~457Fig 2 Nodes of main mirror in thermo analysisWang h, HY. Optical Technique, 2003, 29(4)3设计结果2丁福建,李英才,卡塞格林反射系统结构动态优化设计采用上述主动控温措施后,以低温工况为输入光子学报,1999,28(8):756~762条件,经稳态计算所得的相机各节点温度.部分部Ding FJ, Li Y C. Acta Photonica Sinica, 1999, 28(8)件温度如表3.756~7623于绍华,杨林娜.对地观测卫星太阳同步轧道的快速设表3低温工况下有加热功率分配的主要部件计算温度值计方法.上海航天,2002,19(2)5~7部件名称计算温度(CYu SH, Yang L N. Shanghai Aeros pace Tehnique, 20021089-109318.39-18.47辐射加热板21552101-21544邓桂俊,武克用.太阳同步圆形轨道空间相机太阳辐射18.38-18.58反射镜3301718.16外热流的计算.光学精密工程,1997,5(6):107~112反射镜43022-302918.44Deng GJ, Wu KY Optics and Precision Engineeringl997,5(6):107~112从上述结果可知:在设计的加热功率下,相机各5王永谦.太阳同步轨道的太阳相对于轨道面入射角的计部分的温度均能满足设计要求.相机整体的温度水算方法,航天器工程,1995,4(4):65~73平维持在18℃左右;光路上全部光学玻璃的温度以Wang Y Q Spacecraft Engineering,1995,(4):657及轴向温度梯度控制在所要求的范围内,主镜的径6丁福建,李英才,外遮光罩工程分析及其结构动力优化向温度梯度也满足设计要求光子学报,1999,28(1):75~79Ding FJ, Li Y C. Acta Photonica Sinica, 1999, 28(1):75结论由于我国现阶段空间相机研发的整体水平较7孙强,刘宏波,等红外折射/衍射超常温光学系统,光子低,相机对温度场的苛刻要求只能由热控措施保证.学报,2003,32(4):466~469另外,我国目前热光学分析技术尚不成熟,因此在热Sun Q, Liu H B, et aL. Acta Photonica SInica, 2003, 32(4):466~469控指标方面还没有能够以光学系统波像差的形式提中国煤化工CNMHG1期陈荣利等.空间相机的热分析和热设计157Thermal Analysis and Design for High Resolution Space TelescopeChen Rongli Geng Liyin, Ma Zhen., Li Yingci'1 Xi an Institute of Optics and Precision Mechanics, CAS, Xian 7100682 The No 5 Academe of Aerospace Science and Technology Group of China, Beijing 1000803 Graduate School of Chinese Academy of scReceived date: 2004-11-15Abstract There are several different sources of thermal energy acting on a spacecraft as it flying on heatdreariness orbit; solar radiation, albedo, earth emitted infrared, and heat generated by camera equipmentitself. Temperature fluctuating is a bad influence on imaging quality of high resolution camera. Purpose othermal control is to maintain all the components of a spacebased camera within their respectivetemperature limits. Detailed thermal analysis and temperature calculation in different work status is put inpractice on a spacebased high resolution camera as a whole in the paper. the result can supply references tothermal control for spacebased high resolution cameraKeywords High resolution space camera; Environmental heat fluxes; Thermal analysis; Thermal designChen Rongli an associate professor, was born in 1973, in Shaanxi Province, China. Hereceived the Master degree in 1999 from Xi'an Institute of Optics and Precision MechanicsChinese academy of Sciences. Now he is working as a Ph. D. candidate in Space OpticsLab. His interest is space optical remote sensing中国煤化工CNMHG