高軌衛(wèi)星大型光學(xué)載荷真空熱試驗設(shè)備研制

張世一，劉瑞芳，李成偉，齊曉軍，陳 麗，彭光東，李宏宇，艾 卓，王根源

（1.上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240；2.中國商飛上海飛機客戶服務(wù)有限公司，上海 200240）

0 引言

對于高軌衛(wèi)星的大型星外載荷（如大型相機），來自太陽輻射外熱流的變化十分劇烈，尤其是太陽光直射進儀器時的極端工況，受遮陽板效應(yīng)（也稱自遮蔽效應(yīng)）影響[1]，熱分析和常規(guī)的紅外熱流模擬手段均難以準確反映其熱條件狀況，必須采用太陽模擬器進行熱平衡試驗才能獲得熱試驗的有效數(shù)據(jù)。基于此，為滿足某型號大型載荷熱平衡試驗及真空定標試驗需求，上海衛(wèi)星裝備研究所研制了一套大型真空熱試驗設(shè)備，代號Y1H。該設(shè)備配有有效光束直徑達到2 m的太陽模擬器，與北京航天城的2 m太陽模擬器并列為我國目前已建成的空間環(huán)境下最大的準直型太陽模擬器[2-8]。

Y1H容器部分（含真空容器、液氮罐等）于2015年建設(shè)完成并投入使用，太陽模擬器、運動模擬器于2017年建設(shè)完成。Y1H設(shè)備建成后，已先后圓滿完成了多次航天器系統(tǒng)級真空熱試驗及光學(xué)有效載荷試驗，設(shè)備狀態(tài)優(yōu)良。本文對該設(shè)備的研制方案及特點進行總結(jié)。

1 Y1H概況

Y1H主要由真空容器、熱沉、真空抽氣系統(tǒng)、氮系統(tǒng)、太陽模擬器、運動模擬器、中央控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。設(shè)備主體為臥式組合體結(jié)構(gòu)，分為φ6.5 m×6.5 m的臥式主容器和φ3.8 m×6.5 m的臥式輔容器，主容器用于提供試驗空間，輔容器用于提供太陽模擬器光路所需空間。太陽模擬器為離軸準直型，有效光束直徑為2 m，配合二維轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)載荷相對太陽方位變化的太陽輻照模擬。

圖1 Y1H實物圖Fig.1 Photo of Y1H

Y1H設(shè)備主要指標如下：

（1）容器結(jié)構(gòu)：臥式主容器+臥式輔容器組合體結(jié)構(gòu)；

（2）容器有效尺寸，主容器：φ6.5 m（直徑）×6.5 m（長）；輔容器：φ3.8 m（直徑）×6.5 m（長）；

（3）熱沉有效尺寸：φ6 m（直徑）×6.5 m（長）；（4）熱沉溫度：低于100 K；

（5）極限真空度：優(yōu)于3×10-5Pa；

（6）太陽模擬器有效光束直徑：2 m；太陽輻照度：500～1 760 W/m2；光束準直角：±1.5°；光斑均勻性：優(yōu)于±5%；

（7）運動模擬器承載能力：≥4 t；轉(zhuǎn)動范圍：方位轉(zhuǎn)動、俯仰轉(zhuǎn)動及耦合運動。

2 設(shè)備主要部件及特點

2.1 大型水平離軸準直太陽模擬器

太陽模擬器用于模擬太空中的太陽輻照。按光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點，太陽模擬器主要可分為同軸系統(tǒng)和離軸系統(tǒng)。同軸系統(tǒng)多用于小型太陽模擬器，對于大尺寸的輻照面積，其很難獲得優(yōu)于±10%的輻照不均勻度。離軸系統(tǒng)相對復(fù)雜，但其輻照不均勻度相對較小?；诖耍瑸楸ＷC模擬精度，Y1H采用離軸系統(tǒng)。

Y1H太陽模擬器為水平方向離軸準直式光學(xué)系統(tǒng)，通過采用國際主流的全封閉換熱技術(shù)、大型準直鏡拼接技術(shù)及關(guān)鍵參量在線監(jiān)控技術(shù)，實現(xiàn)了有效光束直徑達到2 m，輻照度在500～1 760 W/m2連續(xù)可調(diào)，均勻性優(yōu)于±5%的技術(shù)要求。

使用13個燈單元組成聚光鏡陣列，光源為高可靠10 kW氙燈，能夠保證太陽模擬器無故障連續(xù)工作500 h，使用高穩(wěn)定開關(guān)電源，能夠保證輻照不穩(wěn)定度優(yōu)于±1%/h。通過精密裝校使得光軸與罐體中心軸線夾角在±0.5°以內(nèi)。

為模擬太陽光束的均勻性，積分鏡的投影鏡和場鏡分別由31個圓形元素鏡組成，投影鏡位于準直鏡焦點位置，場鏡位于聚光鏡第二焦點位置，投影鏡的小透鏡將場鏡各小透鏡經(jīng)準直物鏡成像到最佳輻照面，所有小透鏡的像在被照面上重疊在一起，實現(xiàn)最佳輻照面的均勻照明，如圖2所示。

為模擬太陽光束的準直性，太陽模擬器的光束準直角設(shè)計小于2°，根據(jù)準直角光闌φ、球面準直鏡焦距L和準直角α之間的關(guān)系：α=arctg(φ/2/L)，積分鏡控制在φ400 mm，承受瞬時輻照強度最高達60 kW/m2，同時采用風冷和水冷為積分鏡鏡面和框架制冷，以保證鏡片及框架的形變在可控范圍。

準直鏡組件由19套準直鏡單元、準直鏡框架以及框架與容器的6個支撐機構(gòu)組成，安裝在Y1H輔容器后部，如圖3所示。19套準直鏡單元通過螺接固定在準直鏡框架上，拼接成有效口徑為φ2 710 mm，曲率半徑R為13 280 mm的球面反射鏡。Y1H小門上安裝有熱沉，用于準直鏡組件的冷卻。

圖2 積分鏡圖Fig.2 Integrating Mirror

圖3 準直鏡圖Fi.3 Collimating Mirror

2.2 大承載二維運動模擬器

運動模擬器用于配合太陽模擬器，模擬載荷相對太陽的方位變化，進行精確外熱流模擬。本運動模擬器為二維轉(zhuǎn)臺，可進行方位轉(zhuǎn)動、俯仰轉(zhuǎn)動及耦合運動，承載能力為4 000 kg。運動模擬器由方位機構(gòu)、俯仰機構(gòu)及小車三部分組成，小車為方位機構(gòu)、俯仰機構(gòu)的裝載及運輸工具。由方位機構(gòu)、俯仰機構(gòu)實現(xiàn)自旋軸、俯仰軸二個運動維系的運動，每個機構(gòu)均由電機、減速器、控制器等組成，電機為進口伺服電機，減速器為精密直角減速器，經(jīng)過特殊處理并配合溫控措施，均可適應(yīng)真空低溫環(huán)境。運動模擬器通過光柵實現(xiàn)方位、俯仰角度的測量及讀取，并設(shè)計軟件限位、電氣限位的雙重限位功能，確保安全。

2.3 新型同軸組合臥式筒體結(jié)構(gòu)

由于離軸準直式太陽模擬器二次反射區(qū)及準直鏡相對孔徑的限制，容器需留出一定的空間用于光線準直，臥式容器通常采用加長容器的方式來提供空間（如圖4所示），對于本系統(tǒng)，該空間長度接近7 m。從經(jīng)濟高效的角度出發(fā)，筆者創(chuàng)新性的提出新型同軸組合式臥式筒體結(jié)構(gòu)，將光線準直部分容器直徑縮小，最終容器結(jié)構(gòu)設(shè)計為同軸型的臥式主容器+臥式輔容器，如圖5所示。

圖4 傳統(tǒng)臥式容器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Traditional schematic diagram of horizontal chamber

主容器用于產(chǎn)品試驗，輔容器為太陽模擬器光路服務(wù)，主容器和輔容器同軸，通過焊接形式連接。主容器內(nèi)部有效尺寸為φ6.5 m×6.5 m，以φ6.5 m端蓋作為大門，用于試驗產(chǎn)品及工裝進出，大門通過頂部龍門架實現(xiàn)電動平移開啟、關(guān)閉。主容器另一端面開φ3.8 m洞，用于連接輔容器。輔容器內(nèi)部有效尺寸為φ3.8 m×6.5 m，側(cè)面裝有喇叭型通光孔（錐筒），通光孔開孔長達3.2 m，離軸角為38°。輔容器以φ3.8 m的端蓋為小門，通過電動平移開啟，用于準直鏡的安裝和檢修。

圖5 Y1H結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of Y1H

Y1H容器強度（應(yīng)力分布）、穩(wěn)定性（屈曲波形）有限元分析如圖6、圖7所示（施加載荷為1.01×105Pa的外壓+設(shè)備自重），最大應(yīng)力為102 MPa，屈曲載荷因子為11.8，均滿足要求。

圖6 容器整體應(yīng)力分布圖Fig.6 Stress distribution of chamber

圖7 容器整體屈曲波形圖Fig.7 Bucking wave of chamber

2.4 大型低溫可移動光闌

為確保有效通光、并實現(xiàn)瞬態(tài)熱流模擬，以及在太陽模擬器不工作時或非太陽直射工況時熱沉覆蓋率大于95%，在主容器與輔容器交界處設(shè)置大型低溫可移動光闌，如圖8所示?？梢苿庸怅@包絡(luò)直徑3 m，表面溫度低于100 K，分為左右對稱的兩片，通過兩根門軸固定在輔容器筒體熱沉支架上，門軸穿過輔容器法蘭與外部伺服電機連接，采用磁流體密封技術(shù)實現(xiàn)門軸與穿罐法蘭的密封。通過控制伺服電機可實現(xiàn)開、關(guān)的動作，關(guān)門時，可以實現(xiàn)對輔容器的完全遮擋，開門時，對太陽模擬器光路無遮擋。

圖8 封頭冷板圖Fig.8 Cryo-panels of head

3 設(shè)備試驗運行結(jié)果

自建成以來，Y1H圓滿完成了多次航天器系統(tǒng)級真空熱試驗及光學(xué)有效載荷試驗。下面以某次試驗為例對設(shè)備實際性能情況進行說明。

容器真空度數(shù)據(jù)如圖9所示，容器可在1.5 h內(nèi)達到5 Pa以下，常溫環(huán)境下20 h內(nèi)真空度可達5×10-4Pa，通液氮2d后真空度可達3×10-5Pa。熱沉溫度如圖10所示，液氮泵啟動0.5 h后設(shè)備進入穩(wěn)定狀態(tài)，熱沉溫度均低于95 K。

太陽模擬器常溫常壓下的照射效果如圖11所示。真空低溫環(huán)境下，輻照強度為1個太陽常數(shù)時的均勻性測試結(jié)果如圖12所示，不均勻度為3.60%。

圖9 容器真空度曲線Fig.9 Pressure curve of chamber

圖10 熱沉溫度曲線Fig.10 Temperature curve of thermal shroud

圖11 太陽模擬器照射效果圖Fig.11 Photo of solar simulator

圖12 均勻性測試結(jié)果圖Fig.12 Uniformity of solar simulator

4 結(jié)論

Y1H采用新型同軸臥式組合體結(jié)構(gòu)，配置目前國內(nèi)空間環(huán)境下最大的準直型太陽模擬器，指標先進，試驗功能多樣、適用面廣，有效降低了試驗設(shè)備的研制費用。自建成以來，Y1H已圓滿完成了多次整星及載荷試驗。試驗期間，各分系統(tǒng)工作穩(wěn)定，性能優(yōu)良，真空度（普遍優(yōu)于3×10-5Pa）、熱沉溫度（穩(wěn)定在85～95 K）、太模均勻性（優(yōu)于±5%）等各項指標均滿足要求。