“高分四號”衛(wèi)星相機在軌溫度分析及熱設(shè)計優(yōu)化

于峰，徐娜娜，趙振明

（1.北京空間機電研究所，北京100094； 2.先進光學遙感技術(shù)北京市重點實驗室，北京100094）

地球靜止軌道（Geostationary Orbit，GEO）高分辨率成像衛(wèi)星監(jiān)視范圍廣、時間分辨率高，具備極高的響應(yīng)能力，可對拍攝區(qū)域內(nèi)目標進行持續(xù)觀測，甚至視頻觀測，美國和歐洲等主要航天機構(gòu)在靜止軌道對地觀測領(lǐng)域均開展了相關(guān)研究［1-4］?！案叻炙奶枴毙l(wèi)星是中國第一顆民用地球靜止軌道高分辨率光學遙感衛(wèi)星，填補了中國乃至世界高軌高分辨率遙感衛(wèi)星的空白［5］。星載凝視相機是“高分四號”衛(wèi)星的有效載荷，具備在地球靜止軌道獲取星下點可見光近紅外譜段（全色及多光譜）50m地面像元分辨率，中波紅外譜段400m地面像元分辨率圖像數(shù)據(jù)的能力，設(shè)計壽命8年［6］。

相機的高精度熱控是保證相機的成像質(zhì)量、實現(xiàn)相機的壽命和可靠性的重要條件，為保證在軌成像品質(zhì)和指向精度，相機的主要部組件需在全壽命周期內(nèi)保持較高的溫度穩(wěn)定性［7］。而相機在軌運行中要長期經(jīng)受太陽、行星和空間低溫熱沉的交替加熱和冷卻，給熱設(shè)計帶來挑戰(zhàn)［8］。目前，相機通常所采用的熱控技術(shù)與衛(wèi)星平臺大體一致，其主要思路是：采用被動的熱防護措施，如多層隔熱材料來隔絕相機與外部空間環(huán)境的輻射換熱；在主承力結(jié)構(gòu)、鏡頭及支撐結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵部位設(shè)計主動加熱回路來調(diào)控溫度水平；采用槽道熱管或環(huán)路熱管［9］將內(nèi)部熱耗引出至星外熱輻射器，最終排散到冷空間［10-11］。對于地球靜止軌道相機，所處空間熱流變化更為復雜［12-13］，一個軌道周期內(nèi)，外熱流變化劇烈，高低溫持續(xù)時間長。針對地球靜止軌道空間熱環(huán)境特點和相機工作模式，“高分四號”衛(wèi)星相機在熱設(shè)計中提出了一些創(chuàng)新性的設(shè)計方法，并進行了充分的地面驗證。

“高分四號”衛(wèi)星于2015年12月成功發(fā)射，目前已在軌穩(wěn)定運行4年，相機熱控系統(tǒng)表現(xiàn)良好，在軌溫度數(shù)據(jù)符合預期；通過在軌數(shù)據(jù)與仿真分析數(shù)據(jù)、地面試驗數(shù)據(jù)的對比分析，驗證了相機熱仿真分析模型和試驗驗證方案的正確性，并根據(jù)在軌運行情況提出了設(shè)計優(yōu)化建議，為后續(xù)地球靜止軌道遙感器的熱設(shè)計和優(yōu)化提供參考和指導。

1 相機熱設(shè)計

1.1 相機熱設(shè)計任務(wù)分析

“高分四號”衛(wèi)星相機具有較高的分辨率和指向精度，需主光學系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)在全壽命周期內(nèi)保持高溫度穩(wěn)定性和均勻性，但相機所處的地球靜止軌道空間熱環(huán)境惡劣，且相機自身尺寸大、結(jié)構(gòu)復雜、熱源多，給熱設(shè)計帶來極大挑戰(zhàn)。

1）地球靜止軌道的軌道周期長，冷熱交變劇烈且持續(xù)時間長，相機表面周期性的溫度變化幅度可達±200℃，維持相機內(nèi)部溫度穩(wěn)定難度極大。

2）午夜前后4 h內(nèi)太陽光可能入侵相機內(nèi)部，輻射強度接近一個太陽常數(shù)，給遮光罩和主光學系統(tǒng)的熱設(shè)計造成了巨大的困難。

3）相機具有可見光近紅外和中波紅外2個成像通道，熱源分散、功耗大，±Y面外熱流相對較為穩(wěn)定，但不同季節(jié)之間也面臨著0～560W/m2左右的太陽輻射外熱流變化，相機散熱設(shè)計難度大。

1.2 相機熱設(shè)計方案

根據(jù)“高分四號”衛(wèi)星相機任務(wù)特點及要求，提出如下相機熱設(shè)計方案［14］。

1.2.1 隔熱設(shè)計

1）相機遮光罩的部分外表面、前承力框外表面、相機后罩外表面等與外部空間和衛(wèi)星艙板有輻射關(guān)系的位置包覆多層隔熱組件。

2）制冷機、可見光焦面電路、紅外焦面電路、紅外視頻盒等功耗較大的內(nèi)熱源外部包覆多層隔熱組件，同時與主承力隔熱安裝。

3）相機通過阻尼桁架與衛(wèi)星艙板連接，滿足結(jié)構(gòu)強度的同時實現(xiàn)了相機與艙板的高效隔熱。

1.2.2 主光學系統(tǒng)熱設(shè)計

高軌相機遮光罩內(nèi)部甚至光學系統(tǒng)（見圖1）在“日凌”時刻會面臨長時間的太陽照射，主光學系統(tǒng)的熱設(shè)計是影響相機成像質(zhì)量的關(guān)鍵因素，主要措施如下：

1）相機遮光罩上筒及光柵采用高導熱率的2A12O鋁合金材料，快速拉均太陽輻射熱量，消除局部熱點。

圖1 相機主光學系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram ofmain optical system of camera

2）遮光罩外表面噴涂低吸收-發(fā)射比的熱控涂層，降低高溫工況主光學系統(tǒng)的溫度，同時充分考慮低溫工況相機無外熱流條件下的溫度補償，將散熱區(qū)域面積與包覆多層區(qū)域面積進行反復迭代計算，既滿足高溫指標又能達到資源優(yōu)化。

3）主鏡背面安裝高發(fā)射率輻射板，輻射板上布置主動控溫加熱回路，通過控制輻射板溫度達到控制主鏡溫度的目的。

4）午夜前后衛(wèi)星進行姿態(tài)調(diào)整，調(diào)整策略根據(jù)遮光罩長度設(shè)計，避免光學系統(tǒng)接受太陽照射。

1.2.3 電子設(shè)備散熱設(shè)計

1）中波紅外通道電子設(shè)備選用散熱條件較好的±Y面散熱面；白天開機的可見光近紅外通道電子設(shè)備選用+Z面散熱面。

2）采用槽道熱管將±Y面散熱面連通，提升散熱面的散熱效率。

3）合理設(shè)計散熱路徑，采用內(nèi)部熱管與高導熱材料將分散熱量集中后再排散出去，降低結(jié)構(gòu)布局及總裝難度。

電子設(shè)備散熱設(shè)計如圖2所示。

圖2 電子設(shè)備散熱設(shè)計示意圖Fig.2 Schematic diagram of heat dissipation design of electronic equipment

2 相機在軌溫度數(shù)據(jù)及分析

“高分四號”衛(wèi)星于2015年12月發(fā)射，目前相機已成功經(jīng)歷了轉(zhuǎn)移軌道及數(shù)次春分、8.8°（指太陽光與相機光軸的夾角為8.8°）和夏至等典型高低溫工況的考驗。表1列出了典型工況下相機關(guān)鍵部組件的溫度數(shù)據(jù)，溫度均滿足相機成像要求；圖3～圖6列出了光機主體和關(guān)鍵電子學設(shè)備在軌4年的溫度變化趨勢。

分析“高分四號”衛(wèi)星相機各關(guān)鍵部組件4年的溫度變化趨勢，可以得出如下結(jié)論：

1）前鏡筒和主承力結(jié)構(gòu)溫度水平直接影響相機的成像性能，因此有著極高的溫度穩(wěn)定性和均勻性要求。主承力結(jié)構(gòu)與阻尼桁架、可見光焦面組件、后承力筒、中心消光筒等多個部組件具有安裝接口，前鏡筒安裝接口雖較少，但處于相機前端，與空間環(huán)境熱交換較大，針對上述特點，熱設(shè)計中一方面提升與主承力結(jié)構(gòu)有安裝接口的相同溫區(qū)的部組件的溫度穩(wěn)定度，另一方面在不同溫區(qū)部組件間安裝導熱系數(shù)較低的支撐結(jié)構(gòu)作為溫度過度，支撐結(jié)構(gòu)與主承力結(jié)構(gòu)隔熱安裝的同時，在支撐結(jié)構(gòu)安裝面上布置控溫回路，將安裝面控制在主承力結(jié)構(gòu)的溫區(qū)內(nèi)；前鏡筒內(nèi)外壁均包覆多層隔熱組件，細化加熱回路分區(qū)。表1給出了前鏡筒和主承力結(jié)構(gòu)各24路測控溫點在軌的溫度變化情況，各個位置均在（20±0.5）℃范圍內(nèi)，圖3給出了主承力結(jié)構(gòu)單路測溫點在軌溫度變化曲線，4年內(nèi)溫度波動在±0.3℃以內(nèi)。在軌數(shù)據(jù)表明，該處熱設(shè)計有效屏蔽了內(nèi)外熱流擾動對主承力結(jié)構(gòu)和前鏡筒的溫度擾動，主支撐結(jié)構(gòu)在全周期內(nèi)達到較高的溫度穩(wěn)定性，溫度幾乎不隨季節(jié)的變化而變化。

2）圖4給出了主鏡在軌溫度變化情況。雖然對遮光罩的長度、均溫性、散熱能力進行了細致的熱設(shè)計，同時配合進行整星姿態(tài)調(diào)整，但目前設(shè)計條件下，主鏡反射面面對入光口空間熱流及冷黑空間交替、遮光罩高低溫變化及前鏡筒內(nèi)壁多層溫度交變的惡劣熱環(huán)境作用下，主鏡溫度存在一定的軌道周期性與季節(jié)性變化，且隨著遮光罩外側(cè)ACR-1熱控涂層退化的影響存在小幅上升。

表1 相機各關(guān)鍵部組件溫度數(shù)據(jù)Tab le 1 Tem perature data of key com ponents of cam era

圖3 主承力結(jié)構(gòu)在軌溫度數(shù)據(jù)Fig.3 On-orbit temperature data ofmain bearing structure

3）表1給出了制冷機、紅外焦面電路盒、紅外視頻電路盒等紅外通道電子設(shè)備的溫度范圍，圖5給出了制冷機在軌溫度變化情況。紅外通道的電子設(shè)備長期開機，且功耗大，溫度指標要求高，將熱量引至散熱條件較好的±Y面散熱面，并采用偏低溫的設(shè)計思路，確保制冷機具有良好的制冷能力。在軌飛行數(shù)據(jù)表明，制冷機壓縮機各工況溫度維持在4.2～5.3℃之間，膨脹機溫度維持在3.3～5.0℃之間，且未隨時間加長而升高，具有良好的溫度穩(wěn)定性。

圖4 主鏡在軌溫度數(shù)據(jù)Fig.4 On-orbit temperature data ofmain m irror

4）可見光通道僅白天開機，因此將其熱量排散至+Z面散熱面。表1和圖6給出了CMOS器件在軌溫度范圍和變化情況，在軌飛行數(shù)據(jù)表明，CMOS器件白天工作時段溫度維持在7.2～10.5℃之間，具有較好的溫度穩(wěn)定性，午夜非工作段因其散熱面受到太陽輻射熱流影響升溫較為明顯，且隨在軌時間的增加而上升，上升幅度逐年減小。這是由于地球靜止軌道中的空間低能帶電粒子環(huán)境和紫外光輻照環(huán)境會對散熱面（Optical Solar Reflector，OSR）及附近遮光罩下段多層面膜造成嚴重損傷，導致熱控涂層的太陽吸收率增大，表現(xiàn)為散熱面溫度逐年上升。帶電粒子環(huán)境對衛(wèi)星表面太陽吸收率參數(shù)影響較大的主要是外輻射帶和熱等離子體環(huán)境，材料性能會隨輻照累積而慢慢退化；太陽紫外線會使材料發(fā)生降解而形成新的成分，紫外引起太陽吸收比退化具有開始非?？?、后來漸漸減慢的特點。

圖5 制冷機熱端在軌溫度數(shù)據(jù)Fig.5 On-orbit temperature data of refrigerator’s hot end

圖6 CMOS在軌溫度數(shù)據(jù)Fig.6 On-orbit temperature data of CMOS

本文對+Z面散熱面溫度上升的原因進行了仿真分析，采用經(jīng)試驗及在軌數(shù)據(jù)校正后的相機仿真模型調(diào)整OSR和多層面膜太陽吸收率參數(shù)，獲得散熱面溫度，對散熱面自身（OSR）性能退化與遮光罩下段多層面膜退化影響進行敏度分析。分析結(jié)果表明，二者退化均對散熱面溫度產(chǎn)生了影響，自身OSR性能退化影響更大，遮光罩多層因與散熱面輻射角系數(shù)較小而對散熱面升溫貢獻相對較小，4年內(nèi)OSR太陽吸收比每年退化在0.008～0.012之間，前兩年退化量相當，第3年和第4年退化有所降低；多層面膜退化對散熱面溫度影響偏小，相機該位置在軌未布置直接溫度測點，因此本文無法給出定量化分析。

3 高軌相機熱設(shè)計優(yōu)化

隨著中國空間遙感技術(shù)的發(fā)展，高軌遙感器以覆蓋視場大、機動靈活、響應(yīng)快等特點，成為航天領(lǐng)域重點研究方向之一，常用軌道包括地球靜止軌道、超地球同步軌道、有傾角的地球同步軌道、大橢圓軌道等。隨著軌道高度的增加，相機口徑也大大增加，惡劣空間環(huán)境下提高光機主體的控溫均勻性和穩(wěn)定性成為進一步提升高軌相機成像質(zhì)量的瓶頸問題。

“高分四號”衛(wèi)星相機為目前國際上分辨率最高的地球靜止軌道遙感器，相機熱控系統(tǒng)的穩(wěn)定運行給相機成像提供了良好的溫度環(huán)境。針對有別于太陽同步軌道的特殊熱環(huán)境，相機采用了多種有針對性的熱設(shè)計方法，同時選用了具有高軌空間適應(yīng)性的熱控產(chǎn)品，為后續(xù)高軌遙感器的熱設(shè)計提供了參考。隨著“高分四號”衛(wèi)星相機持續(xù)在軌運行，目前已獲取了4年以上的在軌溫度數(shù)據(jù)，為高軌相機熱仿真分析模型修正和經(jīng)驗參數(shù)的選擇提供了依據(jù)，同時，借鑒“高分四號”衛(wèi)星相機熱設(shè)計經(jīng)驗，可為后續(xù)高軌相機熱控系統(tǒng)及光機結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵部組件熱設(shè)計提供如下建議，以進一步提升控溫精度及穩(wěn)定性，節(jié)約主動控溫功耗和重量等星上資源。

3.1 高軌相機熱控系統(tǒng)設(shè)計思路

1）光機主體熱設(shè)計。高軌相機工作軌道周期長，高低溫交變持續(xù)時間長，且外熱流變化幅度大，為了提升光機主體控溫精度和穩(wěn)定性，給相機成像提供良好的溫度條件。一是要根據(jù)相機成像特點和溫度指標要求開展遮光罩結(jié)構(gòu)設(shè)計和均溫性設(shè)計，必要時采取適當?shù)男l(wèi)星姿態(tài)調(diào)整或者遮光罩位置調(diào)整等措施，屏蔽入光口熱流擾動，為光學系統(tǒng)提供良好的溫度環(huán)境；二是采用間接輻射熱控的設(shè)計方法，在主鏡背面設(shè)置輻射板，通過控制輻射板的溫度控制主鏡溫度，提升主鏡溫度均勻性；三是開展輕質(zhì)高導熱材料的研究，提高大型承力結(jié)構(gòu)件的均溫性，滿足高軌大口徑遙感器的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。

2）電子設(shè)備散熱設(shè)計。高軌遙感器各面均可接受到太陽輻射熱流，無長期穩(wěn)定的背陰面可選擇作為散熱面，散熱資源消耗比較大，應(yīng)結(jié)合相機工作模式及控溫需求，采用綜合熱管理技術(shù)進行分溫區(qū)設(shè)計與廢熱利用設(shè)計，同時開展熱致變色涂層、電致變色涂層等智能熱控技術(shù)的研究，減少散熱面質(zhì)量及主動控溫功耗，節(jié)約星上資源。

3）熱控產(chǎn)品選用。開展空間用熱控涂層材料研究，通過膜系設(shè)計調(diào)節(jié)紫外波段能量的吸收和反射、增強在軌空間穩(wěn)定性，降低熱控涂層末期的吸收發(fā)射比至0.25以下（15年），同時滿足高軌防靜電要求，降低太陽輻射熱流對相機溫度的影響［15-16］。

3.2 遮光罩熱設(shè)計優(yōu)化

“日凌”現(xiàn)象會導致太陽光長時間入射相機遮光罩內(nèi)壁，甚至入侵相機內(nèi)部，是導致相機主光學系統(tǒng)溫度變化劇烈的重要因素，因此，遮光罩溫度控制是相機控溫的關(guān)鍵因素之一，提高相機遮光罩的等效導熱系數(shù)從而提升遮光罩整體均溫性，使遮光罩內(nèi)壁吸收的熱量迅速擴散，并傳遞至外壁不受曬的區(qū)域散出?！案叻炙奶枴毙l(wèi)星相機遮光罩的內(nèi)外蒙皮、鋁蜂窩及光柵均選用了高導熱系數(shù)的鋁合金材料，是普通5A06鋁合金導熱系數(shù)的近2倍，有效將遮光罩局部熱點溫度降至49℃，滿足遮光罩≤50℃的溫度指標要求。進一步降低遮光罩溫度則可為主鏡提供更好的溫度環(huán)境。傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方法為在夾層蜂窩中預埋熱管，但該方案存在問題如下：相機遮光罩以圓柱形居多，在圓弧形蜂窩結(jié)構(gòu)中預埋熱管工藝難度較大；預埋后可提升周向或軸向的均溫性，難以形成正交布局提升整個面內(nèi)的均溫性；熱管質(zhì)量大，大大增加遮光罩的質(zhì)量；地面試驗受逆重力的影響無法完全啟動，導致地面驗證不充分。本文提出一種新型輕質(zhì)高導熱復合材料，材料由碳纖維+石墨+碳纖維復合而成，中間石墨層由多層25μm左右的石墨膜熱壓黏接復合，多層復合式結(jié)構(gòu)導致層間導熱系數(shù)較低，法相傳熱性能較差，但經(jīng)仿真計算，材料面內(nèi)等效導熱系數(shù)可達1 100W/（m·K）以上［17-18］，實測結(jié)果與仿真結(jié)果較為一致，且該材料具有密度低、導電性能好、比強度和比模量高等優(yōu)點，可作為高導熱結(jié)構(gòu)材料替換遮光罩內(nèi)外蒙皮。

以“高分四號”衛(wèi)星相機為例進行遮光罩優(yōu)化方案的分析計算，對內(nèi)外蒙皮的鋁合金材料更改優(yōu)化為新型復合材料，遮光罩原設(shè)計方案為選用鋁蒙皮（外蒙皮）+鋁蜂窩+鋁蒙皮（內(nèi)蒙皮），優(yōu)化方案1為新型復合材料（外蒙皮）+鋁蜂窩+鋁蒙皮（內(nèi)蒙皮），優(yōu)化方案2為新型復合材料（外蒙皮）+鋁蜂窩+新型復合材料（內(nèi)蒙皮）。使用UG NX商用熱分析軟件對3種遮光罩設(shè)計方案進行相機系統(tǒng)級仿真計算，根據(jù)熱分析計算的需要對模型進行了適當?shù)暮喕?，忽略相機內(nèi)部微小結(jié)構(gòu)件對導熱、輻射的影響，將螺釘?shù)染植拷Y(jié)構(gòu)特征進行簡化處理，熱分析有限元模型如圖7所示，根據(jù)相機熱平衡試驗和在軌溫度數(shù)據(jù)對模型中的熱耦合進行修正。圖8和圖9給出了3種設(shè)計方案高溫工況遮光罩及主鏡溫度對比。

圖7 相機熱分析模型Fig.7 Thermal analysismodel of camera

圖8 相機遮光罩溫度變化情況對比Fig.8 Temperature change comparison of camera’s hood

圖9 相機主鏡溫度變化情況對比Fig.9 Temperature change comparison of camera’s main mirror

經(jīng)過上述計算分析可知，與原設(shè)計方案相比，優(yōu)化方案1（遮光罩外蒙皮由鋁合金材料更換為新型石墨復合材料）將遮光罩局部熱點溫度由49℃降低至37℃，遮光罩溫度梯度由82℃降低為61℃，對控制遮光罩局部熱點溫度，降低雜光對相機成像性能的影響效果極為明顯，同時主鏡最高溫度由21.6℃降低至21.25℃，雖最低溫度有所降低，但溫度下限可通過多種熱控手段進行提升，因此該方案對主光學系統(tǒng)溫度控制有較好的效果；優(yōu)化方案2在優(yōu)化方案1的基礎(chǔ)上，將遮光罩內(nèi)蒙皮也更換成新型石墨復合材料，遮光罩與主光學系統(tǒng)控溫效果也有所提升，但效果不再明顯。

3.3 主鏡熱設(shè)計優(yōu)化

主鏡溫度受所處環(huán)境輻射影響和支撐結(jié)構(gòu)導熱影響，在相機工作軌道和相機結(jié)構(gòu)確定的基礎(chǔ)上，要提高主鏡的溫度均勻性和溫度穩(wěn)定性應(yīng)從主鏡輻射屬性和安裝結(jié)構(gòu)入手。一是通過優(yōu)化主鏡正面膜層設(shè)計，在保證光學設(shè)計的基礎(chǔ)上降低該面紅外發(fā)射率，以此降低空間環(huán)境、遮光罩和前鏡筒內(nèi)壁多層溫度波動對主鏡溫度的影響；二是主鏡背面噴涂高紅外發(fā)射率的黑漆，提升主鏡與主鏡輻射板間的間接輻射控溫效果，降低主鏡溫度波動；三是開展結(jié)構(gòu)熱控一體化設(shè)計，通過控制安裝結(jié)構(gòu)與主鏡的導熱熱阻優(yōu)化主鏡控溫。針對“高分四號”衛(wèi)星相機可從如下2個方面進行優(yōu)化：

1）提升間接輻射控溫效果?！案叻炙奶枴毙l(wèi)星相機原設(shè)計方案為主鏡背面不做處理（紅外發(fā)射率約為0.7），主鏡輻射板噴涂黑漆（紅外發(fā)射率為0.85），該設(shè)計狀態(tài)下主鏡溫度可控制在相機工作要求范圍內(nèi)，滿足成像溫度要求。如因相機成像要求需進一步提升主鏡溫度穩(wěn)定性，可在主鏡背面與主鏡輻射板均噴涂黑漆，增強二者之間的輻射換熱關(guān)系，同時增加主鏡輻射板的面積，調(diào)整其控溫閾值，提升主鏡低溫下限的情況下降低高溫工況主鏡輻射板對主鏡的影響。

2）強化主鏡與主鏡托框的導熱。主鏡與主鏡托框的導熱熱阻是影響主鏡控溫的重要因素之一?！案叻炙奶枴毙l(wèi)星相機主鏡組件采用裝框式輔以限位塊的復合式支撐技術(shù)，主鏡與主鏡托框通過分段齒狀徑向膠斑黏接；主鏡采用SiC材料，具有較高的導熱系數(shù)，主鏡托框向主鏡補償?shù)目販毓目煽焖贁U散至主鏡其他區(qū)域，而不會在安裝區(qū)域產(chǎn)生局部熱點，進而影響主鏡面型。本文對主鏡-主鏡托框熱阻對主鏡溫度的影響進行了分析計算（分析模型見圖7），圖10給出了主鏡與主鏡托框原設(shè)計狀態(tài)（原設(shè)計方案）、隔熱安裝（對比方案）、強化導熱（優(yōu)化方案3）、強化導熱并增加主鏡托框有效導熱系數(shù)（優(yōu)化方案4）4種方案下主鏡溫度變化情況，仿真結(jié)果表明：①增大主鏡與安裝結(jié)構(gòu)的熱阻，不利于低溫工況下主鏡的溫度控制；②減小主鏡與安裝結(jié)構(gòu)的熱阻，可有效提升主鏡的溫度下限，降低主鏡溫度波動，且并未影響主鏡的溫度均勻性；③增加主鏡托框的導熱系數(shù)，可降低主鏡溫度波動，提升主鏡托框的溫度均勻性。因此應(yīng)在光學設(shè)計階段考慮主鏡熱設(shè)計，在保證面型要求的基礎(chǔ)上選擇熱阻較小的安裝方式，或者通過粘貼石墨導熱帶等方式增加主鏡與主鏡托框的導熱鏈路。此外，一般主鏡安裝結(jié)構(gòu)選用熱膨脹系數(shù)小的鈦合金材料，導熱系數(shù)較低，對于大口徑相機主鏡漏熱較大以及測繪相機主鏡組件溫度要求較高的情況下需考慮優(yōu)化安裝結(jié)構(gòu)的主動控溫回路布局及提升結(jié)構(gòu)等效導熱系數(shù)的設(shè)計，避免安裝結(jié)構(gòu)存在較大的溫差。

圖10 不同熱阻下相機主鏡溫度變化對比Fig.10 Temperature change comparison of camera’s main mirror under different thermal resistance

3.4 電子設(shè)備散熱設(shè)計優(yōu)化

高軌遙感器電子設(shè)備工作時間長，且無長期穩(wěn)定的背陰面可選擇作為散熱面，散熱所需散熱面和主動控溫功耗需求較大，需要合理設(shè)計。

散熱面面積應(yīng)綜合考慮相機最長工作模式、最大空間熱流、涂層末期退化等因素，高溫工況下滿足電子設(shè)備不超過允許最高工作溫度，式（1）為高溫工況散熱面面積計算公式。

式中：Qmax為電子設(shè)備開機最大熱耗；qinf-max為接收最大紅外熱流；qsolar-max為接收最大太陽輻射熱流；A為散熱面面積；σ為斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)；ε為散熱面等效紅外發(fā)射率；Tmax為散熱面高溫工況溫度；Tspace為冷黑空間溫度。

主動控溫功耗綜合考慮相機最小工作模式、最小空間熱流、涂層初期屬性等因素，低溫工況下滿足電子設(shè)備不超過允許最低工作溫度或待機溫度，式（2）為低溫工況主動控溫功耗計算公式。

式中：Qmin為電子設(shè)備開機最小熱耗或待機熱耗；qinf-min為接收最小紅外熱流；qsolar-min為接收最小太陽輻射熱流；Qcom為主動控溫功耗；Tmin為散熱面低溫工況溫度。

根據(jù)“高分四號”衛(wèi)星相機成像模式，熱設(shè)計中將長期開機的紅外通道電子設(shè)備熱量引至±Y面散熱面，將白天開機的可見光通道電子設(shè)備熱量引至+Z面散熱面，很好地滿足了相機散熱需求。如星上資源緊張，可對紅外通道電子設(shè)備進行分溫區(qū)散熱設(shè)計，優(yōu)化方案5如圖11所示。

圖11 優(yōu)化方案5電子設(shè)備散熱示意圖Fig.11 Heat dissipation diagram of electronic equipment in optimization design 5

將控溫要求為0～10℃的制冷機組件廢熱引至±Y面散熱面1散出，將控溫要求為-15～45℃的焦面電路、視頻盒等電子設(shè)備廢熱引至±Y面散熱面2散出，該種設(shè)計下可有效縮減散熱面的總面積和主動控溫功耗。根據(jù)式（1）和式（2）計算可知，與原設(shè)計狀態(tài)相比，優(yōu)化方案5可節(jié)約紅外通道散熱面面積約20%，相機紅外通道主動控溫功耗30%，但分區(qū)散熱可能會帶來相機結(jié)構(gòu)布局和總裝上的困難，應(yīng)綜合考慮衛(wèi)星資源與結(jié)構(gòu)設(shè)計復雜性進行最優(yōu)化設(shè)計。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)“高分四號”衛(wèi)星相機所處空間熱環(huán)境特點和成像溫度要求，介紹了相機熱設(shè)計面臨的難點及各關(guān)鍵部組件采取的熱控措施，詳細分析了相機在軌運行4年的溫度數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：①相機承力結(jié)構(gòu)在全周期內(nèi)達到較高的溫度穩(wěn)定性，溫度幾乎不隨季節(jié)的變化而變化。②主鏡溫度存在一定的軌道周期性與季節(jié)性變化，且隨著遮光罩熱控涂層退化存在小幅上升。③±Y面散熱面溫度穩(wěn)定，相連電子學設(shè)備溫度均在20℃以下。④+Z面散熱面在午夜非工作段溫度隨在軌時間的增加而上升，變化幅度逐年減小。

相機各部組件溫度均滿足相機成像要求，且溫度變化趨勢符合預期。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合“高分四號”衛(wèi)星相機熱設(shè)計狀態(tài)，提出了相機遮光罩采用碳纖維+石墨膜+碳纖維高導熱復合材料、提升輻射控溫和結(jié)構(gòu)導熱效果、采用分溫區(qū)散熱設(shè)計等優(yōu)化設(shè)計思路，為后續(xù)高軌相機高精度熱設(shè)計提供支撐。