三線陣相機(jī)在軌溫度場(chǎng)分析

江利鋒 傅偉純

（中國空間技術(shù)研究院總體部，北京 100094）

1 引言

“資源三號(hào)”衛(wèi)星是中國首顆民用高分辨率光學(xué)傳輸型立體測(cè)繪衛(wèi)星，衛(wèi)星集測(cè)繪和資源調(diào)查功能于一體，用于1∶50 000立體測(cè)圖及更大比例尺基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品的生產(chǎn)和更新，開展國土資源調(diào)查與監(jiān)測(cè)。三線陣立體測(cè)繪相機(jī)是“資源三號(hào)”衛(wèi)星的主要載荷，擔(dān)負(fù)著高分辨率立體測(cè)繪的重任，其成像質(zhì)量（quality）是判斷衛(wèi)星飛行任務(wù)成敗的標(biāo)準(zhǔn)。

作為高分辨率空間相機(jī)，其任務(wù)性質(zhì)與軌道壽命決定了相機(jī)必須在嚴(yán)酷的空間環(huán)境下具有可靠的光學(xué)性能。相機(jī)的光學(xué)性能除了取決于相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之外，對(duì)溫度的變化也非常敏感，相機(jī)各部件溫度水平和溫度不均勻性引起的零部件熱變形的是影響相機(jī)光學(xué)性能的不可忽視的重要原因，因此相機(jī)的熱控效果將直接關(guān)系到相機(jī)的光學(xué)成像效果[1-5]。

“資源三號(hào)”衛(wèi)星于2012年1月9日發(fā)射入軌，3天后相機(jī)主體的溫度場(chǎng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。至今為止，相機(jī)已經(jīng)進(jìn)行了多次在軌成像，成像質(zhì)量均達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期的效果，其良好的溫度場(chǎng)分布是保證成像質(zhì)量的重要因素之一。本文結(jié)合該相機(jī)的具體熱設(shè)計(jì)狀態(tài)，對(duì)相機(jī)在軌溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了詳細(xì)分析總結(jié)。

2 相機(jī)結(jié)構(gòu)及溫度指標(biāo)

2.1 相機(jī)結(jié)構(gòu)

三線陣相機(jī)由前視、后視、正視3臺(tái)相機(jī)及一體化安裝支架組成，每臺(tái)相機(jī)單體包括遮光罩、窗口組件、透鏡組件、主承力結(jié)構(gòu)以及焦面箱等部分。一體化支架包括前視支架、后視支架、正視前支撐、正視后支撐以及相機(jī)底板。

3臺(tái)相機(jī)互成夾角，分別安裝在相應(yīng)支架上，支架固定安裝在相機(jī)底板，最終一體化安裝在衛(wèi)星載荷艙外表面，直接暴露于空間環(huán)境。相機(jī)的遮光罩及鏡頭部分指向地球，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 溫度指標(biāo)

目前國內(nèi)外多種高分辨率空間望遠(yuǎn)鏡均采用均方根波像差（RMS值）來進(jìn)行允差分配，通常分配給熱控系統(tǒng)的允差占總允差預(yù)算的一半左右[1，4]。根據(jù)“資源三號(hào)”衛(wèi)星三線陣相機(jī)熱控允差需求，通過熱光學(xué)分析，相機(jī)提出了較高的溫度控制指標(biāo)，具體見表1。

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3 相機(jī)熱設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介及在軌溫度分析

相機(jī)在空間中的溫度主要受空間輻射、衛(wèi)星的導(dǎo)熱及自身熱容的影響。分析“資源三號(hào)”衛(wèi)星三線陣相機(jī)在軌工作情況，熱控的主要技術(shù)難點(diǎn)包括兩個(gè)部分：復(fù)雜不均勻外熱流條件下高溫度指標(biāo)要求的實(shí)現(xiàn)以及焦面高功率密度CCD器件的散熱問題。結(jié)合相機(jī)熱控難點(diǎn)的具體解決方法，對(duì)相機(jī)在軌溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。

3.1 相機(jī)主結(jié)構(gòu)溫度

3.1.1復(fù)雜外熱流條件下的相機(jī)熱設(shè)計(jì)

三線陣相機(jī)直接暴露在空間環(huán)境中，相機(jī)所受到的外熱流變化很大，相機(jī)自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，3臺(tái)相機(jī)之間、相機(jī)與支架、不同支架間的相互遮擋都較為厲害，導(dǎo)致相機(jī)及支架各部位的外熱流極不均勻。為減小外熱流對(duì)相機(jī)溫度的影響，采用與空間環(huán)境的隔熱設(shè)計(jì)，在相機(jī)外表面包覆多層隔熱材料，多層的面膜用吸收發(fā)射比較小的F46鍍銀二次表面鏡。

為減小部件與部件之間，尤其是溫度波動(dòng)較大的部件對(duì)溫度穩(wěn)定度要求高的部件的影響，相機(jī)各部件間采用隔熱設(shè)計(jì)，使用玻璃鋼隔熱墊片增大相機(jī)部件間的熱阻。

為保證相機(jī)各部溫度均勻，且溫度水平在要求的范圍內(nèi)，在相機(jī)外表面實(shí)施薄膜電加熱器，根據(jù)相機(jī)各部位外熱流的不同對(duì)加熱器的阻值及功率密度進(jìn)行精密設(shè)計(jì)、布置，采用高精度控溫儀對(duì)相機(jī)進(jìn)行精密控溫。

3.1.2在軌溫度水平

相機(jī)在軌溫度達(dá)到平衡后，相機(jī)在軌一星期內(nèi)的溫度水平數(shù)據(jù)如表2所示，相機(jī)鏡筒溫度范圍為（19.7～20.3）℃，支架的溫度范圍為（19.6～20.5）℃，均在指標(biāo)范圍內(nèi)，且有較大的余量。圖2至圖4為單個(gè)軌道圈內(nèi)，衛(wèi)星過境12min內(nèi)相機(jī)主結(jié)構(gòu)典型部位溫度變化曲線。

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3.1.3在軌溫度均勻性

單個(gè)軌道圈衛(wèi)星過境12min內(nèi)，相機(jī)主結(jié)構(gòu)的溫度均勻性數(shù)據(jù)如表3所示，相機(jī)鏡筒最大周向溫差均在0.3℃以內(nèi)，優(yōu)于最大溫差≤1℃的指標(biāo)要求；軸向最大溫差在0.65℃以內(nèi)，優(yōu)于＜1.5℃的指標(biāo)要求。相機(jī)支架及底板的最大溫差均在0.65℃以內(nèi)。

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3.1.4在軌溫度波動(dòng)

表4為衛(wèi)星在軌一圈，境內(nèi)12min相機(jī)各部位的最大溫度波動(dòng)數(shù)據(jù)。分析表4及圖2～4中數(shù)據(jù)可知，在軌過境12min時(shí)間內(nèi)，相機(jī)鏡筒的溫度波動(dòng)均在0.11℃以內(nèi)，支架溫度波動(dòng)均在0.06℃以內(nèi)，底板溫度波動(dòng)在0.25℃以內(nèi)，說明相機(jī)在軌溫度穩(wěn)定度高。

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3.2 相機(jī)焦面CCD溫度

3.2.1焦面高功率密度CCD器件熱設(shè)計(jì)

相機(jī)焦面CCD器件功率密度高達(dá)2 000W/m2以上，由于相機(jī)焦面CCD的溫度水平和溫度均勻性直接影響成像質(zhì)量，成像時(shí)為保證焦面CCD的溫度維持在要求的溫度水平且溫度均勻，必須將焦面產(chǎn)生的熱功耗及時(shí)排散出去。由于相機(jī)在軌調(diào)焦時(shí)CCD需要±3mm范圍內(nèi)移動(dòng)，CCD的散熱途徑必須有一定的柔性。另外CCD器件的溫度水平過高或溫度波動(dòng)過大會(huì)增大CCD的暗電流和熱噪聲，導(dǎo)致系統(tǒng)信噪比降低，影響成像質(zhì)量[6-10]，需盡可能將CCD溫度控制在指標(biāo)下限附近。

為實(shí)現(xiàn)相機(jī)高功率密度CCD器件的散熱和在軌調(diào)焦需求，在焦面內(nèi)部安裝熱管、導(dǎo)熱索等高導(dǎo)熱能力的器件，外部增設(shè)散熱面，形成CCD→焦面小熱管→導(dǎo)熱索→焦面面板→焦面外貼熱管→散熱板的散熱路徑，以保證CCD器件工作時(shí)高能流密度的散熱，同時(shí)在散熱通道上布置補(bǔ)償加熱回路，保證CCD不工作期間，CCD的溫度在指標(biāo)要求范圍內(nèi)，并接近溫度指標(biāo)的下限。導(dǎo)熱索的結(jié)構(gòu)示意圖見圖5，其柔性段允許彎折，以此保證CCD器件在軌調(diào)焦需求。

3.2.2 CCD在軌溫度

相機(jī)在軌溫度平衡后，CCD的溫度水平及溫度波動(dòng)數(shù)據(jù)如表5所示；圖6和圖7為單個(gè)軌道圈內(nèi)，衛(wèi)星過境相機(jī)CCD的溫度變化曲線。3臺(tái)相機(jī)CCD在軌溫度均在指標(biāo)要求范圍內(nèi)，且接近指標(biāo)溫度下限；相機(jī)在軌不成像時(shí)，CCD溫度穩(wěn)定，波動(dòng)均在0.1℃以內(nèi)；在軌成像時(shí)，CCD溫度有小幅度提升，最大波動(dòng)在1.5℃以內(nèi)。

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3.3 相機(jī)透鏡溫度

相機(jī)透鏡安裝在鏡筒內(nèi)部，面向空間，其溫度主要受空間輻射及鏡筒的導(dǎo)熱影響。由于相機(jī)遮光罩的作用，相機(jī)透鏡受鏡筒溫度的影響相對(duì)更大。出于相機(jī)成像需求，透鏡無法直接實(shí)施主動(dòng)控溫等熱控措施，僅能通過鏡筒間接控制。

為保證透鏡溫度能滿足梯度＜0.2℃，梯度的穩(wěn)定度＜0.1℃的指標(biāo)，需減小鏡筒的周向溫度梯度及穩(wěn)定度，為此在鏡筒外表面多層的內(nèi)膽使用一種具有高橫向?qū)崮芰Φ奶厥舛鄬痈魺峤M件，以減小外熱流對(duì)鏡筒溫度梯度的影響，提高相機(jī)鏡筒的溫度均勻度，間接提高透鏡溫度的均勻度及穩(wěn)定度。

由于相機(jī)透鏡上無測(cè)溫點(diǎn)，透鏡的溫度僅能通過鏡筒溫度間接推算。通過建立相機(jī)有限元模型，根據(jù)相機(jī)實(shí)際在軌邊界條件，分析所得相機(jī)透鏡與鏡筒溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系如表6所示，比較表3及表6中鏡筒溫度梯度數(shù)據(jù)，鏡筒在軌溫度值均小于分析值，由此可以得出結(jié)論，透鏡在軌溫度梯度及溫度梯度的穩(wěn)定度也均小于分析值，透鏡溫度梯度＜0.13℃，溫度梯度的穩(wěn)定度＜0.06℃，均能滿足指標(biāo)要求。

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4 結(jié)束語

三線陣相機(jī)的在軌溫度是決定相機(jī)成像質(zhì)量的重要參數(shù)，是相機(jī)在軌正常運(yùn)行的重要保障條件。本文結(jié)合相機(jī)具體熱控設(shè)計(jì)，詳細(xì)分析了相機(jī)在軌溫度情況，分析結(jié)果表明，相機(jī)在軌溫度數(shù)據(jù)穩(wěn)定，鏡筒溫度水平控制在（20±0.3）℃，周向溫度梯度在0.3℃以內(nèi)；透鏡溫度梯度＜0.13℃，梯度的穩(wěn)定度＜0.06℃，所有溫度數(shù)據(jù)均能滿足指標(biāo)要求，且有較大的余量，這也證明了三線陣相機(jī)的熱控設(shè)計(jì)合理正確。

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