某空間光譜成像儀熱管理初析

申春梅 李春林 高長(zhǎng)春

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100076）

1 引言

某空間光譜成像儀（以下簡(jiǎn)稱成像儀）作為我國第二代從可見光到熱紅外光譜范圍的星載多光譜成像儀，能夠獲得覆蓋可見多光譜、中短波紅外以及長(zhǎng)波紅外在內(nèi)的較高空間分別率的多譜段圖像數(shù)據(jù)，將在我國環(huán)境監(jiān)測(cè)及資源調(diào)查等應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。成像儀在軌工作時(shí)，其溫度會(huì)受到冷黑空間背景、軌道外熱流（太陽直射、地球紅外、地球反照）以及成像儀上發(fā)熱設(shè)備（內(nèi)熱源）的影響[1-4]，進(jìn)而影響到成像儀的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和成像性能，因此，熱控設(shè)計(jì)是成像儀在軌性能的決定性因素之一。而內(nèi)熱源作為遙感器內(nèi)部發(fā)熱設(shè)備，熱設(shè)計(jì)時(shí)必須采取合適熱控措施對(duì)其熱耗進(jìn)行疏導(dǎo)和控制，否則，不但設(shè)備本身溫度無法滿足降額要求，出現(xiàn)燒壞等問題，也會(huì)對(duì)其周圍環(huán)境造成不利影響。

成像儀配置有可見光、中短波紅外、長(zhǎng)波紅外等多組焦面視頻處理器以及2臺(tái)脈沖管制冷機(jī)，這些設(shè)備是成像儀主要內(nèi)熱源，分散布置于成像儀內(nèi)部狹小空間，總熱功耗362W，且控溫要求差異大，制冷機(jī)控溫要求在10℃以下，視頻處理器要求不超過45℃，光學(xué)鏡頭組件及其安裝結(jié)構(gòu)件則要求室溫水平。成像儀內(nèi)熱源的大熱耗和制冷機(jī)的低溫要求，使成像儀散熱面面積需求很大且功耗資源緊張，給熱設(shè)計(jì)帶來困難，本文基于熱管理理念[5-7]，圍繞控制內(nèi)熱源散熱面面積、利用內(nèi)熱源熱耗對(duì)成像儀主體進(jìn)行保溫從而節(jié)省主動(dòng)控溫功耗這兩個(gè)原則，解決成像儀內(nèi)熱源熱設(shè)計(jì)難題。

2 成像儀內(nèi)熱源

為完成在軌多光譜成像任務(wù)，成像儀上布置有中短波紅外探測(cè)器、長(zhǎng)波紅外探測(cè)器和可見光焦面組件，與各探測(cè)器配套的電子設(shè)備有中短波紅外視頻處理器、長(zhǎng)波紅外視頻處理器和可見光視頻處理器，成像儀系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示（黃色部分為成像儀主要內(nèi)熱源）。中短波紅外探測(cè)器工作溫度要求80K，長(zhǎng)波紅外探測(cè)器工作溫度要求60K。為此，成像儀主體上布置2臺(tái)脈沖管制冷機(jī)，分別用于中短波紅外探測(cè)器和長(zhǎng)波紅外探測(cè)器焦平面的制冷。

在結(jié)構(gòu)布局上，成像儀內(nèi)熱源與光學(xué)鏡頭組件同處在成像儀外罩內(nèi)，與光學(xué)鏡頭組件共用安裝底板和支撐結(jié)構(gòu)；在溫度要求上，兩臺(tái)制冷機(jī)熱端和壓縮機(jī)分別是-40℃～0℃和-40℃～10℃，視頻處理器盒體-10℃～45℃，光學(xué)鏡頭組件及其支撐結(jié)構(gòu)件則要求在20℃±2℃的水平；在工作熱耗上，兩臺(tái)制冷機(jī)工作峰值熱耗共計(jì)295W，3臺(tái)視頻處理器熱耗分別為17W、25W和25W。

圖1 成像儀系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.1 Diagram of imager system

3 內(nèi)熱源熱設(shè)計(jì)思路

3.1 內(nèi)熱源熱控任務(wù)特點(diǎn)及難點(diǎn)

成像儀外罩、底板、光學(xué)鏡頭支架等主體結(jié)構(gòu)溫度要求20℃附近，成像儀內(nèi)熱源處在由外罩和底板圍成的空間內(nèi)，且與光學(xué)鏡頭組件共用固定支架和安裝底板，制冷機(jī)熱端溫度要求-40℃～0℃，制冷機(jī)壓縮機(jī)溫度要求-40℃～10℃，上限均低于20℃的安裝環(huán)境溫度，因此，必須對(duì)制冷機(jī)配備空間輻射散熱面進(jìn)行散熱。3臺(tái)視頻處理器盒體溫度要求-10℃～45℃，上限雖然高于20℃，但初步計(jì)算結(jié)果表明（詳見表1），在20℃環(huán)境溫度下，僅有輻射換熱、無其它散熱措施的條件下，視頻處理器盒體在軌高溫溫度已接近45℃，不僅視頻處理器本身高溫溫度與高溫限之間的余量不大 ，其高溫水平也會(huì)對(duì)其周圍光學(xué)鏡頭組件的溫度造成不良影響。因此，從傳統(tǒng)熱設(shè)計(jì)思路看[8-11]，視頻處理器也需要配備空間輻射散熱面進(jìn)行散熱。

表1 室溫環(huán)境下的視頻處理器盒體溫度Tab.1 Temperature of video processors at room temperature environment

成像儀衛(wèi)星平臺(tái)運(yùn)行軌道為太陽同步軌道，+X為飛行方向，+Z為對(duì)地方向，飛行過程中無姿態(tài)機(jī)動(dòng)和偏轉(zhuǎn)，軌道升交點(diǎn)地方時(shí)為13∶30。在此軌道上運(yùn)行，衛(wèi)星+Y面為背陰面，始終不受太陽照射，是布置散熱面的最佳方位，但限于衛(wèi)星平臺(tái)+Y面艙板散熱面資源緊張，成像儀僅能在自身+Y側(cè)有限空間內(nèi)布置散熱面，如圖2所示。成像儀所配置的2臺(tái)脈沖管制冷機(jī)峰值熱耗達(dá)295W，且熱端峰值溫度要求低于0℃，壓縮機(jī)峰值溫度要求低于10℃。若散熱面放置在成像儀+Y側(cè)，初步估算散熱面需約1.3m2，已把成像儀+Y側(cè)散熱面布置空間占滿。若按照傳統(tǒng)熱設(shè)計(jì)思路，對(duì)視頻處理器也配備散熱面，其散熱面則只能布置在成像儀+Z側(cè)，+Z面為對(duì)地面，地球紅外和地球反照外熱流較大，散熱效率不高，初步估算散熱面需約0.4m2，由此可見，若對(duì)制冷機(jī)和視頻處理器都配備空間輻射散熱面，成像儀內(nèi)熱源散熱面需求很大，此外，成像儀內(nèi)熱源峰值熱耗362W，較大的內(nèi)熱源熱耗也使成像儀功耗資源緊張。因此，散熱面需求大，散熱面資源和功耗資源緊張是成像儀內(nèi)熱源熱控任務(wù)的特點(diǎn)和難點(diǎn)。

圖2 成像儀星上安裝位置示意圖Fig.2 Deploymentof spectral imageron satellite platform

3.2 基于熱管理理念的熱設(shè)計(jì)思路

航天器熱管理理念的重要特點(diǎn)是從系統(tǒng)角度出發(fā)[5-7]，對(duì)航天器有關(guān)熱環(huán)境和子系統(tǒng)的熱行為進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配與綜合利用，使能量消耗和排散廢熱達(dá)到最小程度。為有效解決成像儀散熱面和功耗資源都緊張的特點(diǎn)和難點(diǎn)，可基于熱管理理念，以控制散熱面大小和節(jié)省主動(dòng)控溫功耗為原則，對(duì)成像儀內(nèi)熱源進(jìn)行熱設(shè)計(jì)?；跓峁芾砝砟睿评錂C(jī)與主體結(jié)構(gòu)必須最大程度熱隔離，否則，主體結(jié)構(gòu)（溫度水平20℃）必通過制冷機(jī)（制冷機(jī)必須散熱，并且溫度水平低于10℃）向外空間漏熱，從而增大維持20℃溫度水平所需的主動(dòng)控溫功耗。同時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)向制冷機(jī)的漏熱，則會(huì)增加制冷機(jī)散熱面負(fù)擔(dān)，增大散熱面需求?；跓峁芾砝砟?，對(duì)視頻處理器應(yīng)以充分利用其工作熱耗為首要原則，而不是按照傳統(tǒng)熱設(shè)計(jì)思路對(duì)其散熱。在與20℃環(huán)境溫度僅有輻射換熱時(shí)，視頻處理器盒體溫度并沒超過其溫度上限，且由工作和不工作時(shí)的熱耗變化引起的溫度波動(dòng)也不大（詳見表1），若能在視頻處理器與成像儀主體之間建立合適導(dǎo)熱通路，增大吸收視頻處理器熱耗的熱容，可在拉低視頻處理器溫度水平的同時(shí)，利用視頻處理器熱耗對(duì)成像儀主體保溫，在一定程度上節(jié)省維持成像儀主體20℃溫度水平所需的功耗。

4 基于熱管理理念的成像儀內(nèi)熱源熱設(shè)計(jì)

4.1 脈沖管制冷機(jī)

基于熱管理理念，需將制冷機(jī)與主體結(jié)構(gòu)最大程度的熱隔離，因此需對(duì)制冷機(jī)采取如下熱控原則：首先，在制冷機(jī)安裝面與安裝支架之間墊隔熱墊片，盡量隔斷制冷機(jī)和室溫之間的導(dǎo)熱換熱通路；其次，在制冷機(jī)其它各表面以及散熱熱管外表面均包覆多層隔熱組件，盡量隔斷制冷機(jī)和主體結(jié)構(gòu)之間的輻射換熱通路。此外，在對(duì)制冷機(jī)進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)時(shí)，還需盡量控制其散熱面大小。

根據(jù)散熱面能量守恒，若散熱面單位面積吸收的外熱流密度以及內(nèi)熱源熱耗一定，散熱面溫度越高，排散相同熱量所需的散熱面面積越小；若內(nèi)熱源溫度一定，則內(nèi)熱源與散熱面之間的總熱阻越小散熱面溫度越高。因此，為控制制冷機(jī)散熱面面積，應(yīng)盡量提高制冷機(jī)散熱面溫度，同時(shí)降低制冷機(jī)與散熱面之間的熱阻。制冷機(jī)壓縮機(jī)溫度上限10℃，熱端溫度上限0℃。從兩者溫度上限看，制冷機(jī)壓縮機(jī)和熱端應(yīng)分開散熱，因?yàn)榉珠_散熱后，壓縮機(jī)散熱面溫度可以高于熱端散熱面溫度，從而節(jié)省散熱面面積。

兩臺(tái)脈沖管制冷機(jī)熱端溫度上限均為0℃，從二者溫度上限看，二者似乎可共用一塊散熱面，但初步熱分析計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)60K和80K制冷機(jī)熱端分開散熱，散熱面大小分別為0.87m2、0.38m2時(shí)，高溫工況下，60K制冷機(jī)熱端溫度在軌波動(dòng)范圍-18.94℃～-2.527℃，80K制冷機(jī)熱端溫度在軌波動(dòng)范圍-13.09℃～-6.265℃；而當(dāng)兩制冷機(jī)共用散熱面，散熱面大小為1.25m2（0.87m2+0.38m2）時(shí)，僅80K制冷機(jī)熱端溫度在0℃以下波動(dòng)，而60K熱端溫度則高于0℃。這是因?yàn)?，?nèi)熱源與散熱面之間的溫差與內(nèi)熱源熱耗成正比，60K制冷機(jī)熱端熱耗遠(yuǎn)大于80K制冷機(jī)熱耗（60K制冷機(jī)熱端峰值熱耗104W，80K制冷機(jī)熱端峰值熱耗52W），當(dāng)共用一塊散熱面時(shí)，散熱面溫度相同，60K制冷機(jī)熱端溫度必高于80K制冷機(jī)熱端溫度，即在共用散熱面的情況下，若80K制冷機(jī)熱端為0℃，則60K制冷機(jī)熱端必高于0℃。為使60K制冷機(jī)熱端溫度達(dá)到0℃，則需進(jìn)一步增大散熱面面積，而此時(shí)80K制冷機(jī)熱端溫度水平則已在0℃以下。當(dāng)兩者分開散熱時(shí)，60K散熱面只需保證峰值熱耗時(shí)60K熱端溫度為0℃，80K熱端散熱只需保證峰值熱耗時(shí)80K熱端溫度為0℃即可。因此，為盡量控制制冷機(jī)散熱面大小，兩臺(tái)制冷機(jī)的熱端需各自配備一塊散熱面分開散熱。同理，兩臺(tái)壓縮機(jī)熱耗也有差別，也應(yīng)分開散熱。

此外，為盡量降低熱端以及壓縮機(jī)與散熱面之間傳熱路徑的總熱阻，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)允許的情況下，從熱端和壓縮機(jī)直接拉熱管到散熱面，中間無任何熱量中轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，以避免引入額外導(dǎo)熱熱阻和接觸熱阻，且盡量增加熱管與熱端、壓縮機(jī)以及散熱面的接觸長(zhǎng)度，并在接觸面處涂導(dǎo)熱硅橡膠。

4.2 視頻處理器

從熱管理的角度出發(fā)，將成像儀外罩、視頻處理器、視頻處理器安裝支架以及成像儀底板連成如圖3所示的熱網(wǎng)絡(luò)。在此熱網(wǎng)絡(luò)中，3臺(tái)視頻處理器均用熱管與成像儀外罩熱導(dǎo)通，同時(shí)，成像儀外罩上布置均溫?zé)峁埽恢卸滩t外視頻處理器與成像儀底板導(dǎo)熱安裝，長(zhǎng)波紅外視頻處理器和可見光視頻處理器與其安裝支架導(dǎo)熱安裝，安裝支架再與成像儀底板導(dǎo)熱安裝，成像儀底板內(nèi)部預(yù)埋熱管做均溫化處理，同時(shí)，長(zhǎng)波紅外視頻處理器和可見光視頻處理器盒體外貼熱管與底板預(yù)埋熱管導(dǎo)熱搭接。

采用上述熱網(wǎng)絡(luò)對(duì)視頻處理器進(jìn)行熱控有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）可以用較大的熱容吸收視頻處理器工作熱耗，從而拉低視頻處理器工作溫度，同時(shí)，降低因視頻處理器工作和非工作時(shí)的熱耗變動(dòng)造成的溫度波動(dòng)；

2）視頻處理器工作熱耗可以通過熱控網(wǎng)絡(luò)傳導(dǎo)至成像儀外罩和底板上，起到對(duì)外罩和底板的加熱作用，從而降低將成像儀外罩和底板維持在20℃溫度水平所需要的主動(dòng)控溫功耗，節(jié)省資源；

3）與采用配備空間輻射散熱面相比，采用此熱網(wǎng)絡(luò)法，不需在成像儀+Z側(cè)布置視頻處理器散熱面，降低了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度，減輕了成像儀質(zhì)量。

圖3 視頻處理器熱控網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Thermalcontrolling network of video processors

表2給出了采用熱控網(wǎng)絡(luò)方案時(shí)視頻處理器溫度計(jì)算結(jié)果，表1給出的是在20℃環(huán)境溫度下，僅有輻射換熱、無其它散熱措施時(shí)視頻處理器溫度計(jì)算結(jié)果，由表1和表2結(jié)果對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，對(duì)視頻處理器，采用熱控網(wǎng)絡(luò)方案后，視頻處理器盒體溫度水平明顯降低，工作和不工作時(shí)的熱耗差造成的溫度波動(dòng)也有所降低。同時(shí)，采用熱控網(wǎng)絡(luò)法之后，布置于成像儀外罩上處于視頻處理器附近的主動(dòng)控溫加熱回路在整個(gè)軌道周期內(nèi)都不加熱，這說明視頻處理器通過熱網(wǎng)絡(luò)傳遞到成像儀外罩的熱量足以使其附近外罩溫度水平處在室溫水平，此區(qū)域不需要再給成像儀外罩主動(dòng)控溫補(bǔ)償功率，因此起到了節(jié)省功耗的作用。

表2 采用熱網(wǎng)絡(luò)熱控方案時(shí)視頻處理器溫度Tab.2 Video p rocessors' temperature w ith thermal controlling network

5 結(jié)束語

針對(duì)某空間光譜成像儀散熱面布置空間和主動(dòng)控溫功耗資源均緊張的特點(diǎn)，基于熱管理理念對(duì)成像儀內(nèi)熱源熱進(jìn)行了熱設(shè)計(jì)，節(jié)省了散熱面面積和主動(dòng)控溫功耗，降低了成像儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度，同時(shí)成功減輕了成像儀的質(zhì)量。本文所述內(nèi)熱源熱設(shè)計(jì)思路，對(duì)其它光學(xué)遙感器尤其是大型光學(xué)遙感器熱設(shè)計(jì)具有一定參考和借鑒意義。

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