高熱流CCD器件散熱與精密控溫技術(shù)

童葉龍 李國強(qiáng) 余雷 耿利寅

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部空間熱控技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

0 引言

空間相機(jī)的成像品質(zhì)除了與相機(jī)光—機(jī)部分的性能有關(guān)外，CCD器件的溫度控制也是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，直接影響信噪比的數(shù)值。理論上，CCD器件的溫度每升高6～9℃，其成像時(shí)暗電流將增大一倍。所以，控制好焦平面CCD器件的溫度，成為獲得高品質(zhì)成像的一個(gè)重要因素。

隨著空間分辨率和輻射分辨率要求的提高，TDICCD器件代替了傳統(tǒng)的單線陣CCD器件，成為空間相機(jī)常用技術(shù)手段。通常單線陣CCD器件的熱耗在0.2W左右，而TDICCD的熱耗則大得多，一般為2～10W。由于CCD器件本體尺寸小，其熱流密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般電子設(shè)備。以某高分辨率相機(jī)為例，焦平面TDICCD器件的體積為60 mm×30 mm×2 mm，質(zhì)量僅15 g，熱容僅12 J／℃，熱流密度近2 000W/m2[1]。

大功率 CCD器件具有體積小、質(zhì)量小、熱容小、功耗大等基本特點(diǎn)，在一個(gè)軌道周期內(nèi)相機(jī)工作時(shí)間較短，而非工作時(shí)間較長。工作時(shí)，CCD器件功率密度較大，不工作時(shí)則完全不發(fā)熱，因此，CCD器件溫度容易受到自身工作熱耗、外熱流及相機(jī)焦面其它發(fā)熱部件等的影響而出現(xiàn)大幅波動(dòng)[2]。CCD器件背后的放大電路板幾乎需要占用器件背部的全部面積，導(dǎo)致熱控實(shí)施的空間狹小。隨著科技的發(fā)展、大功率 CCD器件的使用和技術(shù)指標(biāo)要求的提高，元器件布局密集、空間狹小、發(fā)熱量集中，給空間相機(jī)CCD器件的散熱帶來更高的難度。

因此，大功率CCD器件的散熱和精密溫度控制難題具有極大的挑戰(zhàn)性。本文在仿真分析的基礎(chǔ)上，以某高分辨率相機(jī)大功率CCD器件熱控系統(tǒng)為例，提出了一種大功率CCD器件的熱控方法，采用微型熱管的技術(shù)途徑解決小空間、高熱流密度器件的熱量收集與排散方案，以基于積分分離式PI控制的電加熱主動(dòng)控溫策略實(shí)現(xiàn)了高精度、高穩(wěn)定度溫度控制。

1 CCD器件熱控設(shè)計(jì)方案

1.1 CCD器件熱控要求

某高分辨率相機(jī)的工作平臺為太陽同步軌道三軸穩(wěn)定的衛(wèi)星。軌道參數(shù)如下：離心率為0.001 1，軌道傾角為97.2°，軌道高度為500 km，降交點(diǎn)地方時(shí)為10:30AM。

相機(jī)焦平面組件有8片CCD器件，每片CCD器件的熱耗為3W，工作時(shí)間不超過10min/軌。為了減小背景暗電流和溫度波動(dòng)對CCD器件性能的影響，對CCD器件提出了高精度的溫度控制需求，具體如下：

溫度水平–15～+5℃；溫度穩(wěn)定度≤±0.2℃（全壽命周期）；CCD器件間的溫差≤2℃。

1.2 外熱流分析

由于CCD器件熱控指標(biāo)苛刻，必須對外熱流環(huán)境進(jìn)行仔細(xì)分析。衛(wèi)星軌道為大傾角太陽同步軌道，其軌道外熱流復(fù)雜多變，除了空間冷黑背景外，還要接受交變的太陽直射、地球反照、地球紅外輻射等外熱流影響，要經(jīng)受不同季節(jié)、進(jìn)出地球陰影和衛(wèi)星側(cè)擺、涂層退化等因素的影響。

陽光與軌道之間的關(guān)系可以通過陽光矢量與衛(wèi)星運(yùn)行軌道平面之間的夾角（β角）來描述[3]。本文采用STK軟件進(jìn)行了β角的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明：β角最大出現(xiàn)在2月9日，β角最小出現(xiàn)在6月2日。圖1～ 3給出了β角最大（2月9日）時(shí)各方向到達(dá)的外熱流情況。

圖1 β角最大時(shí)各方向到達(dá)的太陽直射熱流Fig. 1 All orientations’ direct solar radiation heat fluxes on maximum β angle

圖2 β角最大時(shí)各方向到達(dá)的地球紅外熱流Fig. 2 All orientations’ Earth infrared radiation heat fluxes on maximum β angle

圖3 β角最大時(shí)各方向到達(dá)的反照熱流Fig. 3 All orientations’ albedo heat fluxes on maximum β angle

在衛(wèi)星的本體坐標(biāo)系O-XYZ中，取OX軸指向飛行方向，OZ軸指向地心，OY軸按右手正交法則確定。由圖1～3可知，在衛(wèi)星繞地球運(yùn)行的每一圈中，朝+X和–X軸方向的面受照特點(diǎn)是關(guān)于陰影區(qū)對稱，但其外熱流在每圈中變化較大，不穩(wěn)定。對于+Y軸方向的面，正常姿態(tài)時(shí)，它總是照不到太陽，且接收的地球反照和地球紅外輻射外熱流也很小，外熱流相對穩(wěn)定；對于朝–Y軸方向的面，正常姿態(tài)時(shí)，光照區(qū)太陽光與該面法線的夾角固定，到達(dá)的太陽直射熱流恒定，其熱流值為400～600W/m2左右，考慮到涂層退化，初期和末期外熱流差異很大。+Z軸方向的面接收的地球紅外輻射和反照熱流較大；–Z軸方向的面受太陽直接照射時(shí)間較長，而且變化最大，外熱流不穩(wěn)定。

由于+Y軸方向的面外熱流小且比較穩(wěn)定，最適合作為大功率CCD器件的散熱面。

1.3 CCD器件熱控設(shè)計(jì)

航天器精密控溫系統(tǒng)大都采用了以被動(dòng)熱控為主，電加熱主動(dòng)熱控為輔的熱控方案，如為哈勃望遠(yuǎn)鏡鏡片提供高的溫度均勻性和一些高精度相機(jī)的溫度均勻性熱控制等[4-6]。

因此，大功率CCD器件的散熱和精密控溫手段采用以下3種方式的綜合：1）隔熱設(shè)計(jì)，即盡量減少CCD導(dǎo)熱硬件與其它部件之間的熱量傳遞；2）設(shè)計(jì)傳熱途徑以排散內(nèi)熱耗；3）電加熱的主動(dòng)控溫[7]。

具體設(shè)計(jì)思路：采取偏低溫設(shè)計(jì)方法，按照低溫工況設(shè)計(jì)控溫加熱功率，同時(shí)保證在高溫工況下被控對象也需要進(jìn)行控溫加熱，最終實(shí)現(xiàn)精密控溫。控溫加熱在精密控溫系統(tǒng)中起了重要作用，且由電加熱主動(dòng)熱控裝置來完成。

電加熱主動(dòng)熱控裝置一般包括電加熱器、控制器和溫度傳感器3個(gè)部分組成，構(gòu)成閉環(huán)控制回路，如圖4所示。溫度傳感器用來獲取被控對象的溫度信號Tm；電加熱器提供熱量，作為控制執(zhí)行元件?？刂破鲗@得的溫度信號與設(shè)定值Ts比較，從而獲取誤差信號e(k)=Ts-Tm，并結(jié)合溫度控制算法，生成控制輸出量u(k)，控制加熱器的工作狀態(tài)。

圖4 電加熱主動(dòng)熱控原理Fig. 4 Principle diagram of temperature control system

加熱控制所需能量E=UIt，其中U為加熱電壓，I為加熱電流，t為加熱時(shí)間；調(diào)節(jié)U、I、t中任一因子即可達(dá)到調(diào)溫的目的。因此航天器溫度控制方式有兩種：調(diào)節(jié)一個(gè)控溫周期內(nèi)的加熱時(shí)間；調(diào)節(jié)控溫加熱功率（UI）。航天器上一般采用調(diào)節(jié)一個(gè)控溫周期內(nèi)的加熱時(shí)間的控溫方式，這種控溫方式無需可控硅等電流調(diào)節(jié)器件，適合直流供電控制場合。

1.3.1 CCD器件散熱方案

星上小功耗的CCD器件通常采用在器件背面安裝導(dǎo)熱銅條的散熱手段，如法國COROT衛(wèi)星寬視場相機(jī)[8-9]、“資源二號”衛(wèi)星上的可見光相機(jī)[10]等，但這種散熱方式已經(jīng)不能滿足大功率 CCD器件的散熱要求。熱管的傳熱效率是紫銅的數(shù)百倍，因此在熱量傳輸方面和金屬材料相比有著不可比擬的優(yōu)勢。首先，熱管的傳熱系數(shù)在1×104～1×105W/(m2·K)，高于金屬材料數(shù)百倍，可以迅速將CCD器件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出，避免工作期間器件溫度大幅升高；另外熱管的兩端溫差非常小，甚至可以當(dāng)作等溫體考慮，因此 CCD器件各部位的熱狀態(tài)基本相同，器件之間能保證較好的溫度均勻性。因此，本文采用 CCD器件背面安裝微型熱管，并結(jié)合外貼熱管的散熱方式，將 CCD器件工作時(shí)產(chǎn)生的廢熱導(dǎo)到星外散熱面，如圖5所示。

8片CCD器件分布在兩個(gè)安裝面上，在CCD器件上共布置8根微型熱管，4根并排安裝，共兩組，橫跨4片CCD器件；微型熱管一端與CCD背面緊密貼合，另一端則與外貼熱管緊密貼合，外貼熱管另一端與散熱面緊密貼合，將熱量傳至散熱面。其中，CCD器件與微型熱管之間、微型熱管與外貼熱管之間、外貼熱管與散熱面之間均填充硅橡膠。

圖5 CCD散熱通道示意Fig. 5 Heat dissipation for CCD assembly

由于 CCD器件對溫度穩(wěn)定度的要求較高，應(yīng)盡量選擇外熱流隨軌道周期、季節(jié)變化小的散熱面。本文采用朝+Y軸方向的面作為CCD 器件的散熱面。CCD器件散熱通道為CCD器件→微型熱管→外貼熱管→衛(wèi)星+Y側(cè)散熱面，最終將CCD器件工作產(chǎn)生的廢熱排散至散熱面。

經(jīng)詳細(xì)熱分析，散熱面面積為0.4m2，在兩組CCD微型熱管上分別布置1路控溫回路，可實(shí)現(xiàn)控溫功率33W/路，控溫目標(biāo)溫度0℃。

1.3.2 CCD器件精密控溫策略

目前主動(dòng)控溫方法主要有兩種：常規(guī)電子開關(guān)型控溫儀和智能型控溫儀[11]。常規(guī)電子開關(guān)型控溫儀較為簡單，可以滿足大多數(shù)對工作溫度有一定要求的設(shè)備的控溫需求。智能型控溫儀一般適用于有精密控溫需求的儀器設(shè)備，其控溫精度主要受熱設(shè)計(jì)的合理性、測溫精度、控溫算法的影響[12]。

比例控制算法是智能型控溫儀中常用的控溫算法，是按控制偏差的大小迅速輸出控制信號，偏差大調(diào)節(jié)作用大、偏差小調(diào)節(jié)作用小，控制過程簡單、快速，缺點(diǎn)是對具有自平衡性的控制對象存在靜態(tài)偏差；對于有慣性的溫度控制系統(tǒng)還容易產(chǎn)生振蕩，動(dòng)態(tài)特性較差。比例控制具有靜態(tài)偏差，雖可在軟件中對預(yù)計(jì)靜態(tài)偏差進(jìn)行控制補(bǔ)償，但并不能動(dòng)態(tài)地消除靜態(tài)偏差，很難適應(yīng)航天器入軌后的熱環(huán)境變化。由于積分環(huán)節(jié)可消除靜態(tài)偏差，因此，在比例控制基礎(chǔ)上引入積分控制，即PI控制。只要積分系數(shù)選擇恰當(dāng)，PI控制方式可以最終消除靜態(tài)偏差且超調(diào)少，系統(tǒng)穩(wěn)定并且控溫精度高。因此，PI控制作為CCD器件主動(dòng)熱控制的首選控制方案[13-14]。

在普通的PI控制中，引入積分環(huán)節(jié)是為了消除靜態(tài)偏差，提高控制精度。但在過程的啟動(dòng)、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定時(shí)，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大的偏差，會造成PI運(yùn)算的積分積累，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)較大的振蕩。積分分離式PI控制的基本思路是：當(dāng)被控對象的實(shí)測溫度與設(shè)定值偏差較大時(shí)，取消積分作用，以免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，超調(diào)量增大，即P控制；當(dāng)被控對象的實(shí)測溫度接近設(shè)定值時(shí)，引入積分控制，以便消除靜態(tài)偏差，提高控制精度，即PI控制。具體的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1）根據(jù)實(shí)際情況，人為設(shè)定積分分離值α；

2）當(dāng)│e(k)│＞α?xí)r，不采用PI控制而采用P控制，可避免產(chǎn)生過大的超調(diào)，又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)；

3）當(dāng)│e(k)│≤α?xí)r，采用PI控制，保證系統(tǒng)的控制精度。

積分分離式PI算法采用增量式計(jì)算，位置式輸出。相應(yīng)的控制算法為：

式中 Δt為控溫周期；KI為積分時(shí)間常數(shù)；Ki為被控對象的積分系數(shù)；Δu(k)為控制輸出量的增量；Kp為被控對象的比例系數(shù)。

根據(jù)CCD器件控溫的實(shí)際情況，設(shè)定α為0.3℃。當(dāng)│e(k)│＞0.3℃時(shí)，采用P控制，避免產(chǎn)生過大的超調(diào)，又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)；當(dāng)│e(k)│≤0.3℃時(shí)，采用PI控制，保證系統(tǒng)的控制精度。

CCD器件的溫度控制采用功率限幅設(shè)計(jì)，當(dāng)控制量u(k)大于功率限幅值時(shí)，則令u(k)以功率限幅值輸出；當(dāng)控制量u(k)＜0時(shí)，則令u(k)=0。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

本文采用熱分析軟件Thermal Desktop建立了體現(xiàn)PI控制算法的熱物理模型，選取了典型工況，給出了計(jì)算結(jié)果。模型中，控溫周期設(shè)置為5s。

2.1 高溫工況

熱控涂層取壽命末期，相機(jī)工作時(shí)間10min/軌，瞬態(tài)工況。CCD器件采用積分分離式PI控溫方式，PI控制參數(shù)由線性二次型最優(yōu)算法（linear quadratic regulators，LQR）整定獲得。圖6給出了CCD器件散熱途徑上的溫度情況。

由圖6、圖7可知，當(dāng)CCD器件采用積分分離式PI控溫方式，CCD溫度在–0.18～+0.14℃之間，能夠滿足CCD器件對溫度穩(wěn)定性的要求。當(dāng)CCD器件采用P控溫方式時(shí)，CCD溫度可以實(shí)現(xiàn)0℃±0.35℃的控溫精度，不能滿足 CCD器件對溫度穩(wěn)定性的要求。由此可知，在內(nèi)熱源擾動(dòng)下，采用積分分離式PI控制的被控對象具有更小的溫度波動(dòng)。

圖6 高溫工況下，CCD組件計(jì)算溫度曲線Fig. 6 Temperature curve of CCD assembly in hot case

圖7 高溫工況下，不同控制算法CCD微型熱管溫度曲線Fig. 7 Temperature curve of micro heat pipe under different control algorithm in hot case

2.2 低溫工況

熱控涂層取壽命初期，相機(jī)不工作，瞬態(tài)工況。CCD器件采用積分分離式PI控溫方式，PI控制參數(shù)由LQR算法整定獲得。圖8給出了CCD器件散熱途徑上的溫度情況，圖9為不同控制方法下的CCD微型熱管溫度曲線。

由圖8、圖9可知，當(dāng)CCD器件采用積分分離式PI控溫方式，CCD溫度可以實(shí)現(xiàn)0℃±0.14℃的控溫精度，能夠滿足 CCD器件對溫度穩(wěn)定性的要求。當(dāng) CCD器件采用 P控溫方式時(shí)，CCD溫度在–0.25～+0.02℃之間，存在靜態(tài)偏差。由此可知，積分分離式PI控制能夠消除穩(wěn)態(tài)偏差，實(shí)現(xiàn)精密溫度控制。

圖8 低溫工況下，CCD組件計(jì)算溫度曲線Fig. 8 Temperature curve of CCD assembly in cold case

圖9 低溫工況下，不同控制算法CCD微型熱管溫度曲線Fig. 9 Temperature curve of micro heat pipe under different control algorithm in cold case

3 結(jié)束語

本文采用偏低溫設(shè)計(jì)方法，使用 CCD器件背面安裝微型熱管，結(jié)合外貼熱管的散熱方式，并采用基于積分分離式PI控制的電加熱主動(dòng)控溫策略，實(shí)現(xiàn)了大功率CCD器件的散熱和精密溫度控制，對航天器短期工作大功率器件熱控設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)和借鑒作用。

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