高精度星敏感器熱設(shè)計(jì)研究及仿真驗(yàn)證

吳永康，胡雄超，毛曉楠，閆曉軍，王燕清

(1.上海市空間智能控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201109； 2.上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引言

作為衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量的重要單機(jī)，星敏感器通過(guò)其光學(xué)系統(tǒng)對(duì)星空進(jìn)行成像，測(cè)量恒星矢量在星敏感器坐標(biāo)系下的分量，與導(dǎo)航星庫(kù)中的恒星信息進(jìn)行匹配，得到光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)內(nèi)恒星在慣性坐標(biāo)系下的方位；并由姿態(tài)確定算法得到星敏感器在慣性坐標(biāo)系下的姿態(tài)信息，從而實(shí)現(xiàn)“星光入，姿態(tài)出”。星敏感器通常安裝在衛(wèi)星艙體之外，因其受軌道周期熱流和冷黑空間背景的影響，溫度容易波動(dòng)，不利于光學(xué)系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定測(cè)量[1-2]；同時(shí)，溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致探測(cè)器的暗電流噪聲增大，影響星敏感器測(cè)量精度[3-4]，因此需重點(diǎn)關(guān)注星敏感器的熱控實(shí)施。從便于監(jiān)測(cè)控制的角度，一般要求星敏感器與衛(wèi)星艙體之間的安裝接口溫度處于合適范圍。為此，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)不同星敏感器的任務(wù)特點(diǎn)，開(kāi)展了相應(yīng)設(shè)計(jì)，如：韓崇巍等[5]提出一種輻射小艙式星敏感器的熱控設(shè)計(jì)方案，以小艙遮擋外熱流，同時(shí)將小艙作為星敏感器熱沉，該方法可使星敏感器在軌溫度控制在-26.2～22.2 ℃；楊昌鵬等[6]提出了一種傾斜軌道星敏感器熱設(shè)計(jì)方案，在星敏感器法蘭面粘貼電加熱片，支架上粘貼OSR(強(qiáng)化超薄型二次表面鏡)膜片，在軌實(shí)測(cè)溫度為-19.8～-5.1 ℃；江帆等[7]通過(guò)仿真分析與試驗(yàn)，對(duì)星敏感器組件進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，采取包覆多層隔熱組件、設(shè)置加熱區(qū)等措施，使3臺(tái)星敏感器及其支架的溫度控制在16～19 ℃。

以上方法需考慮星敏感器、衛(wèi)星平臺(tái)和空間環(huán)境的因素。總體而言，熱設(shè)計(jì)以保證星敏感器在軌溫度穩(wěn)定適宜為原則，以減小外熱流和加熱補(bǔ)償為設(shè)計(jì)思路，采取被動(dòng)熱控和主動(dòng)熱控相結(jié)合的方式。具體措施包括：選用熱控涂層、多層隔熱組件、薄膜電加熱片、熱管、紅外加熱籠等；同時(shí)結(jié)合熱設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)裝配技術(shù)，進(jìn)行合理的散熱設(shè)計(jì)，并采取有效的隔熱措施。

目前，國(guó)產(chǎn)星敏感器由針對(duì)衛(wèi)星型號(hào)定制生產(chǎn)，逐步向貨架式產(chǎn)品方向轉(zhuǎn)變。同一款星敏感器，根據(jù)不同的任務(wù)需求，需要制定相應(yīng)的熱控解決方案。本文以某國(guó)產(chǎn)高精度星敏感器為例，分析研究其熱設(shè)計(jì)方案，并重點(diǎn)討論了典型工況下該產(chǎn)品的溫度水平，為整星熱控實(shí)施提供參考。

1 星敏感器的熱設(shè)計(jì)概述

星敏感器熱設(shè)計(jì)的目的是為星敏感器內(nèi)部元器件、光學(xué)系統(tǒng)提供良好的熱環(huán)境，保證其可靠工作。對(duì)于應(yīng)用而言，結(jié)合在軌工況，采用合理的熱控措施，減小空間復(fù)雜熱環(huán)境的影響，可使星敏感器安裝面溫度處于合理區(qū)間，滿足產(chǎn)品正常工作的需求。

本文所述的高精度星敏感器的熱設(shè)計(jì)方案為：

1)器件級(jí)。功率器件安裝在金屬框架上，并在接觸面涂覆導(dǎo)熱硅脂；為探測(cè)器配置熱電制冷器，以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控溫。

2)組件級(jí)。電路板采用四周布局的方式，使熱耗分布均勻；產(chǎn)品內(nèi)部采用內(nèi)遮光罩隔離電子學(xué)組件和光學(xué)系統(tǒng)。

3)整機(jī)。選配隔熱墊圈，使外遮光罩與產(chǎn)品盒體之間具備導(dǎo)熱和隔熱2種配置狀態(tài)，適應(yīng)不同熱控需求。

該星敏感器的爆炸圖如圖1所示。當(dāng)制冷器關(guān)閉時(shí)，星敏感器功耗為8.4 W；當(dāng)制冷器工作時(shí)，星敏感器最大功耗為14.4 W。從抑制探測(cè)器噪聲的角度，該星敏感器安裝面溫度控制在-40～0 ℃為宜；考慮到熱控實(shí)施的難度，以及熱變形對(duì)測(cè)量精度的影響，安裝面溫度控制在-15～0 ℃為宜。本文借鑒已有型號(hào)對(duì)各類星敏感器熱控實(shí)施的經(jīng)驗(yàn)，采取包覆多層隔熱組件、噴涂熱控白漆、設(shè)置電加熱片等措施，討論該星敏感器與衛(wèi)星艙體導(dǎo)熱、隔熱2種安裝方式下的熱控措施，評(píng)估星敏感器的溫度水平。

圖1 星敏感器爆炸圖Fig.1 Exploded view of star sensor

2 熱網(wǎng)絡(luò)計(jì)算分析

建立星敏感器熱網(wǎng)絡(luò)模型，以表征零部件級(jí)的熱特性，評(píng)估星敏感器在不同工況下的溫度。熱網(wǎng)絡(luò)法將研究對(duì)象的物理模型劃分為多個(gè)單元，將單元之間的換熱關(guān)系用節(jié)點(diǎn)之間的傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射熱阻來(lái)表示，形成熱網(wǎng)絡(luò)圖[8-9]，在建模和分析時(shí)進(jìn)行如下假設(shè)：

1)星敏感器外部包覆多層隔熱組件，忽略機(jī)殼外側(cè)與外界熱量交換；分析時(shí)僅考慮遮光罩內(nèi)表面與外界的輻射換熱。

2)忽略星敏感器內(nèi)部組件之間的輻射換熱，事實(shí)上，星敏感器內(nèi)表面采用的涂層發(fā)射率較小，熱傳導(dǎo)仍是決定熱平衡狀態(tài)的主要因素。

3)模型中僅納入主要的結(jié)構(gòu)零部件，合并同類零件；外遮光罩與盒體之間默認(rèn)為導(dǎo)熱安裝狀態(tài)。

4)內(nèi)部制冷器默認(rèn)為關(guān)閉狀態(tài)，忽略產(chǎn)品熱功耗分布的差異，分析時(shí)將總功耗納入模型。

星敏感器的熱網(wǎng)絡(luò)模型如圖2所示。圖中各熱阻的定義見(jiàn)表1、2。表中，零件的熱阻與材料、形狀相關(guān)，由仿真軟件計(jì)算所得。為盡可能準(zhǔn)確地定義接觸熱阻，在外遮光罩頂端粘貼加熱片，以恒定功耗加熱星敏感器，在星敏感器機(jī)殼上粘貼熱敏電阻，測(cè)量遮光罩、頂蓋、蓋板等零件的溫度，并按圖2中的熱網(wǎng)絡(luò)，等效估算出接觸熱阻。

圖2 星敏感器熱網(wǎng)絡(luò)模型Fig.2 Thermal network model of star sensor

節(jié)點(diǎn)序號(hào)零件熱阻/(K·W-1)R1外遮光罩3.600R2頂蓋0.028R3蓋板0.460R4印制板固定框7.250R5內(nèi)遮光罩3.447R6底座0.100

表2 接觸熱阻定義

星敏感器受空間外熱流影響，溫度升高。空間外熱流以太陽(yáng)輻射、地球反照、地球紅外輻射3種方式為主[10]，確定高溫工況僅考慮太陽(yáng)輻射。星敏感器的強(qiáng)光保護(hù)角指標(biāo)為30°，這意味著當(dāng)太陽(yáng)光入射角小于30°時(shí)，星敏感器將無(wú)法正常輸出姿態(tài)；在整星布局時(shí)通常會(huì)提前計(jì)算，避免出現(xiàn)該情況。因此將高溫工況設(shè)置為：太陽(yáng)光入射角為30°，星敏感器正常工作。同時(shí)，將星敏感器工作在陰影區(qū)(無(wú)外熱流)作為低溫工況。

2.1 星敏感器導(dǎo)熱安裝分析

在條件允許的情況下，將星敏感器與衛(wèi)星艙體導(dǎo)熱安裝，在艙板下方采用鋪設(shè)熱管等方式，將星敏感器安裝面溫度控制在合適范圍內(nèi)。假設(shè)星敏感器安裝面溫度控制在-15～0 ℃，計(jì)算產(chǎn)品的高溫工況和低溫工況。

2.1.1 高溫工況

當(dāng)太陽(yáng)光入射角為30°，星敏感器正常工作，且安裝面溫度為0 ℃時(shí)，星敏感器處于高溫工況。該工況下的星敏感器熱網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 星敏感器導(dǎo)熱安裝熱網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Thermal network of star sensor with thermal coupling installation

當(dāng)星敏感器溫度達(dá)到平衡時(shí)，根據(jù)能量守恒定律，有

Φin1+Φin2=Φout1+Φout2

(1)

空間背景溫度為3 K，為便于計(jì)算，忽略該值影響，則

αAaqcosθ+Φin2=σεArT1a4+Φout2

(2)

式中：Φin1為星敏感器吸收的外熱流能量；Φin2為星敏感器的功耗，當(dāng)致冷器關(guān)閉時(shí)，Φin2=8.4 W；Φout1為星敏感器對(duì)外輻射的熱量；Φout2為星敏感器與衛(wèi)星艙體的換熱量；α為遮光罩表面涂層的吸收率，α=0.95；ε為遮光罩表面涂層的發(fā)射率，ε=0.8；σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，σ=5.67×10-8W/(m2·K4)；Aa為太陽(yáng)照射面積(不含包覆多層隔熱組件區(qū)域)；Ar為有效輻射面積；θ為太陽(yáng)光入射角；q為太陽(yáng)熱流，q=1.4 kW/m2。

同時(shí)，根據(jù)導(dǎo)熱定律，星敏感器與衛(wèi)星艙體的換熱量為

Φout2=(T1a-T6b)/Rt

(3)

式中：T1a為外遮光罩熱端溫度；T6b為安裝面溫度；Rt為從外遮光罩到安裝面的總熱阻。

由式(2)、(3)計(jì)算可得，外遮光罩的頂端溫度為375 K，即102 ℃，由安裝面流向艙體的熱量約為9.5 W。通過(guò)熱網(wǎng)絡(luò)可進(jìn)一步求得各點(diǎn)溫度，高溫工況下的溫度分布見(jiàn)表3。

2.1.2 低溫工況

當(dāng)星敏感器工作在陰影區(qū)，安裝面溫度為-15 ℃時(shí)，星敏感器處于低溫工況。由于無(wú)外熱流(q=0)，按式(1)、(2)計(jì)算可得：外遮光罩頂端溫度為3 ℃，由安裝面流出的熱量為1.71 W。

2.1.3 小結(jié)

當(dāng)導(dǎo)熱安裝時(shí)，星敏感器外殼包覆多層隔熱組件，由熱控保證星敏感器安裝面溫度在-15～0 ℃，安裝面最大換熱量為9.5 W；外遮光罩頂端溫度在3～102 ℃之間波動(dòng)，該溫度在遮光罩涂層的允許范圍內(nèi)。同時(shí)，安裝面溫度適宜，不需要使用制冷器對(duì)探測(cè)器主動(dòng)控溫。

2.2 星敏感器隔熱安裝分析

若熱控實(shí)施條件有限，無(wú)法將星敏感器安裝處的衛(wèi)星艙板溫度控制在較低水平，則可選擇對(duì)星敏感器隔熱安裝。

2.2.1 高溫工況

當(dāng)太陽(yáng)光入射角為30°，星敏感器正常工作時(shí)，星敏感器處于高溫工況。由于星敏感器隔熱安裝，故假設(shè)星敏感器與衛(wèi)星艙體之間無(wú)熱量交換，即Φout2=0，此時(shí)可認(rèn)為星敏感器本身的熱耗一路經(jīng)印制板固定框流向頂蓋；另一路經(jīng)固定框與底座的接觸面后，再經(jīng)蓋板和內(nèi)遮光罩流向頂蓋。兩路按并聯(lián)形式計(jì)算，并假設(shè)每一路中各串聯(lián)印制板固定框一半的熱阻。星敏感器隔熱安裝的熱網(wǎng)絡(luò)如圖4所示，此時(shí)求得遮光罩頂端溫度為136 ℃，安裝面溫度為51 ℃。

圖4 星敏感器隔熱安裝熱網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Thermal network of star sensor with thermal insulation installation

2.2.2 低溫工況

當(dāng)星敏感器工作在陰影區(qū)時(shí)，處于低溫工況，此時(shí)式(2)進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

(4)

由式(4)可得：遮光罩頂端溫度為19 ℃，安裝面溫度為-66 ℃。

2.2.3 小結(jié)

當(dāng)星敏感器隔熱安裝時(shí)，在高溫工況下，安裝面溫度過(guò)高；同時(shí)可預(yù)見(jiàn)，此時(shí)若開(kāi)啟致冷器，由于星敏感器功耗增加，因此安裝面溫度會(huì)進(jìn)一步上升。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該星敏感器在制冷器開(kāi)啟后，可探測(cè)器與安裝面的最大溫差為30 ℃，所以當(dāng)制冷器開(kāi)啟后，探測(cè)器的溫度依然偏高，并不能有效解決問(wèn)題。在低溫工況下，星敏感器安裝面溫度較低。

表3 高溫工況下的溫度分布

因此，在高溫工況下，當(dāng)星敏感器外殼包覆多層隔熱組件且與衛(wèi)星艙體之間隔熱安裝時(shí)，僅靠遮光罩內(nèi)表面輻射，不能滿足星敏感器的散熱需求，此時(shí)可在遮光罩與星敏感器盒體之間也采用隔熱安裝。按照試驗(yàn)估計(jì)，在隔熱安裝條件下，當(dāng)遮光罩與星敏感器盒體之間的熱阻大于160 K/W時(shí)，可有效阻止外部熱流向下傳導(dǎo)；同時(shí)在盒體外表面噴涂用于散熱的熱控白漆，取代多層隔熱組件。

3 有限元仿真分析

使用有限元分析軟件ANSYS Workbench對(duì)星敏感器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱仿真分析。在建立仿真模型時(shí)，為控制有限元網(wǎng)格數(shù)量和質(zhì)量，對(duì)圓角、螺釘、小孔等模型的細(xì)節(jié)特征進(jìn)行簡(jiǎn)化處理；為保證模型的準(zhǔn)確性，檢查不同零部件之間接觸單元的生成情況，避免出現(xiàn)不真實(shí)的熱傳導(dǎo)路徑[11-12]。在分析階段，計(jì)算星敏感器導(dǎo)熱安裝時(shí)的高溫工況，與熱網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證星敏感器隔熱安裝時(shí)的熱設(shè)計(jì)方案。

3.1 星敏感器導(dǎo)熱安裝的高溫工況分析

對(duì)星敏感器導(dǎo)熱安裝時(shí)的高溫工況進(jìn)行計(jì)算分析，簡(jiǎn)化星敏感器模型，將外熱流及輻射均等效設(shè)置在星敏感器的第1片擋光環(huán)上。分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 整機(jī)和零部件溫度云圖(導(dǎo)熱安裝高溫工況)Fig.5 Temperature distribution in hot case and thermal coupling installation

零部件仿真溫度與基于熱網(wǎng)絡(luò)模型的溫度計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表4。由表可見(jiàn)，兩者在同一位置的最大溫差在8.2 ℃以內(nèi)，考慮到2種分析方法在模型簡(jiǎn)化上的差異，可認(rèn)為兩者互相印證。

3.2 星敏感器隔熱安裝的熱控設(shè)計(jì)分析

當(dāng)星敏感器與衛(wèi)星艙體之間隔熱安裝時(shí)，擬采取的熱控措施為：遮光罩外表面包覆多層隔熱組件，與盒體之間隔熱安裝；盒體蓋板和頂蓋外表面噴涂熱控白漆，發(fā)射率ε=0.87，吸收率α=0.15。忽略遮光罩與盒體之間的換熱，當(dāng)太陽(yáng)光平行于星敏感器安裝面、與蓋板成45°入射時(shí)，盒體吸收的外熱流最大，以此作為高溫工況。分析結(jié)果如圖6所示。此時(shí)，星敏感器安裝面的最低溫度約為-30 ℃。

當(dāng)星敏感器工作在陰影區(qū)，無(wú)外熱流時(shí)，處于低溫工況。整機(jī)和零部件溫度分析結(jié)果如圖7所示。此時(shí)，星敏感器安裝面的最低溫度約為-60 ℃。

由以上分析可知，星敏感器安裝面的溫度為-60～-30 ℃，表明蓋板具有較好的散熱作用。同時(shí)，為避免星敏感器在陰影區(qū)溫度過(guò)低，可在星敏感器蓋板上設(shè)置用于溫度補(bǔ)償?shù)募訜崞?。為滿足具體的控溫需求，應(yīng)結(jié)合軌道環(huán)境及星敏感器在衛(wèi)星上的布局，進(jìn)行更詳細(xì)的設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文使用熱網(wǎng)絡(luò)模型及有限元仿真手段，對(duì)某高精度星敏感器在不同熱控設(shè)計(jì)狀態(tài)下的溫度進(jìn)行討論分析。結(jié)果表明：當(dāng)整星熱控分系統(tǒng)保證星敏感器安裝面溫度適宜時(shí)，通過(guò)星敏感器導(dǎo)熱安裝，在外殼包覆多層隔熱組件，可使整機(jī)溫度適宜；當(dāng)星敏感器隔熱安裝時(shí)，可通過(guò)選配隔熱安裝的遮光罩，在盒體四周噴涂熱控白漆，并粘貼用于溫度補(bǔ)償?shù)碾娂訜崞?，以保證星敏感器安裝面的溫度適宜。所提方法為該星敏感器的衛(wèi)星型號(hào)應(yīng)用提供了熱控設(shè)計(jì)參考。由于熱設(shè)計(jì)并不局限于溫度場(chǎng)的分析，因此今后需從應(yīng)用角度出發(fā)，研究熱變形對(duì)星敏感器測(cè)量精度的影響，根據(jù)具體任務(wù)需求，進(jìn)行更為詳細(xì)的設(shè)計(jì)，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正、細(xì)化仿真模型。

圖7 整機(jī)和零部件溫度云圖(隔熱安裝低溫工況)Fig.7 Temperature distribution in cold case and thermal insulation installation

零部件節(jié)點(diǎn)仿真分析溫度/℃數(shù)值計(jì)算溫度/℃ΔT/℃外遮光罩頂蓋蓋板固定框內(nèi)遮光罩底座T1a99.2102.002.80T1b59.667.808.20T2a32.836.453.65T2b30.836.185.38T3a18.820.051.25T3b14.317.062.76T4a29.627.78-1.82T4b13.09.32-3.68T5a15.011.05-3.95T5b12.39.32-2.98T6a1.00.95-0.05T6b000