高分七號衛(wèi)星激光測高儀熱設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

黃金印 潘福明 傅偉純 王甜甜 殷亞州 姜紫慶 張新偉

(1 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) (2 北京控制工程研究所，北京 100094)(3 中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083)

星載激光測高儀具備主動獲取全球地面目標(biāo)三維信息的能力，支持快速獲取全球立體測繪圖，同時在極地冰蓋測量、植被高度及生物量估測、云高測量、海面高度測量以及全球氣候監(jiān)測等方面都可以發(fā)揮重要作用[1]。2003年，美國發(fā)射了世界上首顆用于探測地球表面冰層、云層和地表層高度的激光高度計(jì)一號衛(wèi)星(ICESat-1)[2]。2019年11月3日，我國首顆亞米級分辨率的立體測繪衛(wèi)星高分七號(GF-7)成功發(fā)射，激光測高儀為其核心載荷之一。

本文針對高分七號衛(wèi)星激光測高儀任務(wù)特點(diǎn)、空間外熱流環(huán)境、構(gòu)型布局等約束，給出了基于環(huán)路熱管的多熱源熱量傳輸與控溫設(shè)計(jì)方案，并對地面熱平衡試驗(yàn)和在軌飛行驗(yàn)證進(jìn)行了總結(jié)。

1 激光測高儀熱設(shè)計(jì)任務(wù)分析

激光測高儀安裝在高分七號衛(wèi)星上的布局如圖1所示，除遮光罩從+Z方向伸出星體以外，其余部分均在載荷艙內(nèi)部。激光測高儀主要分為前光機(jī)組件和后光路組件。其中，前光機(jī)組件包括主鏡、主框架、次鏡、次鏡支撐筒等；后光路組件包括激光器、后光路電子設(shè)備和頭部電子設(shè)備。

圖1 激光測高儀布局圖Fig.1 Layout of the laser altimeter

1.1 技術(shù)指標(biāo)分析

為了實(shí)現(xiàn)高分七號衛(wèi)星高程分辨率優(yōu)于1 m的任務(wù)目標(biāo)，激光測高儀主體必須具有良好的溫度穩(wěn)定性。一方面，激光測高儀主結(jié)構(gòu)和光機(jī)組件的溫度波動和溫度梯度使光路系統(tǒng)的光學(xué)間隔發(fā)生變化，導(dǎo)致光學(xué)主軸偏離設(shè)計(jì)指標(biāo)[3-4]；另一方面，激光測高儀采用的半導(dǎo)體激光器是一種高功率密度的器件，對工作溫度變化非常敏感，溫度變化引起的微小電流將導(dǎo)致輸出能量的顯著變化和器件參數(shù)(如激射波長、噪聲性能等)的變化[5]。因此，激光器測高儀主要熱控指標(biāo)要求見表1。

表1 激光測高儀主要熱控指標(biāo)Table 1 Main thermal control indicator of the laser altimeter

1.2 空間熱環(huán)境分析

高分七號衛(wèi)星運(yùn)行在軌道高度為500 km、降交點(diǎn)地方時為10:30的太陽同步軌道，壽命期間β角在16°～26°之間變化。激光測高儀輻射器布置在衛(wèi)星+Y側(cè)，遮光罩和前光機(jī)組件直接暴露于空間。軌道外熱流對激光測高儀熱設(shè)計(jì)的影響主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面，同一軌道周期內(nèi)，到達(dá)衛(wèi)星+Y面和+Z面的外熱流變化較大；另一方面，隨著季節(jié)的變化，太陽光照強(qiáng)度和陽光與軌道面的夾角始終在變化，從而影響到達(dá)+Y面和+Z面外熱流的強(qiáng)度。因此，激光測高儀熱設(shè)計(jì)需要考慮上述外熱流變化對溫度穩(wěn)定性的影響。

1.3 工作模式分析

根據(jù)任務(wù)需求，激光測高儀在軌工作模式分為待機(jī)模式和測量模式。測量模式每軌工作一次，每次工作20 min，總功耗172 W，其中，頭部電子學(xué)設(shè)備熱耗133 W，激光器熱耗20 W，后光路電子設(shè)備熱耗19 W。工作時間以外為待機(jī)模式，功耗均為0 W。

不同工作模式下激光測高儀熱耗的巨大差異，一方面要求熱控系統(tǒng)既能夠保證工作模式下能夠?qū)崃宽樌派⒅列峭?，讓激光器等工作在合適的溫度水平；另一方面要求在待機(jī)模式下具有保溫能力，維持設(shè)備溫度的穩(wěn)定性。

2 激光測高儀熱設(shè)計(jì)

根據(jù)空間熱環(huán)境和載荷工作模式分析結(jié)果，激光測高儀采用被動熱控與主動熱控相結(jié)合的設(shè)計(jì)思想。

2.1 光機(jī)結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)

激光測高儀遮光罩共長400 mm，分成內(nèi)外兩段；外遮光罩外表面噴涂SR107-ZK白漆，避免陽照區(qū)遮光罩溫度過高；內(nèi)遮光罩與主鏡筒隔熱安裝，降低遮光罩溫度變化對鏡筒的影響；內(nèi)遮光罩外表面粘貼控溫加熱片，再在其外表面包覆10單元多層隔熱組件。

主鏡筒、次鏡框、次鏡支撐筒等外表面包覆10～15單元多層隔熱組件，降低星內(nèi)其它區(qū)域溫度波動對光機(jī)結(jié)構(gòu)的溫度的影響。

遮光罩、次鏡支架、次鏡框、主鏡室、主鏡筒等結(jié)構(gòu)內(nèi)部均進(jìn)行發(fā)黑處理，一方面減小雜散光對成像的影響，另一方面減小光機(jī)內(nèi)部元器件之間的溫度梯度。

此外，為了進(jìn)一步提高光機(jī)結(jié)構(gòu)軸向以及周向的溫度均勻性，在內(nèi)遮光罩、次鏡背面以及次鏡框、主鏡筒等組件外表面根據(jù)溫度水平布置薄膜加熱器，并采用高精度控溫儀對加熱回路通斷進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)光機(jī)結(jié)構(gòu)的精密控溫。

2.2 激光器及后光路熱設(shè)計(jì)

激光測高儀主體的發(fā)熱部件(主要包括激光器、后光路電子學(xué)設(shè)備和頭部電子學(xué)設(shè)備)全部集中在后光路部分，使得后光路組件單位體積內(nèi)峰值熱耗達(dá)到525.6 W。為了保證激光器等核心部件的溫度水平、減小后光路組件溫度對光機(jī)結(jié)構(gòu)的影響，后光路組件采取的熱控措施包括：①將光機(jī)結(jié)構(gòu)與后光路組件之間進(jìn)行隔熱，并且將后光路組件外表面包覆10單元多層隔熱組件；②激光器、后光路光學(xué)組件等溫度水平要求高的部分與頭部電子學(xué)設(shè)備之間進(jìn)行隔熱處理，減小頭部電子學(xué)設(shè)備溫度波動對激光器和后光路光學(xué)組件溫度的影響；③采用一套基于環(huán)路熱管的毛細(xì)泵驅(qū)流體回路作為主要熱沉，實(shí)現(xiàn)后光路組件熱量收集、傳輸以及控溫。上述措施中前兩點(diǎn)與光機(jī)結(jié)構(gòu)的實(shí)施方式基本類似，以下詳細(xì)介紹基于環(huán)路熱管的毛細(xì)泵驅(qū)流體回路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1)環(huán)路熱管原理

環(huán)路熱管主要由蒸發(fā)器、冷凝器、儲液器、蒸氣管路和液體管路等組成(見圖2)。環(huán)路熱管中一個完整的傳熱過程包括：液態(tài)工質(zhì)在蒸發(fā)器中的毛細(xì)芯外表面蒸發(fā)，吸收熱量，產(chǎn)生的氣態(tài)工質(zhì)經(jīng)蒸氣管路流向冷凝器，在冷凝器中釋放熱量并凝結(jié)成液體，液態(tài)工質(zhì)流經(jīng)儲液器后，通過液體管路向蒸發(fā)器毛細(xì)芯內(nèi)部供應(yīng)液態(tài)工質(zhì)，液態(tài)工質(zhì)流經(jīng)毛細(xì)芯，最后到達(dá)毛細(xì)芯表面再次受熱蒸發(fā)，如此完成一個循環(huán)。

圖2 環(huán)路熱管示意圖Fig.2 Schematic of a loop heat pipe

與軸向槽道熱管相比，環(huán)路熱管具有熱傳輸距離遠(yuǎn)、傳熱能力大、管路布置靈活、逆重力工作能力強(qiáng)、單向傳熱以及可控溫的特點(diǎn)[6]。因此，環(huán)路熱管特別適合于將儀器設(shè)備(熱源)的熱耗傳輸至散熱面(熱沉)進(jìn)行排散，從而實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備的溫度控制。

環(huán)路熱管一般用于單點(diǎn)熱源與熱沉之間的傳熱。為適應(yīng)多熱源的熱量傳輸，戈達(dá)德航天中心(Goddard Space Flight Center)設(shè)計(jì)了一套復(fù)雜的槽道熱管網(wǎng)絡(luò)，先采用普通槽道熱管將測地激光高度計(jì)系統(tǒng)(Geoscience Laser Altimeter System，GLAS)三臺激光器的熱量收集起來，再通過一套丙烯工質(zhì)的環(huán)路熱管傳輸至輻射器，其本質(zhì)還是單點(diǎn)熱源與熱沉之間的傳熱[2]。2004年，文獻(xiàn)[7]采用安裝在環(huán)路熱管毛細(xì)泵上的電加熱器作為驅(qū)動熱源，驅(qū)動工質(zhì)在兩個大面積的熱源和熱沉之間多次往返，最終經(jīng)由熱沉回到儲液器，通過一套深冷環(huán)路熱管實(shí)現(xiàn)了大面積熱量收集和傳遞，但是該項(xiàng)目未對環(huán)路熱管運(yùn)行溫度水平和穩(wěn)定性進(jìn)行主動控制。

2)傳熱鏈路設(shè)計(jì)

基于激光測高儀的設(shè)備布局、在軌工作模式、載荷發(fā)熱及控溫需求，設(shè)計(jì)了如圖3所示的基于環(huán)路熱管毛細(xì)泵驅(qū)流體回路系統(tǒng)。系統(tǒng)傳熱主要傳熱鏈路為：頭部電子學(xué)設(shè)備、后光路電子學(xué)設(shè)備和激光器產(chǎn)生的熱量分別通過槽道熱管傳輸至毛細(xì)泵、蒸發(fā)器3、蒸發(fā)器1和蒸發(fā)器2；然后由環(huán)路熱管傳輸至安裝在衛(wèi)星+Y、-Z散熱面內(nèi)表面的冷凝器，最終通過散熱面排散至星外。

由于環(huán)路熱管是整個傳熱鏈路上的核心部件，為保證熱控子系統(tǒng)可靠度，設(shè)計(jì)了主備兩套環(huán)路熱管；兩套環(huán)路熱管狀態(tài)完全一樣，設(shè)計(jì)狀態(tài)下僅主份工作，備份處于阻斷狀態(tài)。

圖3 激光測高儀散熱路徑示意圖Fig.3 Heat diffusion path ofthe laser altimeter

3)多點(diǎn)熱源傳熱與控溫

(1)

式中：λ為環(huán)路熱管工質(zhì)的氣化潛熱。

圖4 基于環(huán)路熱管的毛細(xì)泵驅(qū)流體回路原理Fig.4 Schematic of a capillary pump drive fluid loop based loop heat pipe

為了保證激光器、后光路電子學(xué)設(shè)備溫度的一致性，蒸發(fā)器1入口處工質(zhì)需為兩相狀態(tài)。因此，在冷凝器1與蒸發(fā)器1之間設(shè)置了控溫加熱器，通過控溫加熱補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器1入口處工質(zhì)的兩相狀態(tài)。補(bǔ)償功率Qpre為

(2)

式中：Qsubcool為預(yù)加熱器鞍座入口過冷量。

干度為x3的工質(zhì)依次流過蒸發(fā)器1～3，吸收測高儀激光器和后光路電子學(xué)設(shè)備的熱量后部分液態(tài)氨蒸發(fā)吸熱，干度變?yōu)閤4。蒸發(fā)器1～3的總吸熱量為

(3)

干度為x4的工質(zhì)通過熱輻射器2，將激光器與后光路電子學(xué)設(shè)備產(chǎn)生的熱量排散至空間熱沉，并冷卻為具有一定過冷度的液體，并經(jīng)液體管路回流進(jìn)入儲液器和毛細(xì)泵，實(shí)現(xiàn)一次完整的循環(huán)。

式(1)～(3)合并可知

Qpre+QEVA1～3=Qpump·(x4-x2)+Qsubcool

(4)

假設(shè)環(huán)路熱管預(yù)加熱器加熱功率剛好補(bǔ)償預(yù)加熱器鞍座入口過冷量，即蒸發(fā)器1入口工質(zhì)為飽和狀態(tài)(x2=x3=0)。則有

QEVA1～3=Qpump·x4

(5)

即環(huán)路熱管蒸發(fā)器總吸熱量等于毛細(xì)泵吸熱量與蒸發(fā)器3出口干度的乘積。為了蒸發(fā)器1～3溫度的穩(wěn)定性，蒸發(fā)器3出口工質(zhì)應(yīng)該保持在氣液兩相狀態(tài)，即x4<1。并且，x4越小，不同工作模式下激光器與后光路電子學(xué)設(shè)備溫度波動越小。因此，為了確保環(huán)路熱管內(nèi)工質(zhì)的流量滿足測高儀激光器和后光路電子學(xué)設(shè)備散熱的需求，同時避免因蒸發(fā)器3出口處工質(zhì)干度過大而引起的溫度波動，毛細(xì)泵吸收熱量必需大于環(huán)路熱管外回路的總吸熱量。

由于激光測高儀為間歇工作模式，受其自身熱容等因素影響，測量模式下頭部電子學(xué)設(shè)備133 W的熱量只有部分傳遞給環(huán)路熱管蒸發(fā)器。為了確保環(huán)路熱管始終穩(wěn)定運(yùn)行，在環(huán)路熱管毛細(xì)泵上設(shè)置了輔助運(yùn)行加熱器。當(dāng)激光測高儀不工作時，環(huán)路熱管可以依靠輔助運(yùn)行加熱器的驅(qū)動，維持低功率運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)測高儀由待機(jī)轉(zhuǎn)為測量模式時，環(huán)路熱管內(nèi)部工質(zhì)質(zhì)量流量能夠保證將激光器和后光路電子學(xué)設(shè)備熱量完全吸收并傳輸至冷凝器2。

3 熱設(shè)計(jì)驗(yàn)證

3.1 地面熱平衡試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證激光測高儀熱控設(shè)計(jì)的正確性，根據(jù)在軌外熱流條件、整星溫度邊界和在軌工作模式，在空間環(huán)境模擬罐進(jìn)行了激光測高儀正樣熱平衡試驗(yàn)。

激光測高儀正樣熱平衡試驗(yàn)過程中，激光測高儀主體以及所屬熱控產(chǎn)品均為正樣狀態(tài)；采用紅外籠模擬遮光罩入口外熱流，采用加熱器模擬散熱面的外熱流，采用試驗(yàn)工裝模擬整星溫度邊界；環(huán)路熱管試驗(yàn)件(見圖5)固定在激光測高儀背部，其中毛細(xì)泵、蒸發(fā)器1～3與其對應(yīng)安裝面之間填充導(dǎo)熱硅脂，蒸發(fā)器1入口加熱器鞍座隔熱安裝，減小管路向其安裝支架的漏熱。

圖5 激光測高儀環(huán)路熱管Fig.5 Loop heat pipe for the laser altimeter

冷凝器翅片固定在散熱面模擬板內(nèi)表面，翅片與熱沉之間填充導(dǎo)熱硅脂；環(huán)路熱管冷凝器2出口至儲液器入口段管路進(jìn)行隔熱處理，盡可能減小環(huán)境漏熱對環(huán)路熱管運(yùn)行的影響；環(huán)路熱管其它部分及其安裝支架均包覆多層隔熱組件，減小環(huán)路熱管與環(huán)境之間的熱交換。激光測高儀熱平衡試驗(yàn)共進(jìn)行高、低溫兩個工況。

低溫工況下，頭部電子學(xué)設(shè)備、激光器和后光路電子學(xué)設(shè)備無熱耗。主鏡筒溫度在19.3～19.5 ℃之間，次鏡框溫度在19.2～20.2 ℃之間，次鏡溫度在19.0～19.2 ℃之間，滿足光機(jī)結(jié)構(gòu)溫度水平和穩(wěn)定性要求。環(huán)路熱管依靠安裝在毛細(xì)泵上的輔助運(yùn)行加熱器維持溫度運(yùn)行，并通過儲液器控溫加熱器將環(huán)路熱管儲液器溫度水平控制在(16±0.3)℃，蒸發(fā)器1～3溫度穩(wěn)定在17.0～20.0 ℃，從而將后光路光學(xué)組件和激光器溫度控制在20～20.7 ℃之間。

高溫工況下，光機(jī)組件溫度水平如圖6所示。主鏡筒、次鏡框及次鏡溫度在19.2～19.6 ℃之間；環(huán)路熱管蒸發(fā)器1～3溫度穩(wěn)定在14.8～16.7 ℃之間，頭部電子學(xué)設(shè)備、激光器和后光路電子學(xué)設(shè)備峰值熱耗分別為96 W、20 W和16 W；激光測高儀工作周期為95 min，每個周期工作20 min(見圖7)。不同工作模式下，依靠儲液器控溫加熱器，蒸發(fā)器1～3溫度穩(wěn)定在15.2～16.5 ℃。從而將激光器溫度控制在19.5～20.3 ℃之間；后光路光學(xué)組件溫度在21.6～22.0 ℃之間。

圖6 高溫工況光機(jī)組件溫度分布Fig.6 Optical-mechanical component temperature in hot case

激光測高儀熱平衡試驗(yàn)結(jié)果表明：不同工作模式及外熱流環(huán)境下，激光測高儀光機(jī)組件及后光路組件溫度水平及穩(wěn)定度均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，驗(yàn)證了熱設(shè)計(jì)的正確性。

圖7 高溫工況激光器及環(huán)路熱管溫度分布Fig.7 Laser and loop heat pipe temperature in hot case

3.2 在軌飛行驗(yàn)證

激光測高儀在軌溫度達(dá)到平衡后，主要部組件的溫度隨時間變化曲線如圖8和圖9所示。在軌飛行數(shù)據(jù)表明：主鏡筒溫度在19.4～20.3 ℃之間，次鏡框溫度在19.1～20.6 ℃之間，次鏡溫度在19.6～19.8 ℃之間，后光路底板溫度穩(wěn)定在20.2～20.8 ℃之間，滿足光機(jī)組件溫度水平和穩(wěn)定性要求。

圖8 光機(jī)組件在軌溫度Fig.8 Optical-mechanical component temperature on orbit

衛(wèi)星入軌后，主份環(huán)路熱管工作在控溫運(yùn)行模式，備份環(huán)路熱管處于阻斷狀態(tài)。在儲液器控溫加熱回路的控制下，主份環(huán)路熱管運(yùn)行溫度穩(wěn)定在(19±1)℃，從而蒸發(fā)器1～3溫度控制在17.8～19.9 ℃之間，激光器溫度控制在19.8～20.4 ℃之間，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖9 激光器及環(huán)路熱管在軌溫度Fig.9 Laser and loop heat pipe temperature on orbit

4 結(jié)束語

針對高分七號衛(wèi)星激光測高儀的熱設(shè)計(jì)任務(wù)需求，本文提出了被動熱控加基于環(huán)路熱管的毛細(xì)泵驅(qū)流體回路的散熱方案，并通過地面熱平衡試驗(yàn)和在軌飛行數(shù)據(jù)驗(yàn)證了方案的正確性。激光測高儀熱設(shè)計(jì)及其驗(yàn)證結(jié)果表明：

(1)基于精細(xì)化熱分析，合理設(shè)置遮光罩散熱面、電加熱回路以及多層隔熱組件等熱控措施，保證了激光測高儀在軌工作在良好的溫度條件；尤其是次鏡、激光器等關(guān)鍵部件，溫度波動控制在±0.3 ℃以內(nèi)，較好地實(shí)現(xiàn)了激光測高儀的精密控溫。

(2)通過基于環(huán)路熱管的毛細(xì)泵驅(qū)流體回路，不僅解決了激光測高儀頭部電子學(xué)設(shè)備的散熱問題，而且實(shí)現(xiàn)了激光測高儀4臺激光器和后光路組件的熱排散和高精度控溫。此外，通過槽道熱管將環(huán)路熱管毛細(xì)泵與激光測高儀頭部電子學(xué)設(shè)備進(jìn)行傳熱耦合，有效地利用了電子學(xué)設(shè)備的廢熱，這一設(shè)計(jì)在空間復(fù)雜空間布局多點(diǎn)熱源熱量收集、傳輸以及高精度控溫?zé)峥叵到y(tǒng)中具有很好的應(yīng)用潛力。