FY-3D衛(wèi)星高光譜溫室氣體監(jiān)測儀熱控設計及在軌驗證

申春梅，于峰，劉文凱

（1.北京空間機電研究所，北京100094； 2.先進光學遙感技術北京市重點實驗室，北京100094）

高光譜溫室氣體監(jiān)測儀（簡稱監(jiān)測儀）是中國新型極軌風云三號D（FY-3D）氣象衛(wèi)星針對當前全球氣候變化問題裝載的新型高光譜觀測載荷，是中國第1個專門針對溫室氣體遙感探測的載荷。其主要功能是對全球主要溫室氣體CO2、CH4及CO等的濃度進行高精度監(jiān)測，用于全球溫室氣體排放、溫室氣體源和匯分析、溫室氣體與氣候變化等一系列科學問題的研究。其為后續(xù)業(yè)務運行積累基礎，對于提升中國在氣候變化問題中的話語權具有重要意義。

監(jiān)測儀裝載于FY-3D衛(wèi)星艙外，在軌直接暴露于惡劣的空間熱環(huán)境，會受到軌道外熱流（太陽直射、地球紅外、地球返照）及冷黑空間背景的交替加熱和冷卻，所處溫度環(huán)境非常惡劣［1-2］。而為實現(xiàn)在軌溫室氣體特征吸收光譜探測及星上定標等功能，監(jiān)測儀在較小尺寸空間內布置有二維指向鏡光機組件、干涉儀光機組件、前光學鏡頭、分色匯聚光學鏡頭等8個鏡頭組件，以及激光信號處理器、紅外信息處理器、探測器組件、探測器半導體制冷控制器等12臺電子設備。其中，二維指向鏡光機組件及干涉儀光機組件上都有轉動機構，還配有驅動電機。因此，在惡劣的空間熱環(huán)境下，監(jiān)測儀在較小尺寸空間內數量眾多的光學鏡頭組件與數量眾多的內熱源交叉并存。

監(jiān)測儀光學系統(tǒng)是在地面室溫條件下裝調，為保證在軌成像性能，光學鏡頭組件在軌溫度必須控制在室溫水平，而且干涉儀關鍵件因穩(wěn)定性要求較高，其在軌溫度要求比其他光學鏡頭更加嚴苛。監(jiān)測儀內部數量眾多的電子設備與電機內熱源，在軌則是在高真空環(huán)境下工作［1-2］，沒有地面時的自然對流散熱條件，又處在光學鏡頭組件要求的室溫環(huán)境內，其工作熱耗若不進行及時控制，一方面可能會導致內部器件溫度過高被燒壞，另一方面其較高溫度也會對交叉并存的光學鏡頭產生惡劣影響。因此，在惡劣的空間熱環(huán)境及眾多內熱源熱擾動的條件下，采取合適的熱控措施保證光學鏡頭組件室溫高精度控溫要求，同時保證內熱源溫度處在正常工作允許的范圍內，就成為監(jiān)測儀在軌性能的決定因素之一。

空間光學遙感器傳統(tǒng)熱控技術與衛(wèi)星平臺熱控大體一致，主要思路是［1-8］：采用被動的熱防護措施，如多層隔熱材料來隔絕遙感器與外部空間環(huán)境的輻射換熱；在主承力結構，鏡頭支撐結構等直接布置主動控溫加熱回路來保證溫度水平；對內部熱源，則采用槽道熱管將其熱耗引到外部空間輻射散熱面，最終排散到冷空間。散熱面面積需按照在軌極端熱工況（即內熱源工作熱耗最大，散熱面所受空間外熱流最大）來設計，但在冷工況下（即內熱源不工作，散熱面所受空間外熱流最小工況），散熱面面積就相對過大，需要使用低溫補償功耗來保證內熱源的低溫限。傳統(tǒng)熱控方法為純資源消耗型方法，其對控溫范圍相對寬松、各部件溫度適應性較好且熱控通用性較強的衛(wèi)星平臺（平臺結構、平臺上電子學設備等溫度多在幾十度范圍內波動，且不同衛(wèi)星平臺間相對應的部件溫度水平基本一致），以及熱源種類單一、熱源總功耗較小、光學鏡頭控溫精度要求一般的傳統(tǒng)空間相機比較適用，因為這種方法簡單可靠，消耗的熱控資源也不多［3，8］。近年來，隨著國內遙感應用水平的不斷提升，對遙感器提出了更豐富的類型需求和更高的性能要求，進而使得遙感器熱控技術面臨著很多新的挑戰(zhàn)。遙感器熱控技術逐漸顯現(xiàn)出與一般衛(wèi)星平臺熱控技術的差異，成為航天器熱控技術中獨具特色的重要分支之一［3］。

正如本文所述監(jiān)測儀，在惡劣的空間熱環(huán)境下，在較小尺寸空間內數量眾多的光學鏡頭與內熱源交叉并存，且光學鏡頭與內熱源正常工作所需溫度要求不一致，干涉儀關鍵件控溫精度要求較高，擺臂兩端溫差要求小于等于0.5℃。在較小尺寸空間內，控溫目標不一致的光學鏡頭與內熱源之間存在直接或間接輻射換熱及導熱換熱，而且干涉儀擺臂上安裝有擺動驅動音圈電機內熱源，若對干涉儀擺臂音圈電機采用傳統(tǒng)散熱方式，對干涉儀擺臂直接布置主動控溫加熱回路，則很難實現(xiàn)干涉儀擺臂高精度控溫。此外，在FY-3D衛(wèi)星平臺上共裝載包括監(jiān)測儀在內的10臺遙感探測儀器，載荷數量較多，分配給監(jiān)測儀的功耗及重量資源有限，而監(jiān)測儀自身內熱源數量眾多且功耗大，工作時間長，可用于熱控的功耗就有限；同時，監(jiān)測儀位于衛(wèi)星-Y側，衛(wèi)星軌道為太陽同步軌道，+X飛行，+Z對地，軌道升交點地方時13：40。在此軌道上運行，衛(wèi)星+Y側為背陰面，始終不受太陽照射，是布置散熱面的最佳方位，衛(wèi)星-Y側則長期受曬，不利于散熱，而監(jiān)測儀則恰好位于衛(wèi)星-Y側，其+Y側還有其他載荷，會受到其他載荷表面反射外熱流的影響。因此，監(jiān)測儀位于非常不利于內熱源散熱的方位，散熱面資源緊張。在這種功耗和散熱面資源都緊張的條件下，對數量眾多的電子設備內熱源，若按照傳統(tǒng)方法，各自獨立考慮散熱和低溫補償，所需功耗及散熱面資源較大，與有限資源沖突。針對上述難點，研究人員基于熱管理［9-13］、輻射間接熱控［14］、輻射冷卻及結構熱控一體化協(xié)同優(yōu)化設計［15］等多種思路，對監(jiān)測儀熱控系統(tǒng)進行了設計。FY-3D衛(wèi)星于2017年11月15日2時35分發(fā)射升空，從入軌到進入正常工作狀態(tài)，衛(wèi)星平臺需進行姿態(tài)調整、太陽帆板展開等調試工作，監(jiān)測儀也需進行初期在軌調試工作，所以入軌后監(jiān)測儀會經歷生存模式、整軌關機模式、整軌待機模式，然后再進入正常工作模式，監(jiān)測儀熱控系統(tǒng)則需經歷多種工況模式下的考核。本文對監(jiān)測儀熱控系統(tǒng)進行概述，并對其入軌后飛行調試期間及正常工作模式下的在軌溫度數據進行分析，對監(jiān)測儀熱控系統(tǒng)設計的正確性及在軌適應性進行驗證。

1 監(jiān)測儀概述及控溫指標

1.1 監(jiān)測儀光機主體結構

監(jiān)測儀光機主體包絡尺寸為1 090 mm×960 mm×651 mm（X×Y×Z），由底板、外罩、遮光罩、光學鏡頭組件及各種信息處理器和控制器等12臺電子設備組成，光機主體內部布局如圖1所示。4個譜段探測器組件電路盒分別安裝在4個譜段透鏡筒上，其余光學鏡頭組件和電子設備都安裝在底板上。

二維指向鏡光機組件為二維光學轉動機構，CT軸布置1臺步進電機，AT軸布置1臺音圈電機。二維指向鏡工作時，AT軸音圈電機跟隨鏡框在CT軸步進電機帶動下繞CT軸轉動，同時音圈電機轉子轉動帶動鏡體繞AT軸俯仰，該音圈電機動子為轉子線圈，其熱耗集中在其轉子線圈上，是二維轉動熱源。二維指向鏡光機組件及音圈電機結構示意圖如圖2所示。

干涉儀光機組件除基座和分束鏡頭外，還安裝有擺臂組件和激光探測器，在擺臂兩端分別安裝一個角鏡，擺臂機構采用一臺音圈電機作為驅動電機，該音圈電機動子為磁缸。監(jiān)測儀成像時，干涉儀擺臂末端角鏡在音圈電機驅動下在一定角度范圍內擺動，與分束鏡協(xié)同工作，對由二維指向鏡引入的目標信號進行干涉調制，經干涉儀干涉調制的信號再進入后續(xù)光學系統(tǒng)。干涉儀光機組件及其音圈電機結構示意圖如圖3所示。

4個譜段探測器中，譜段2～譜段4探測器都需在低溫下工作，因此譜段2～譜段4探測器封裝在半導體制冷控制器內，半導體制冷控制器保證探測器工作在低溫度，半導體制冷控制器則通過面積較小的耳片安裝在探測器電路盒殼體上。

1.2 監(jiān)測儀入軌初期經歷的工況模式及在軌控溫指標要求

監(jiān)測儀從衛(wèi)星發(fā)射入軌到正常工作，需依次經歷生存模式、整軌關機模式、整軌待機模式和正常工作模式，各模式及各模式下監(jiān)測儀所處狀態(tài)如表1所示，正常工作模式下監(jiān)測儀內部熱源工作熱耗及工作時間如表2所示，衛(wèi)星軌道周期為102 min。生存模式安全溫度及正常工作模式下監(jiān)測儀各部組件控溫指標要求如表3所示。

表1 入軌后監(jiān)測儀經歷的工況模式Table 1 Summary of operating modes experienced by monitor after entering orbit

表2 正常工作模式下監(jiān)測儀內部熱源工作熱耗及工作時間Table 2 Heat consumption and operating time of calorigenic equipment in monitor under nor mal operating mode

表3 監(jiān)測儀各部組件控溫指標要求Table 3 Temperature contr ol requirements of monitor components

2 監(jiān)測儀熱控系統(tǒng)設計

由引言可知，采取何種熱控措施，使控溫精度較高的光學鏡頭組件與控溫范圍較寬的內熱源同時滿足溫度要求，同時又節(jié)省熱控功耗及散熱面資源，成為監(jiān)測儀熱設計的特點及難點。為有效解決監(jiān)測儀熱控難題，筆者采用了多種設計思路?；跓峁芾硭悸罚瑢ΡO(jiān)測儀各部組件熱行為進行系統(tǒng)管理，以節(jié)省熱控資源?；谳椛溟g接熱控思路，對所處熱環(huán)境復雜的光學鏡頭組件進行控溫，以提高其控溫精度。對二維指向鏡轉動音圈電機，則進行輻射冷卻，避免在傳熱路徑中引入撓性轉動環(huán)節(jié)，以提高熱控系統(tǒng)可靠性。對干涉儀擺臂音圈電機，則以輻射冷屏為冷源，并對輻射冷屏溫度加以控制，避免直接采用空間輻射散熱面使擺臂音圈電機溫度產生較大波動，對干涉儀擺臂高精度控溫帶來影響。基于結構熱控一體化協(xié)同設計在結構上充分保證熱設計各項需求，并在不影響成像性能的前提下，從熱控角度對結構布局進行合理優(yōu)化。監(jiān)測儀熱控系統(tǒng)如圖4所示。

2.1 控溫區(qū)域劃分及內熱源分類

按照控溫目標將監(jiān)測儀各部組件劃分成兩大控溫區(qū)，即光學鏡頭控溫區(qū)和內熱源控溫區(qū)。監(jiān)測儀無熱耗的結構件底板和外罩，除設置在外罩上的入光口外，可將光學鏡頭與外部惡劣熱環(huán)境在空間上最大程度隔開。同時，眾多光學鏡頭組件分散安裝在底板上，處在外罩內，底板和外罩與光學鏡頭之間存在直接導熱換熱或者輻射換熱，對所有光學鏡頭溫度都有直接導熱或輻射影響，而且底板溫度變化產生的熱變形也會引起光學鏡頭位置精度變化，進而對成像性能造成一定影響。因此，需將底板和外罩均納入光學鏡頭控溫區(qū)，否則將很難保證光學鏡頭高精度控溫要求。

對內熱源控溫區(qū)，通過初步熱分析對內熱源進行分類，將內熱源分成無需散熱的內熱源和必需散熱的內熱源兩大類。無需散熱的內熱源指控溫目標上限高于室溫，且在室溫環(huán)境下工作，不采取散熱措施時其工作溫度不會超標的內熱源。必需散熱的內熱源則又包括2類：第1類為控溫目標上限低于室溫的內熱源（簡稱1類散熱內熱源），第2類為控溫目標上限高于室溫，但在室溫環(huán)境下工作，不采取散熱措施時其工作溫度會超標的內熱源（簡稱2類散熱內熱源）。

圖4 監(jiān)測儀熱控系統(tǒng)Fig.4 Thermal control system of monitor

按照上述分類方法，根據控溫目標要求及初步熱分析結果，在監(jiān)測儀內熱源中，定標控制器及其DCDC、激光探測器和二維指向鏡步進電機為無需散熱內熱源，4個探測器電路盒為1類散熱內熱源，其余電子設備均為2類散熱內熱源，二維指向鏡音圈電機和干涉儀擺臂音圈電機雖然功耗不大，但其熱耗都集中在熱容較小的轉子線圈上，也屬于2類散熱內熱源。二維指向鏡步進電機位于CT軸末端，對所有光學鏡頭都不可見，包括二維指向鏡鏡體，與二維指向鏡鏡體也無直接導熱路徑，對其無需采取特殊熱控措施。激光探測器安裝在干涉儀基座上，為避免電子設備控溫區(qū)較大的溫度波動對干涉儀基座溫度產生不利影響，激光探測器不與其他電子設備建立導熱聯(lián)系，也無需采取特殊熱控措施。

2.2 電子設備內熱源熱管理

基于熱管理，以節(jié)省熱控資源為原則，對分類后的電子設備內熱源進行散熱設計，在設計時遵循如下原則：①散熱內熱源必需與光學鏡頭控溫區(qū)最大程度熱隔離，因為若不將其與光學鏡頭室溫控溫區(qū)熱隔離，則光學鏡頭室溫環(huán)境必通過其散熱路徑向外空間漏熱，從而增大維持室溫環(huán)境所需的主動控溫功耗，同時，室溫環(huán)境對其的漏熱則在一定程度上增加其輻射散熱面的負擔，從而在一定程度上增加輻射散熱面的大小。②1類散熱內熱源與2類散熱內熱源分開散熱，不共用散熱面。這是因為：基于輻射換熱基本理論，散熱面溫度越高，單位面積散熱面散熱能力越大，分開散熱后2類散熱內熱源散熱面設計溫度可高于1類散熱內熱源散熱面的設計溫度，從而節(jié)省散熱面面積。③對1類散熱內熱源，在與指標上限留有安全預量的前提下，盡可能提高高溫工況時內熱源實際被控溫度，這是因為：一方面可提高其散熱面設計溫度，節(jié)省散熱面面積；另一方面可降低光學鏡頭控溫區(qū)通過其散熱路徑向外空間的漏熱。④對2類散熱內熱源，控溫目標上限一致的內熱源，組成在軌有長期熱耗、熱容較大的系統(tǒng)，再散熱，節(jié)省低溫工況時的補償功耗，并在一定程度上抑制外熱流變化和熱耗變化造成的溫度波動。⑤對2類散熱內熱源，在指標上限留有安全余量的前提下，盡可能使其高溫工況下實際被控溫度稍高于光學鏡頭溫度。一方面可提高其散熱面設計溫度，節(jié)省散熱面面積；另一方面則可保證高溫工況時這類電子設備向光學鏡頭控溫區(qū)傳遞一定熱量，從而降低高溫工況下光學鏡頭控溫區(qū)主動控溫加熱回路的占空比，在高溫工況監(jiān)測儀工作用電高峰時，可在熱控功耗方面減少實際用電量。⑥對無需散熱電子設備熱容進行利用，將其與2類散熱內熱源熱導通，為2類散熱內熱源提供分擔熱耗的熱容，節(jié)省2類散熱內熱源的散熱面面積，同時，使兩者組成的系統(tǒng)具有較大的熱容，節(jié)省低溫工況補償功耗。⑦盡量降低內熱源與散熱面之間的總熱阻，這是因為：在內熱源熱耗一定的條件下，熱阻越小，內熱源與散熱面之間溫差越小，散熱面設計溫度可越高，從而節(jié)省散熱面面積。

基于上述原則，將監(jiān)測儀電子設備分成3個子系統(tǒng)再散熱，如圖4所示。同為1類散熱內熱源且控溫要求一致的4個探測器電路盒熱導通后組合成一個熱容較大的系統(tǒng)進行散熱；同為2類散熱內熱源且控溫要求一致的半導體制冷控制器和激光信號處理器熱導通后組成一個熱容較大且有長期熱耗的系統(tǒng)進行散熱，其中，半導體制冷控制器有長期熱耗；屬于無需散熱熱源的定標控制器及其DCDC與2類散熱內熱源紅外信息處理器、計量激光器和監(jiān)視相機組成一個熱容較大且有長期熱耗的系統(tǒng)進行散熱，其中，計量激光器有長期熱耗。以節(jié)省熱控功耗為原則，對散熱面面積進行優(yōu)化設計。

為增強電子設備與光學鏡頭控溫區(qū)的熱隔離，所有電子設備表面都包覆多層隔熱組件，4個探測器電路盒與分色匯聚鏡筒隔熱安裝，安裝在底板上的電子設備則都與底板隔熱安裝。

2.3 二維指向鏡音圈電機及干涉儀擺臂音圈電機冷屏散熱

二維指向鏡音圈電機線圈為二維轉動熱源，若采取導熱換熱方式對其散熱，需引入二維轉動撓性導熱環(huán)節(jié)，實現(xiàn)難度大，會降低熱控系統(tǒng)可靠性，且給二維指向鏡音圈電機增加額外負載。相比而言，輻射冷卻散熱則簡單可靠。因此，本文對二維指向鏡音圈電機采取輻射冷卻散熱思路，避免在傳熱路徑中引入轉動環(huán)節(jié)，以提高熱控系統(tǒng)可靠性，即在音圈電機附近位置布置輻射冷屏，輻射冷屏用熱管與散熱面相連。同時，將二維指向鏡音圈電機與二維指向鏡和鏡框之間進行隔熱設計，包括導熱熱隔離和輻射熱隔離。二維指向鏡音圈電機散熱方案示意圖如圖5所示。

圖5 二維指向鏡音圈電機散熱方案示意圖Fig.5 Schematic diagram of heat dissipation scheme of two-axis gimbaled mirror components voice coil motor

初始結構狀態(tài)下，干涉儀擺臂音圈電機線圈通過支桿安裝在干涉儀基座上，而其磁缸則安裝在干涉儀擺臂上。干涉儀作為監(jiān)測儀關鍵件，控溫要求較為嚴苛，為避免該音圈電機與空間輻射散熱面直接相連散熱產生較大溫度波動，從而影響干涉儀的高精度控溫，將二維指向鏡音圈電機輻射冷屏作為此音圈電機線圈的冷源，并在輻射冷屏上布置主動控溫加熱回路，將輻射冷屏溫度控制在一定范圍內，從而避免音圈電機溫度產生較大波動。

初始結構狀態(tài)下，干涉儀擺臂音圈電機線圈組件通過支架安裝在干涉儀主基座上，如圖3所示。在此狀態(tài)下，一方面，音圈電機線圈組件對擺臂可見；另一方面，因線圈及其鋁骨架尺寸較小，且基本位于磁缸內部，線圈組件與輻射冷屏之間的導熱元件沒有布置空間，所以在不影響成像性能的條件下，對擺臂音圈電機組件安裝方式進行合理干預，變成如圖6所示狀態(tài)。線圈組件從通過支桿安裝在干涉儀主基座上（見圖3），改為旋轉180°后導熱安裝在一個轉接銅塊上，轉接銅塊則隔熱安裝在與底板隔熱安裝的支架上。此外，在音圈電機線圈組件與擺臂之間增加輔助隔熱板，輔助隔熱板兩側均噴涂低發(fā)射率涂層，同時輔助隔熱板與磁缸都與擺臂隔熱安裝。線圈組件與輻射冷屏之間的導熱熱管則安裝在尺寸稍大的轉接銅塊上，這樣既解決了線圈尺寸較小無法安裝導熱熱管的問題，又通過輔助隔熱板對擺臂與音圈電機之間的輻射換熱進行了有效隔離。擺臂音圈電機整體散熱方案示意圖如圖7所示。

圖6 擺臂音圈電機線圈組件優(yōu)化安裝及散熱方式Fig.6 Optimized installation and heat dissipation mode of coil block of swing arm voice coil motor

2.4 光學鏡頭控溫區(qū)輻射間接控溫

圖7 干涉儀擺臂音圈電機散熱方案示意圖Fig.7 Schematic diagram of heat dissipation scheme of interferometer swing arm voice coil motor

對光學鏡頭控溫區(qū)，將其與內熱源控溫區(qū)最大程度熱隔離后，為提高光學鏡頭控溫精度，對光學鏡頭采取輻射間接控溫為主、主動控溫為輔的熱控方案。傳統(tǒng)主動控溫措施是將主動控溫加熱回路直接布置在控溫目標本體結構上，受控溫設備測控溫精度的限制，被控對象溫度會產生一定波動，不利于被控對象的高精度控溫。筆者選擇將主動控溫加熱回路主要布置在監(jiān)測儀底板和外罩上，將監(jiān)測儀底板和外罩溫度控制在室溫水平，為監(jiān)測儀內部光學鏡頭提供良好的溫度環(huán)境，控溫熱量主要通過外罩和監(jiān)測儀底板與光學鏡頭之間的輻射換熱傳遞到光學鏡頭，從而通過輻射換熱保證光學鏡頭溫度水平的同時，對主動控溫措施產生的溫度波動進行消峰填谷，提高光學鏡頭控溫精度。對某些輻射間接熱控效果不佳的光學鏡頭組件，再輔之于主動控溫。

同時，在底板和外罩外表面包覆多層隔熱組件，并將底板與衛(wèi)星平臺隔熱安裝，外罩與遮光罩隔熱安裝，以盡量降低冷黑空間、復雜多變軌道外熱流、星上其他儀器設備表面溫度、遮光罩溫度及平臺安裝板溫度等外部熱環(huán)境對監(jiān)測儀底板和外罩溫度的影響。

2.5 結構熱控一體化協(xié)同優(yōu)化設計

在圖4所示熱控系統(tǒng)中，結構熱控一體化協(xié)同優(yōu)化設計具體體現(xiàn)在如下方面：

1）增強隔熱安裝。為增強內熱源系統(tǒng)與光學鏡頭控溫區(qū)之間的導熱隔熱，在進行隔熱安裝設計時均采用如圖8所示隔熱安裝方式。

2）探測器電路盒內部增強導熱降低熱阻。在初始結構狀態(tài)下，探測器電路盒內部主要發(fā)熱部件半導體制冷控制器僅靠尺寸很小的耳片安裝在外殼上，接觸面積小，僅有0.000 17 m2，而熱管只能布置在電路盒外殼上，導致內部發(fā)熱部件與散熱面之間總熱阻較大。為降低內部發(fā)熱部件與散熱面之間的總熱阻，對探測器電路盒內部結構設計進行合理干預，在內部增加輔助導熱銅片，該銅片一面與發(fā)熱部件熱端焊接成一體，另一面與設備外殼導熱安裝，使發(fā)熱部件與外殼之間的接觸面積增至0.001 m2，降低內部熱源半導體制冷控制器與散熱面之間的總熱阻，節(jié)省了散熱面面積。

3）音圈電機輻射冷屏結構及安裝位置優(yōu)化。以盡可能增強輻射冷屏與音圈電機之間的輻射換熱，同時，盡可能降低輻射冷屏對二維指向鏡和周圍室溫環(huán)境的影響為原則，對輻射冷屏的尺寸、結構形式及安裝位置進行結構熱控一體化協(xié)同設計。

4）電子設備布局合理優(yōu)化。在初始結構狀態(tài)下，定標控制器、定標控制器DCDC與紅外信息處理器均各自獨立安裝在底板上，在不影響成像性能的前提下，對初始結構布局進行合理干預，使定標控制器和紅外信息處理器在結構布局上直接導熱接觸，并將尺寸較小的定標控制器DCDC改為安裝在紅外信息處理器上，節(jié)省導熱元件。

5）在不影響成像性能的前提下，對擺臂音圈電機線圈組件安裝方式進行優(yōu)化，詳見圖6。

2.6 監(jiān)測儀加熱回路

生存模式期間，為保證各部組件處于安全溫度范圍內，在監(jiān)測儀上布置生存加熱回路，如表4所示。進入整軌關機模式后，生存加熱回路斷電，監(jiān)測儀溫度控制器開啟，主動控溫加熱回路開始工作，主動控溫加熱回路如表5所示。

表4 監(jiān)測儀生存加熱回路Table 4 Summary of survival heating circuits of monitor

圖8 增強隔熱安裝方式示意圖Fig.8 Schematic diagram of enhanced insulation installation method

表5 監(jiān)測儀主動控溫加熱回路Table 5 Summary of active temperature control heating circuits of monitor

3 監(jiān)測儀在軌溫度及分析

3.1 生存模式下監(jiān)測儀各部組件溫度

在生存模式下，監(jiān)測儀本體上只分配有7個由衛(wèi)星平臺直接遙測的測溫通道，由于數量有限，筆者將4個測點分別布置在與空間散熱面有直接導熱連接的電子設備上，包括半導體制冷控制器、計量激光器、監(jiān)視相機及譜段4探測器電路盒，因為這些電子設備溫度代表了生存模式期間內熱源控溫區(qū)的最低溫度水平，只要這些電子設備溫度處于安全范圍內，其他電子設備都會處于安全溫度范圍內。另外3個分別布置在位于入光口處的二維指向鏡背部、干涉儀基座分束鏡安裝位置和主鏡背部，二維指向鏡位于入光口，受外部冷黑空間影響最大，且其附近布置有輻射冷屏，其溫度則基本代表了光學鏡頭組件的最低水平，主鏡和干涉儀基座溫度則是其他光學鏡頭溫度的典型代表。

圖9給出了生存模式期間監(jiān)測儀上7個典型部組件溫度曲線，表6則對生存模式期間穩(wěn)定狀態(tài)下監(jiān)測儀上7個典型部組件溫度數據進行了匯總。由溫度數據可以看出，在生存模式期間，監(jiān)測儀各部組件均處在安全溫度范圍內，且在連續(xù)10天內主鏡和干涉儀溫度很穩(wěn)定，溫度波動在±0.2℃以內，二維指向鏡因位于入光口處，溫度波動稍大，為±1℃。

圖9 生存模式下監(jiān)測儀典型部組件在軌溫度曲線Fig.9 Curves of monitor components temperature over time under survival mode case

表6 生存模式穩(wěn)定狀態(tài)下監(jiān)測儀遙測溫度Table 6 Summary of monitor telemetered temperature under steady survival mode

3.2 其他模式下監(jiān)測儀各部組件溫度

由生存模式切換為整軌關機模式后，監(jiān)測儀溫度控制器開啟，監(jiān)測儀上通過溫度控制器遙測的溫度數據開始下傳。圖10給出了從整軌關機模式開始到正常工作模式穩(wěn)定監(jiān)測儀各部組件溫度數據隨時間的變化曲線，其中因整軌待機模式歷時較短，在此模式下監(jiān)測儀各部組件溫度還未完全穩(wěn)定就切換為正常工作模式，整軌待機模式下的溫度數據只是中間過程數據。

圖10 各工況模式下監(jiān)測儀部組件溫度隨時間變化曲線Fig.10 Curves of monitor components’temperature over time under different operating modes

由圖10中數據可看出，監(jiān)測儀各部組件溫度都呈周期性波動，這是因為：監(jiān)測儀在軌受到的空間外熱流是周期性變化的，從而導致監(jiān)測儀受到4K冷黑空間和周期性變化外熱流的交替加熱和冷卻作用，從而使各部組件溫度呈周期性波動變化趨勢。

由圖10（a）可知，由生存模式轉為整軌關機模式初期，除干涉儀之外的其他光學鏡頭溫度基本都呈上升趨勢，這是因為：外罩和底板上的主動控溫功率大于生存加熱功率，在主動控溫加熱功率的作用下，監(jiān)測儀外罩和底板溫度開始上升，從而帶動光學鏡頭溫度開始上升。在由整軌關機模式切換為整軌待機模式后，除干涉儀之外的其他光學鏡頭溫度基本沒有變化。由整軌待機模式進入正常工作模式后，除干涉儀之外的其他光學鏡頭中，二維指向鏡溫度有明顯上升，其他光學鏡頭溫度基本不變。這是因為：進入正常工作模式后，在常規(guī)觀測模式期間，二維指向鏡音圈電機和步進電機開始加電工作，機構電機溫度上升，從而帶動與其有導熱路徑的二維指向鏡溫度上升，但因為二維指向鏡與音圈電機之間有較好的隔熱，而且二維指向鏡音圈電機有散熱路徑，所以二維指向鏡溫度上升幅度不大，溫度仍滿足指標要求。

由圖10（b）可知，在由生存模式轉為整軌關機模式初期，干涉儀基座溫度隨底板及外罩溫度上升而上升，干涉儀擺臂溫度則稍有下降，這是因為：干涉儀擺臂中部安裝有音圈電機，音圈電機與輻射冷屏之間存在導熱通路，在生存模式期間，為避免輻射冷屏溫度較低對二維指向鏡溫度造成影響，布置在輻射冷屏散熱熱管上的生存加熱功率可使輻射冷屏溫度維持在20℃，而由生存模式轉入整軌關機模式后，輻射冷屏散熱熱管上的生存加熱回路關閉，輻射冷屏上主動控溫加熱回路開啟，控溫閾值為［9.8，10.2］℃，因此輻射冷屏溫度會降低到控溫閾值內，如圖10（c）所示。而整軌關機模式期間，干涉儀擺臂音圈電機無熱耗，所以干涉儀擺臂音圈電機磁缸及線圈鋁骨架溫度也隨輻射冷屏溫度下降，從而帶動干涉儀擺臂溫度稍有下降，尤其是干涉儀擺臂中部溫度下降比較明顯。在由整軌關機模式轉為整軌待機模式后，干涉儀溫度基本沒有變化。在由整軌待機模式轉為正常工作模式后，干涉儀擺臂中部及干涉儀基座溫度有所上升。這是因為：由整軌待機模式切換為正常工作模式后，干涉儀擺臂音圈電機和激光探測器在常規(guī)觀測模式時加電工作，干涉儀擺臂音圈電機溫度和激光探測器溫度上升，如圖10（c）、（d）所示，從而帶動干涉儀擺臂中部和干涉儀基座溫度稍有上升，但因為干涉儀擺臂與擺臂音圈電機之間有很好的隔熱措施，干涉儀擺臂中部溫度上升幅度不大，而且干涉儀擺臂兩端溫度基本沒受到影響，干涉儀組件溫度都在指標范圍內。

由圖10（d）可知，由生存模式轉為整軌關機模式初期，除激光探測器溫度隨底板和外罩溫度上升有所上升外，其余電子設備溫度都有下降趨勢。對半導體制冷控制器和激光信號處理器組成的系統(tǒng)來說，生存模式期間，在半導體制冷控制器上布置有6.8 W 的長期生存熱耗，穩(wěn)定狀態(tài)時半導體制冷控制器溫度在5.2～10.3℃之間波動，整軌關機模式期間，則是在激光信號處理器上有7.0 W 的主動控溫功耗，控溫閾值為［8.8，9.2］℃，在由生存模式切換成整軌關機模式那一刻，半導體制冷控制器溫度正好處在9.5℃溫度較高的狀態(tài)，此時激光信號處理器溫度處于比半導體制冷控制器溫度還高的15.5℃狀態(tài)，實際溫度高于系統(tǒng)控溫閾值，所以在模式切換后，半導體制冷控制器上的生存加熱回路斷電，激光信號處理器上的主動控溫回路又因其實際溫度高于控溫閾值不工作，所以激光信號處理器和半導體制冷控制器溫度開始下降，直至到達控溫閾值，激光信號處理器上的主動控溫功耗開始按照閾值范圍進行控溫。對紅外信息處理器、計量激光器和監(jiān)視相機等組成的系統(tǒng)（見圖10（d）），以及4個探測器電路盒組成的系統(tǒng)（見圖10（e）），也是因上述類似原因，在由生存模式切換為整軌關機模式后溫度開始下降，直至主動控溫加熱回路工作。

由圖10（d）還可看出，由整軌關機模式切換為整軌待機模式后，半導體制冷控制器、激光信號處理器、紅外信息處理器、計量激光器及監(jiān)視相機等電子設備溫度開始明顯上升。這是因為：由整軌關機模式切換為整軌待機模式后，半導體制冷控制器和計量激光器開機，開始整軌有長期熱耗，為節(jié)省熱控功耗資源，在設計狀態(tài)下，半導體制冷控制器和激光信號處理器組成的系統(tǒng)僅靠半導體制冷控制器長期熱耗即可維持激光信號處理器溫度高于控溫閾值溫度，紅外信息處理器、計量激光器及監(jiān)視相機等電子設備組成的系統(tǒng)則僅靠計量激光器長期熱耗即可維持計量激光器溫度高于其控溫閾值溫度。所以，在切換為整軌待機模式后，這幾個電子設備溫度開始上升，在進入正常觀測模式之前，這2個電子設備系統(tǒng)的溫度均已高于各自主動控溫回路控溫閾值溫度，其主動控溫回路已不需加電工作，驗證了設計的正確性。由整軌待機模式進入正常工作模式后，所有電子設備在常規(guī)觀測模式期間都有工作熱耗，所以進入正常工作模式后，半導體制冷控制器、激光信號處理器、紅外信息處理器、計量激光器及監(jiān)視相機等電子設備溫度繼續(xù)上升，最后達到穩(wěn)定，穩(wěn)定后激光信號處理器、計量激光器及監(jiān)視相機上的主動控溫加熱回路仍然不用加電工作，僅靠電子設備系統(tǒng)自身的熱容和工作熱耗即可維持其溫度水平在指標范圍內。

由表7溫度數據可知，監(jiān)測儀各部組件溫度在所有經歷的模式下都滿足控溫指標要求。在非正常工作模式下，干涉儀關鍵件最大溫度波動在±0.35℃以內，擺臂兩端溫差在0.3℃以內；在正常工作模式下，干涉儀關鍵件最大溫度波動為±0.15℃，擺臂兩端溫差也在0.3℃以內。從非正常工作模式到正常工作模式，干涉儀關鍵件最大溫度波動在±0.40℃以內，擺臂兩端溫差一直在0.3℃以內。除干涉儀之外的其他光學鏡頭，在同一模式下最大溫度波動都在±0.45℃以內，從整軌關機模式到正常工作模式，除二維指向鏡外，其余光學鏡頭溫度波動都在±0.55℃以內，二維指向鏡因位于入光口，且其附近有輻射冷屏，從整軌關機模式到正常工作模式其溫度波動稍大，為±1.4℃，也小于±3℃的指標要求，實現(xiàn)了光學鏡頭組件在復雜熱環(huán)境和復雜工作機制下的高精度控溫。從整軌關機模式到正常工作模式，電子設備及驅動電機溫度波動較大，但波動較大的內熱源溫度并沒有影響光學鏡頭的高精度控溫，這主要歸功于兩點：①對光學鏡頭組件采取了輻射間接控溫措施；②內熱源系統(tǒng)與光學鏡頭組件時間采取了很好的熱隔離措施。

由表7數據還可看出，在整軌待機模式結束時刻，激光信號處理器溫度為13.2℃，計量激光器溫度為11.4℃，監(jiān)視相機溫度為9.9℃，都已高于其主動控溫加熱回路閾值上限，在正常工作模式達到穩(wěn)定時，激光信號處理器溫度范圍為21.1～22.4℃，計量激光器溫度范圍為19.2～21.4℃，監(jiān)視相機溫度范圍為15.7～20.0℃，也都高于其主動控溫加熱回路閾值上限。這說明從整軌待機模式開始，半導體制冷控制器和激光信號處理器組成的系統(tǒng)及紅外信息處理器、計量激光器和監(jiān)視相機等設備組成的系統(tǒng)僅靠自身熱容和熱耗即可維持控溫指標，無需消耗熱控功耗資源，驗證了通過熱管理達到節(jié)省功耗資源設計的正確性。

表7 不同模式狀態(tài)下監(jiān)測儀遙測溫度Table 7 Summary of monitor telemetered temperature under different operating modes

4 結 論

1）針對FY-3D衛(wèi)星高光譜溫室氣體監(jiān)測儀復雜的內外部熱環(huán)境、光學鏡頭高精度控溫要求及熱控功耗及散熱面資源緊張的熱控難題，基于熱管理、輻射間接熱控、輻射冷卻及結構熱控協(xié)同優(yōu)化設計等多種思路對監(jiān)測儀熱控系統(tǒng)進行了設計，有效解決了熱控難題。

2）監(jiān)測儀入軌后經歷了生存、整軌關機、整軌待機、正常工作等多個工況模式，在軌溫度數據表明，所有工況模式下各部組件溫度都滿足指標要求，且光學鏡頭溫度穩(wěn)定度較高。在不同模式切換過程中，干涉儀擺臂兩端溫差一直在0.3℃以內。在正常工作模式下，干涉儀關鍵件最大溫度波動在±0.15℃以內，其他光學鏡頭組件最大溫度波動在±0.45℃以內，實現(xiàn)了光學鏡頭組件在復雜熱環(huán)境和復雜工作機制下的高精度控溫。

3）在軌溫度數據表明，因為采用了熱管理，從整軌待機模式開始，半導體制冷控制器和激光信號處理器組成的電子設備系統(tǒng)及紅外信息處理器、計量激光器和監(jiān)視相機等設備組成的電子設備系統(tǒng)僅靠自身熱容和熱耗即可維持其控溫指標，無需消耗熱控功耗資源。

在軌溫度數據驗證了監(jiān)測儀熱控系統(tǒng)設計的正確性和有效性。