激光測距望遠鏡光學組件的熱控設計與技術驗證

曹 恒 強 佳 周成林 舒 嶸

(1、上海技術物理研究所,上海 200000 2、中科院空間主動光學技術重點實驗室,上海 200080)

激光測距望遠鏡屬于空間光學儀器,通過激光發(fā)射與接收,實現對超遠距離目標的捕獲和測距,對溫度精度要求較高[1-2]?？臻g光學儀器在軌運行過程中會受到衛(wèi)星平臺熱耦合、太陽輻射、地球紅外輻射、地球反照及深冷空間的影響[3],如果不采用合理的熱控設計手段,這些影響因素可能使儀器內部溫差變大。由于儀器內部光學部件和結構部件所使用材料的熱膨脹系數通常不可能保持一致,因此當兩者之間溫差變大,會使光學部件發(fā)生形變、光學部件曲率半徑產生變化以及光機結構之間產生位移,進而導致光學儀器產生離焦及成像像質變差[4]。

2021 年5 月進行了激光測距望遠鏡熱試驗,試驗結果驗證了熱控設計效果,試驗過程中光學組件溫度穩(wěn)定,可以滿足激光器的溫度要求。

1 激光測距望遠鏡熱設計

1.1 激光測距望遠鏡熱設計任務分析

激光測距望遠鏡可以實現超遠距離的激光發(fā)射和接收,主要的光學組件在任務期間對溫度穩(wěn)定性要求較高。但是由于激光測距望遠鏡面臨著軌道苛刻的外熱流環(huán)境,安裝處環(huán)境溫度變化較大以及自身體積、重量和發(fā)熱,給望遠鏡的熱設計帶來了困難。

1.1.1 激光測距望遠鏡處于低地球軌道,受到周期性變化的熱環(huán)境影響。

低地球軌道又被稱為“近地軌道”,軌道中心為地球,軌道高度不超過2000 千米,軌道周期100 分鐘左右,偏心率小于0.25。激光測距望遠鏡受到來自太陽光照、地球紅外輻射和地球反照等外熱流的周期性影響,需要時刻調整自身的熱控狀態(tài),以保持光學組件溫度穩(wěn)定性。

當激光測距望遠鏡所在衛(wèi)星運行至光照區(qū),如圖1 所示,此時太陽光照時間長、熱流密度大,如果不采取有效散熱設計,會導致激光測距望遠鏡局部溫度升高,影響光學成像質量。

圖1 激光測距望遠鏡運行至光照區(qū)

當激光測距望遠鏡所在衛(wèi)星運行至陰影區(qū),如圖2 所示,此時太陽光照時間短,甚至沒有光照,激光測距望遠鏡光學組件不斷向深冷空間或者地球輻射熱量,這也會導致激光測距望遠鏡光學組件與周圍結構之間的溫差變大。在軌熱環(huán)境周期性變化要求激光測距望遠鏡具有閉環(huán)控制的熱控系統,保證其溫度的穩(wěn)定性。

圖2 激光測距望遠鏡運行至陰影區(qū)

1.1.2 激光測距望遠鏡重量較大,要求不同部位都要保持在20℃左右是熱設計難度之一。

激光測距望遠鏡質量約為80kg,長度約1500 毫米。熱傳導是航天器內部熱量傳遞的一種方式,又被稱為導熱,是由于分子、原子或者電子等微觀粒子相互碰撞而產生的熱量傳遞過程。根據傅里葉定律:

根據傅里葉定律可知,距離越遠,傳遞相同熱量的條件下,溫差越大。因此要滿足大尺寸的激光測距望遠鏡不同部位的溫度均勻性就成了熱控設計的難點和挑戰(zhàn)。

1.1.3 激光測距望遠鏡光學組件與周圍結構存在復雜的熱耦合

由于主、次鏡與支撐結構之間直接接觸,支撐結構的溫度變化直接影響了主、次鏡的溫度穩(wěn)定性；另外激光測距望遠鏡處于空間軌道環(huán)境,主鏡會向深冷空間輻射散熱,造成大量的漏熱；激光測距望遠鏡在衛(wèi)星上的安裝面溫度不是恒定。以上因素都會對激光測距望遠鏡光學組件的精密控溫帶來不利影響。

1.2 激光測距望遠鏡熱設計方案

激光測距望遠鏡熱控設計的基本思路是在滿足載荷熱控要求的前提下力求簡單可靠,在測距系統熱設計中,主要測距系統內部通過等溫化設計獲得相對均勻的溫度場分布。

熱控設計的組成主要包括熱控涂層,多層隔熱組件,熱敏電阻、主動熱控電加熱器和隔熱墊等。

1.2.1 整機隔熱設計

1.2.1.1 激光測距望遠鏡遮光罩受到太陽光直接照射,且和衛(wèi)星艙板之間有輻射換熱,因此在遮光罩外表面包覆多層隔熱組件。多層隔熱組件(Multilayer Insulator, MLI)是航天器上常用的隔熱材料,一般由低發(fā)射率的聚酰亞胺膜反射屏和導熱系數較低的滌綸隔離層相互交替疊加而成,如圖3所示。

圖3 多層隔熱組件結構和隔熱原理示意圖

多層隔熱組件可以簡化為真空狀態(tài)下無限大的兩平行表面之間放置N 層互不接觸的反射屏,根據輻射傳熱公式:

1.2.2 光學組件的熱設計

激光測距望遠鏡在運行至軌道光照區(qū)時,會面臨太陽的直接照射,光學組件的熱設計是保證激光測距望遠鏡成像質量的關鍵因素。1.2.2.1 激光測距望遠鏡光學組件主鏡和次鏡采用膨脹系數低、導熱系數高的碳化硅材料,可以迅速拉平鏡片溫度,限制鏡片內部溫差。1.2.2.2 激光測距望遠鏡在軌運行時會經歷光照區(qū)和陰影區(qū),不同區(qū)域對熱控設計的要求不同,因此設計了閉環(huán)控制的主動加熱回路對望遠鏡進行閉環(huán)控溫。當溫度監(jiān)測點溫度低于所要求的溫度時,主動加熱回路自動開啟,提高監(jiān)測點溫度；當溫度高于所要求的的溫度時,主動加熱回路自動關閉。通過主動加熱回路的通斷達到精密控溫。1.2.2.3 激光測距望遠鏡的遮光罩用于遮擋太陽光照,如圖4 所示,防止太陽光照直接進入望遠鏡鏡筒內部,抬高局部溫度,具體措施如下:根據實際軌道參數和衛(wèi)星姿態(tài),設計合適尺寸的遮光罩,以確保激光測距望遠鏡在軌運行時遮光罩可以有效阻止太陽光照；外表面包覆多層隔熱組件,最外層是防靜電聚酰亞胺薄膜,減小遮光罩吸收太陽外熱流,降低太陽輻射的影響；遮光罩本體材料使用碳纖維,使得遮光罩輕便的同時具有一定的機械強度。

圖4 遮光罩遮擋入射太陽光示意圖

2 激光測距望遠鏡熱仿真分析

激光測距望遠鏡熱設計過程中離不開有限元軟件UG TMG 的熱仿真分析,根據仿真分析結果,可以確定驗證熱控設計能否滿足溫度要求,為后面的試驗驗證提供模擬外熱流數據,也可以預測發(fā)射以后在軌的溫度情況,提前做出在軌應急預案。熱仿真分析一般步驟是前處理、仿真計算、后處理。首先是導入簡化后的結構模型,運用有限體積法對模型劃分網格,設定使用的材料參數、單機內部發(fā)熱時序、表面輻射狀態(tài)、邊界條件,模型計算完成后通過后處理獲得所需要的仿真數據及類型,包括溫度分布云圖、溫度曲線等。

2.1 前處理

激光測距望遠鏡實際模型結構復雜,零件眾多,包括眾多的螺釘、螺孔、圓角等細小特征,這些特征的存在與否對熱仿真結果正確性幾乎沒有影響,但是如果將其納入仿真模型中,會耗費大量的計算資源,因此在簡化模型的時候,需要刪除這些細小特征,以滿足計算時間和計算精度之間的平衡。

2.2 熱分析工況

熱分析工況需要考慮激光測距望遠鏡在軌任務期間會遇到的極端高、低溫工況,如果可以單機在極端高、低溫工況也可以滿足溫度要求,那就認為單機熱控設計合理,且具有一定的余量。極端高、低溫工況的選取需要結合激光測距望遠鏡所處環(huán)境、工作模式、內部功耗以及艙內發(fā)熱部件的分布狀態(tài),熱分析工況如下:

低溫存儲工況:激光測距望遠鏡安裝面溫度為-20℃,單機不工作,在軌運行至陰影區(qū)；低溫工作工況:激光測距望遠鏡安裝面溫度為-20℃,單機工作,在軌運行至陰影區(qū)；高溫存儲工況:激光測距望遠鏡安裝面溫度為20℃,單機不工作,在軌運行至光照區(qū)；高溫工作工況:激光測距望遠鏡安裝面溫度為20℃,單機工作,在軌運行至光照區(qū)。

2.3 熱仿真結果

利用UG TMG 軟件對有限元模型對上述各個定義工況進行熱分析計算,得到了激光測距望遠鏡的溫度分布情況。

2.3.1 低溫存儲工況

這個工況下,激光測距望遠鏡在軌運行至陰影區(qū),此時單機不開機且接收的外熱流最小。此時開啟主動加熱回路,對光學組件進行精密控溫,仿真結果顯示,當激光測距望遠鏡溫度穩(wěn)定以后,主鏡溫度在19.2～19.8℃之間,次鏡溫度在19.2～19.5℃之間,加熱功率53W,說明在現有的熱控手段和資源條件下,可以滿足低溫存儲工況時激光測距望遠鏡控溫要求。此時遮光罩溫度在-60.1～-52.6℃之間,由于遮光罩是安裝在衛(wèi)星艙板上的與激光測距望遠鏡不是直接接觸,因此兩者之間的溫差不會對望遠鏡的成像質量產生影響。而衛(wèi)星艙板與遮光罩之間的溫差小于10℃,因此遮光罩與衛(wèi)星艙板之間也不會產生結構錯位的情況。

2.3.2 低溫工作工況

這個工況下,激光測距望遠鏡在軌運行至陰影區(qū),此時單機開機且接收的外熱流最小。此時開啟主動加熱回路,對光學組件進行精密控溫,仿真結果顯示,當激光測距望遠鏡溫度穩(wěn)定以后,主鏡溫度在19.9～20.3℃之間,次鏡溫度在19.9～20.1℃之間,加熱功率達到45W,說明在現有的熱控手段和資源條件下,可以滿足低溫工作工況時激光測距望遠鏡控溫要求。此時遮光罩溫度在-61.3～-54.9℃之間,衛(wèi)星艙板與遮光罩之間的溫差小于10℃。

2.3.3 高溫存儲工況

這個工況下,激光測距望遠鏡在軌運行至光照區(qū)區(qū),此時單機不開機且接收的外熱流最大。此時開啟主動加熱回路,對光學組件進行精密控溫,仿真結果顯示,當激光測距望遠鏡溫度穩(wěn)定以后,主鏡溫度在19.3～20.1℃之間,次鏡溫度在19.1～19.4℃之間,加熱功率49W,說明在現有的熱控手段和資源條件下,可以滿足高溫存儲工況時激光測距望遠鏡控溫要求。此時遮光罩溫度在-52.1～-39.1℃之間,衛(wèi)星艙板與遮光罩之間的溫差小于10℃。

2.3.4 高溫工作工況

這個工況下,激光測距望遠鏡在軌運行至光照區(qū),此時單機開機且接收的外熱流最大。此時開啟主動加熱回路,對光學組件進行精密控溫,仿真結果顯示,當激光測距望遠鏡溫度穩(wěn)定以后,主鏡溫度在19.9～20.2℃之間,次鏡溫度在19.9～20.1℃之間,加熱功率達到40W,說明在現有的熱控手段和資源條件下,可以滿足低溫工作工況時激光測距望遠鏡控溫要求。此時遮光罩溫度在-51.8～-41.3℃之間,衛(wèi)星艙板與遮光罩之間的溫差小于10℃。

仿真結果表明當前的熱控設計可以滿足激光測距望遠鏡不同工況下的溫度要求。

3 激光測距望遠鏡熱平衡試驗

熱平衡試驗是驗證航天器熱控設計的重要方式,通過模擬太空環(huán)境和航天器在軌工作狀態(tài),獲得航天器的試驗溫度數據,檢驗熱設計的正確性和有效性,為仿真設計優(yōu)化提供試驗依據。

3.1 熱平衡試驗方案

激光測距望遠鏡熱平衡試驗在真空罐內進行,真空罐內抽真空,真空度約為6.63×10-3Pa,罐壁布置有鋁合金熱沉,內部埋有液氮管路,這樣就可以模擬空間冷黑背景。試驗之前將激光測距望遠鏡放置于真空罐內,完成熱控實施,接入穿壁電纜,對試驗件進行控制,模擬在軌工作狀態(tài)、外熱流及邊界條件等。

3.1.1 激光測距望遠鏡試驗件與在軌狀態(tài)一致,完成熱控實施,包括多層隔熱組件包覆、主動加熱回路布置等。

3.1.2 外熱流模擬。采用多層隔熱組件外表面均勻粘貼加熱片的方式模擬太陽外熱流,外熱流的大小和時序由仿真結果計算得到。

3.2 熱平衡試驗結果

激光測距望遠鏡光學組件中的次鏡在整個軌道周期內,次鏡溫度在20±0.1℃之間,優(yōu)于指標要求的20±0.5℃,如圖5 所示。主鏡的溫度水平為19.6℃～20.4℃,滿足技術指標要求的20±0.5℃,如圖6 所示。試驗結果表明,激光測距望遠鏡的熱控設計經過試驗驗證,其溫度水平、梯度和穩(wěn)定性可以滿足設計指標要求,與熱仿真計算模型數據誤差小于5%,說明仿真計算模型基本有效,符合實際情況。

圖5 試驗期間次鏡溫度曲線

圖6 試驗期間主鏡溫度曲線

4 結論

激光測距望遠鏡光學組件溫度穩(wěn)定性要求高和在軌環(huán)境條件復雜,是熱控設計的主要難點和挑戰(zhàn)。在被動熱控和主動熱控設計結合的設計原則指導下,通過前期的仿真迭代確定了激光測距望遠鏡的熱設計,完成了熱試驗,試驗結果驗證了熱設計的可行性和可靠性,形成了熱控設計的閉環(huán),為以后類似的光學載荷熱設計提供了設計參考。