姜 峰,孔 林,王建超,柏 添,曾 議
(長光衛(wèi)星技術有限公司,長春 130033)
紫外光學遙感是除可見光與紅外遙感之外的另一具有突出優(yōu)勢的遙感技術。隨著紫外遙感技術的快速發(fā)展,紫外成像光譜儀的光譜分辨率與空間分辨率指標不斷提升,其CCD 的熱耗增加,熱控制的難度也越來越大。焦面CCD 為發(fā)熱器件,工作時熱流密度較大,如不采取有效的散熱措施,會由于器件溫度會過高而導致光譜儀成像品質(zhì)下降[1-4]。光譜儀焦面CCD 通常采用半導體制冷進行溫度控制,但半導體制冷器效率較低、能耗較大,需要排散的廢熱量也大,且在制造技術上存在連接器件之間不同的熱膨脹系數(shù)會造成熱應力的問題。空間光學遙感器常用的散熱產(chǎn)品有熱管、鋁箔、銅導熱索及環(huán)路熱管[5-7]等,但受限于材質(zhì)剛性或?qū)嵝阅?,它們不能滿足焦面CCD 的散熱要求[6]。而柔性石墨導熱帶可同時滿足低溫光學系統(tǒng)透鏡對高導熱性及隔振的需求,目前已得到較多應用。
因此,本文針對某紫外成像光譜儀焦面CCD在長期工作模式下的低溫要求,提出以高性能柔性石墨導熱索為主、結合熱管的散熱設計方案,并通過真空熱平衡試驗驗證該方案的合理性,旨在不耗費能源的情況下解決光譜儀焦面CCD 的散熱問題。
焦面CCD 對溫度要求較為嚴格,溫度過高會增加暗電流與熱噪聲,降低CCD 的光電轉化能力,導致信噪比下降,影響成像品質(zhì)[8-13]。本文研究的焦面CCD 安裝于衛(wèi)星平臺艙內(nèi)光譜儀載荷后端,艙內(nèi)溫度為-10~45 ℃,艙外設計輻射散熱器,溫度為-35 ℃。焦面CCD 傳熱分析如圖1 所示,可以看到:焦面CCD 自身發(fā)熱量為1.5 W,從周圍設備、組件吸收的熱量為1.13 W;CCD 熱沉自身不發(fā)熱,從周圍設備、組件吸收的總熱量為3.49 W(相對于低溫環(huán)境,此熱量可視為CCD 熱沉的發(fā)熱量)。熱控要求在不耗費衛(wèi)星能源的情況下,焦面CCD 長期工作模式下的溫度需<-20 ℃,且與CCD 熱沉間不采用剛性連接,因此焦面CCD 散熱設計的難度較大。
圖1 焦面CCD 傳熱分析Fig.1 Heat transfer analysis of focal plane CCD
焦面CCD 散熱設計的思路是通過合理有效的傳熱措施將焦面CCD 的發(fā)熱量傳導至艙外輻射散熱器,然后向空間排散[14-16]。
1.2.1 傳導組件的設計
傳導材料選用高性能柔性導熱索,可與CCD實現(xiàn)接近于零剛度的連接。導熱索的設計如圖2 所示,一般包括冷/熱端子及連接兩端子的柔性導熱帶,端子用于安裝固定導熱帶,導熱帶用來傳導熱量。此導熱索的性能要求很高,技術指標為:質(zhì)量≤150 g;熱阻≤1 ℃/W;固有頻率≤15 Hz。為此,導熱帶選用石墨膜層疊制作,并設計專用安裝接口與焦面CCD 直接連接,以減小連接端子的熱阻。同時,為了避免石墨導熱帶邊緣掉渣,采用聚酰亞胺亞敏膠帶對其裸露邊緣進行封裝處理。封裝不影響導熱帶自身剛度,封裝后的導熱帶可以在壓力變化過程中釋放氣體,且不允許粒子通過,不會再對CCD 造成污染。通過這種高性能柔性導熱索可建立CCD 與散熱端的高效熱耦合,同時實現(xiàn)結構解耦。
圖2 導熱索設計Fig.2 Thermal strap design
依據(jù)設計要求完成導熱索的研制,并對導熱索的導熱性能進行測試。測試中,采用熱端懸掛的方法保證導熱索僅有1 個傳熱路徑,導熱索表面整體覆蓋多層隔熱組件,以減少熱輻射漏熱對測試的影響。測試結果見表1,導熱索熱阻在不同負載下均<1 ℃/W,滿足指標要求。
表1 導熱索導熱性能測試結果Table 1 Test results of thermal conductivity of thermal strap
1.2.2 散熱路徑設計
由于CCD 通過導熱索散熱時,導熱索冷端與輻射散熱器的距離較遠,約為1700 mm,所以利用熱管能在較遠距離下傳遞較大熱量的特性設計2 根熱管續(xù)接,將導熱索熱量傳導至輻射散熱器排散至外界冷黑環(huán)境,如圖3 所示。2 根熱管的尺寸為:熱管A 長1000 mm、寬30 mm、厚度10 mm;熱管B 長1300 mm、寬20 mm、厚度10 mm。導熱索的導熱帶熱端與CCD 熱沉的安裝面連接(接觸面積為3200 mm2),導熱帶冷端與熱管A 熱端連接,所有連接面之間填涂導熱材料,以減小導熱索端子的接觸熱阻。熱管A、B 之間填涂導熱材料,避免熱管連接處產(chǎn)生較大溫差。為隔離與環(huán)境輻射換熱,熱管外表面也包覆多層隔熱組件。輻射散熱器的尺寸為600 mm×300 mm,表面噴熱控白漆,以降低太陽吸收比、提高發(fā)射率,增強輻射散熱能力。
圖3 焦面CCD 散熱路徑設計Fig.3 Heat dissipation path design of focal plane CCD
利用有限元熱分析軟件建立焦面CCD 熱仿真模型,如圖4 所示。CCD 組件、熱管、輻射散熱器均為殼單元,熱分析邊界條件為:焦面CCD 工作時的發(fā)熱量為1.5 W,環(huán)境溫度為-10~45 ℃,輻射散熱器溫度邊界為-35 ℃。仿真分析中多層單面鍍鋁聚酰亞胺薄膜性能定義為αs/ε=0.36/0.69,導熱索與熱管的導熱性能均按實測賦值,導熱索熱阻為0.9 ℃/W,熱管的導熱性能為500 W/m,接觸導熱系數(shù)與安裝方式有關,按參考取值為1000 W/(m2·K)。
圖4 焦面CCD 熱分析模型Fig.4 Thermal analysis model of focal plane CCD
焦面CCD 及其散熱組件溫度的仿真計算結果如表2 所示,輻射散熱器溫度邊界為-35.24 ℃時,熱管A 與B 的溫差<2 ℃,焦面CCD 溫度-22.12 ℃,滿足<-20 ℃的要求。接觸導熱系數(shù)靈敏度分析結果表明,接觸導熱系數(shù)變化10%,焦面CCD 溫度變化2 ℃。導熱索熱端與冷端溫度梯度為2.06 ℃,導熱索的傳導熱量為3.49 W(CCD 熱沉發(fā)熱量),以此推算導熱索熱阻為0.59 ℃/W,滿足指標要求。
表2 焦面CCD 及其散熱組件溫度仿真計算結果Table 2 Temperature simulation results of focal plane CCD and its cooling components
根據(jù)仿真分析搭建真空熱平衡試驗系統(tǒng),獲取焦面CCD、導熱索、熱管與輻射散熱器組件溫度分布,以驗證導熱索的導熱性能與焦面CCD 散熱設計的正確性[17-18]。試驗裝置主要由溫度測控系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和空間環(huán)境模擬器(真空罐)等組成,試驗過程要求真空罐內(nèi)壓力<1.3×10-3Pa,環(huán)境溫度為-40 ℃。試驗件包括焦面CCD、柔性石墨導熱索、2 根熱管、輻射散熱器等,見圖5。除輻射散熱器外,各試驗件均外表面整體包覆多層隔熱組件,以隔離試驗件與環(huán)境輻射換熱。輻射散熱器為3 mm厚鋁合金板,外表面發(fā)黑處理(與噴涂白漆等效)以增強其輻射換熱能力;輻射散熱器通過與真空罐熱沉輻射換熱來控制自身溫度保持在-35 ℃。試驗件通過試驗工裝放置于真空罐內(nèi)載物平臺,且須確保熱管水平放置,以避免其傳熱性能受重力影響。試驗過程中焦面CCD 加電工作,輻射散熱器溫度保持-35 ℃,直至焦面CCD 與散熱系統(tǒng)溫度平衡。
圖5 焦面CCD 熱平衡試驗件Fig.5 Thermal balance test part of focal plane CCD
焦面CCD 及其散熱組件真空熱平衡試驗溫度曲線如圖6 所示,輻射散熱器溫度邊界控制為-35 ℃,與要求一致。試驗導熱索熱端與冷端溫度梯度為2.3 ℃,導熱索傳導熱量為3.49 W,以此推算導熱索熱阻為0.65 ℃/W,相比仿真計算結果0.59 ℃/W,誤差在10%以內(nèi)。試驗測得2 根熱管溫差<2 ℃,與仿真結果一致。焦面CCD 溫度-21.4 ℃,相比仿真計算結果-22.12 ℃的溫差在1 ℃以內(nèi),說明仿真與試驗結果基本一致。溫度偏差主要是由于導熱索熱阻與接觸導熱系數(shù)賦值誤差造成,根據(jù)試驗結果修正接觸導熱系數(shù)為950 W/(m2·K)。綜上,導熱索熱阻與焦面CCD 溫度均滿足指標要求,驗證了基于柔性石墨導熱索的焦面CCD 散熱設計合理可行。
圖6 焦面CCD 及其散熱組件真空熱平衡試驗溫度曲線Fig.6 Temperature curve of vacuum thermal balance test of focal plane CCD and its cooling components
本文針對紫外成像光譜儀焦面CCD 的散熱需求,提出了以柔性導熱索結合熱管的散熱設計方案。通過仿真及試驗進行散熱設計方案驗證,試驗結果顯示:導熱索的導熱性能為0.65 ℃/W,輻射散熱器溫度為-35 ℃時焦面CCD 溫度為-21.4 ℃,均滿足指標要求。表明該散熱設計方案可行,熱控措施合理可靠。同時,該設計方法對其他大功率器件的熱控設計也有一定的參考價值。