江利鋒 傅偉純

（中國空間技術(shù)研究院總體部，北京 100094）

1 引言

“資源三號”衛(wèi)星是中國首顆民用高分辨率光學(xué)傳輸型立體測繪衛(wèi)星，衛(wèi)星集測繪和資源調(diào)查功能于一體，用于1∶50 000立體測圖及更大比例尺基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品的生產(chǎn)和更新，開展國土資源調(diào)查與監(jiān)測。三線陣立體測繪相機是“資源三號”衛(wèi)星的主要載荷，擔(dān)負著高分辨率立體測繪的重任，其成像質(zhì)量（quality）是判斷衛(wèi)星飛行任務(wù)成敗的標準。

作為高分辨率空間相機，其任務(wù)性質(zhì)與軌道壽命決定了相機必須在嚴酷的空間環(huán)境下具有可靠的光學(xué)性能。相機的光學(xué)性能除了取決于相機光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計之外，對溫度的變化也非常敏感，相機各部件溫度水平和溫度不均勻性引起的零部件熱變形的是影響相機光學(xué)性能的不可忽視的重要原因，因此相機的熱控效果將直接關(guān)系到相機的光學(xué)成像效果[1-5]。

“資源三號”衛(wèi)星于2012年1月9日發(fā)射入軌，3天后相機主體的溫度場達到動態(tài)平衡。至今為止，相機已經(jīng)進行了多次在軌成像，成像質(zhì)量均達到了設(shè)計預(yù)期的效果，其良好的溫度場分布是保證成像質(zhì)量的重要因素之一。本文結(jié)合該相機的具體熱設(shè)計狀態(tài)，對相機在軌溫度場分布進行了詳細分析總結(jié)。

2 相機結(jié)構(gòu)及溫度指標

2.1 相機結(jié)構(gòu)

三線陣相機由前視、后視、正視3臺相機及一體化安裝支架組成，每臺相機單體包括遮光罩、窗口組件、透鏡組件、主承力結(jié)構(gòu)以及焦面箱等部分。一體化支架包括前視支架、后視支架、正視前支撐、正視后支撐以及相機底板。

3臺相機互成夾角，分別安裝在相應(yīng)支架上，支架固定安裝在相機底板，最終一體化安裝在衛(wèi)星載荷艙外表面，直接暴露于空間環(huán)境。相機的遮光罩及鏡頭部分指向地球，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 溫度指標

目前國內(nèi)外多種高分辨率空間望遠鏡均采用均方根波像差（RMS值）來進行允差分配，通常分配給熱控系統(tǒng)的允差占總允差預(yù)算的一半左右[1，4]。根據(jù)“資源三號”衛(wèi)星三線陣相機熱控允差需求，通過熱光學(xué)分析，相機提出了較高的溫度控制指標，具體見表1。

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3 相機熱設(shè)計簡介及在軌溫度分析

相機在空間中的溫度主要受空間輻射、衛(wèi)星的導(dǎo)熱及自身熱容的影響。分析“資源三號”衛(wèi)星三線陣相機在軌工作情況，熱控的主要技術(shù)難點包括兩個部分：復(fù)雜不均勻外熱流條件下高溫度指標要求的實現(xiàn)以及焦面高功率密度CCD器件的散熱問題。結(jié)合相機熱控難點的具體解決方法，對相機在軌溫度場進行分析。

3.1 相機主結(jié)構(gòu)溫度

3.1.1復(fù)雜外熱流條件下的相機熱設(shè)計

三線陣相機直接暴露在空間環(huán)境中，相機所受到的外熱流變化很大，相機自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，3臺相機之間、相機與支架、不同支架間的相互遮擋都較為厲害，導(dǎo)致相機及支架各部位的外熱流極不均勻。為減小外熱流對相機溫度的影響，采用與空間環(huán)境的隔熱設(shè)計，在相機外表面包覆多層隔熱材料，多層的面膜用吸收發(fā)射比較小的F46鍍銀二次表面鏡。

為減小部件與部件之間，尤其是溫度波動較大的部件對溫度穩(wěn)定度要求高的部件的影響，相機各部件間采用隔熱設(shè)計，使用玻璃鋼隔熱墊片增大相機部件間的熱阻。

為保證相機各部溫度均勻，且溫度水平在要求的范圍內(nèi)，在相機外表面實施薄膜電加熱器，根據(jù)相機各部位外熱流的不同對加熱器的阻值及功率密度進行精密設(shè)計、布置，采用高精度控溫儀對相機進行精密控溫。

3.1.2在軌溫度水平

相機在軌溫度達到平衡后，相機在軌一星期內(nèi)的溫度水平數(shù)據(jù)如表2所示，相機鏡筒溫度范圍為（19.7～20.3）℃，支架的溫度范圍為（19.6～20.5）℃，均在指標范圍內(nèi)，且有較大的余量。圖2至圖4為單個軌道圈內(nèi)，衛(wèi)星過境12min內(nèi)相機主結(jié)構(gòu)典型部位溫度變化曲線。

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3.1.3在軌溫度均勻性

單個軌道圈衛(wèi)星過境12min內(nèi)，相機主結(jié)構(gòu)的溫度均勻性數(shù)據(jù)如表3所示，相機鏡筒最大周向溫差均在0.3℃以內(nèi)，優(yōu)于最大溫差≤1℃的指標要求；軸向最大溫差在0.65℃以內(nèi)，優(yōu)于＜1.5℃的指標要求。相機支架及底板的最大溫差均在0.65℃以內(nèi)。

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3.1.4在軌溫度波動

表4為衛(wèi)星在軌一圈，境內(nèi)12min相機各部位的最大溫度波動數(shù)據(jù)。分析表4及圖2～4中數(shù)據(jù)可知，在軌過境12min時間內(nèi)，相機鏡筒的溫度波動均在0.11℃以內(nèi)，支架溫度波動均在0.06℃以內(nèi)，底板溫度波動在0.25℃以內(nèi)，說明相機在軌溫度穩(wěn)定度高。

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3.2 相機焦面CCD溫度

3.2.1焦面高功率密度CCD器件熱設(shè)計

相機焦面CCD器件功率密度高達2 000W/m2以上，由于相機焦面CCD的溫度水平和溫度均勻性直接影響成像質(zhì)量，成像時為保證焦面CCD的溫度維持在要求的溫度水平且溫度均勻，必須將焦面產(chǎn)生的熱功耗及時排散出去。由于相機在軌調(diào)焦時CCD需要±3mm范圍內(nèi)移動，CCD的散熱途徑必須有一定的柔性。另外CCD器件的溫度水平過高或溫度波動過大會增大CCD的暗電流和熱噪聲，導(dǎo)致系統(tǒng)信噪比降低，影響成像質(zhì)量[6-10]，需盡可能將CCD溫度控制在指標下限附近。

為實現(xiàn)相機高功率密度CCD器件的散熱和在軌調(diào)焦需求，在焦面內(nèi)部安裝熱管、導(dǎo)熱索等高導(dǎo)熱能力的器件，外部增設(shè)散熱面，形成CCD→焦面小熱管→導(dǎo)熱索→焦面面板→焦面外貼熱管→散熱板的散熱路徑，以保證CCD器件工作時高能流密度的散熱，同時在散熱通道上布置補償加熱回路，保證CCD不工作期間，CCD的溫度在指標要求范圍內(nèi)，并接近溫度指標的下限。導(dǎo)熱索的結(jié)構(gòu)示意圖見圖5，其柔性段允許彎折，以此保證CCD器件在軌調(diào)焦需求。

3.2.2 CCD在軌溫度

相機在軌溫度平衡后，CCD的溫度水平及溫度波動數(shù)據(jù)如表5所示；圖6和圖7為單個軌道圈內(nèi)，衛(wèi)星過境相機CCD的溫度變化曲線。3臺相機CCD在軌溫度均在指標要求范圍內(nèi)，且接近指標溫度下限；相機在軌不成像時，CCD溫度穩(wěn)定，波動均在0.1℃以內(nèi)；在軌成像時，CCD溫度有小幅度提升，最大波動在1.5℃以內(nèi)。

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3.3 相機透鏡溫度

相機透鏡安裝在鏡筒內(nèi)部，面向空間，其溫度主要受空間輻射及鏡筒的導(dǎo)熱影響。由于相機遮光罩的作用，相機透鏡受鏡筒溫度的影響相對更大。出于相機成像需求，透鏡無法直接實施主動控溫等熱控措施，僅能通過鏡筒間接控制。

為保證透鏡溫度能滿足梯度＜0.2℃，梯度的穩(wěn)定度＜0.1℃的指標，需減小鏡筒的周向溫度梯度及穩(wěn)定度，為此在鏡筒外表面多層的內(nèi)膽使用一種具有高橫向?qū)崮芰Φ奶厥舛鄬痈魺峤M件，以減小外熱流對鏡筒溫度梯度的影響，提高相機鏡筒的溫度均勻度，間接提高透鏡溫度的均勻度及穩(wěn)定度。

由于相機透鏡上無測溫點，透鏡的溫度僅能通過鏡筒溫度間接推算。通過建立相機有限元模型，根據(jù)相機實際在軌邊界條件，分析所得相機透鏡與鏡筒溫度對應(yīng)關(guān)系如表6所示，比較表3及表6中鏡筒溫度梯度數(shù)據(jù)，鏡筒在軌溫度值均小于分析值，由此可以得出結(jié)論，透鏡在軌溫度梯度及溫度梯度的穩(wěn)定度也均小于分析值，透鏡溫度梯度＜0.13℃，溫度梯度的穩(wěn)定度＜0.06℃，均能滿足指標要求。

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4 結(jié)束語

三線陣相機的在軌溫度是決定相機成像質(zhì)量的重要參數(shù)，是相機在軌正常運行的重要保障條件。本文結(jié)合相機具體熱控設(shè)計，詳細分析了相機在軌溫度情況，分析結(jié)果表明，相機在軌溫度數(shù)據(jù)穩(wěn)定，鏡筒溫度水平控制在（20±0.3）℃，周向溫度梯度在0.3℃以內(nèi)；透鏡溫度梯度＜0.13℃，梯度的穩(wěn)定度＜0.06℃，所有溫度數(shù)據(jù)均能滿足指標要求，且有較大的余量，這也證明了三線陣相機的熱控設(shè)計合理正確。

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