竇強(qiáng) 李勁東

（1 航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）（2 中國空間技術(shù)研究院，北京 100094）

1 引言

具有快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力的遙感衛(wèi)星被稱為敏捷型遙感衛(wèi)星，其突出特點(diǎn)是高分辨率和快速精確的定位，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高空間分辨率、高時(shí)間分辨率對(duì)地觀測(cè)。自20世紀(jì)90年代開始，國外許多高分辨率遙感衛(wèi)星都具備了快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)與快速穩(wěn)定的敏捷性能，如“艾科諾斯”（IKONOS）、“快鳥”（Quick-Bird）等衛(wèi)星，具有快速側(cè)擺成像、同軌多條帶成像、同軌立體成像的功能，提高了衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)的時(shí)間分辨率，擴(kuò)大了觀測(cè)區(qū)域，兼具偵察與測(cè)繪能力。由于任務(wù)覆蓋面廣，能滿足多種探測(cè)需求，敏捷型遙感衛(wèi)星也成為中國對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的重要發(fā)展方向之一。

敏捷型遙感衛(wèi)星姿態(tài)頻繁機(jī)動(dòng)，導(dǎo)致其空間外熱流變化迅速，相機(jī)漏熱嚴(yán)重。對(duì)于固定太陽翼的敏捷型遙感衛(wèi)星，在無成像要求的日照區(qū)域（如兩極上空），為保證星上電能供應(yīng)，衛(wèi)星蓄電池一般采用太陽翼對(duì)日工作模式進(jìn)行充電。在這種飛行姿態(tài)下，相機(jī)鏡頭指向深冷空間，對(duì)地球輻射換熱角系數(shù)較小，入射外熱流幾乎為零。為保證相機(jī)整體的溫度穩(wěn)定，要在相機(jī)關(guān)鍵部位粘貼大功率電加熱片，對(duì)漏熱進(jìn)行補(bǔ)償。國外部分敏捷型遙感衛(wèi)星，采用在相機(jī)遮光罩外沿加設(shè)熱防護(hù)門（簡稱熱門）的方式進(jìn)行漏熱保護(hù)［1-3］。然而，加設(shè)熱門的相機(jī)在打開熱門進(jìn)行成像時(shí)，要面對(duì)數(shù)百瓦的地球反照熱流及地球紅外熱流的熱沖擊，可能導(dǎo)致相機(jī)部件溫度快速升高，無法長時(shí)間穩(wěn)定成像。針對(duì)上述問題，本文對(duì)敏捷型遙感衛(wèi)星相機(jī)在軌運(yùn)行時(shí)的溫度變化情況進(jìn)行仿真，分析了相機(jī)熱門的使用對(duì)相機(jī)溫度穩(wěn)定性的影響。

2 相機(jī)空間熱物理模型

本文研究的敏捷型遙感衛(wèi)星，運(yùn)行在高度為500km 的太陽同步軌道，降交點(diǎn)地方時(shí)為10：30。衛(wèi)星采用固定太陽翼六棱柱構(gòu)型，＋Z軸為相機(jī)鏡頭指向方向。相機(jī)采用三反同軸光學(xué)系統(tǒng)，通光口徑為0．6m。選取敏捷型遙感衛(wèi)星常規(guī)的工作模式建模，即衛(wèi)星在進(jìn)出地影區(qū)和進(jìn)出成像區(qū)時(shí)有大幅度姿態(tài)機(jī)動(dòng)；而在其他時(shí)段，保持＋Z軸對(duì)地定向，或者太陽翼對(duì)日定向，成像過程中不出現(xiàn)大幅側(cè)擺。衛(wèi)星軌道周期約為98 min，其中在地影區(qū)時(shí)間為26min，在北極上空時(shí)間為24 min，在成像區(qū)時(shí)間為32min，在南極上空時(shí)間為16min。如圖1所示，衛(wèi)星在A 時(shí)刻進(jìn)入成像區(qū)，采用對(duì)地推掃成像模式；在B 時(shí)刻出成像區(qū)，切換為太陽翼對(duì)日定向；在C時(shí)刻進(jìn)入地影區(qū)，切換為＋Z軸對(duì)地；D 時(shí)刻出地影區(qū)，切換為太陽翼對(duì)日模式。相機(jī)在成像階段打開熱門，其余時(shí)刻關(guān)閉。

圖1 衛(wèi)星的運(yùn)行模式和本體坐標(biāo)系Fig．1 Satellite operating mode and coordinate system

相機(jī)在軌受太陽直射輻射熱流、地球反照輻射熱流和地球紅外熱流影響。美國國家航天局（NASA）根據(jù)高空平臺(tái)測(cè)得的結(jié)果推算出：太陽輻射熱流全年平均值為1367 W／m2；在軌計(jì)算過程中地球表面對(duì)太陽光的反照系數(shù)取平均值0．3；地球紅外輻射取固定值227 W／m2；空間背景輻射溫度為4K［4］。

相機(jī)與外部環(huán)境的換熱主要通過輻射換熱和導(dǎo)熱兩種方式進(jìn)行。相機(jī)與衛(wèi)星本體的連接處存在導(dǎo)熱，為減小兩者之間的導(dǎo)熱耦合，連接處作隔熱處理。本文設(shè)定相機(jī)和衛(wèi)星本體有三類導(dǎo)熱連接關(guān)系，如圖2所示。

圖2 導(dǎo)熱邊界條件Fig．2 Boundary condition of heat conduction

相機(jī)輻射邊界條件主要由空間輻射和艙內(nèi)輻射兩個(gè)部分組成。其中：空間輻射包括太陽輻射、地球紅外輻射、地球反照輻射和空間背景輻射；艙內(nèi)輻射包括主鏡筒、相機(jī)外小艙的多層隔熱材料和衛(wèi)星艙板外表面的輻射，以及相機(jī)后鏡筒、承力筒內(nèi)表面和肼瓶外表面之間的輻射。輻射換熱邊界條件如圖3所示。

圖3 輻射換熱邊界條件Fig．3 Boundary condition of heat radiation

3 熱門對(duì)相機(jī)補(bǔ)償加熱功率的影響分析

相機(jī)通過主動(dòng)電加熱措施控制內(nèi)部的熱平衡關(guān)系，熱門的應(yīng)用直接影響相機(jī)接收外界輻射能量和自身漏熱量的大小，因此，是否使用熱門可能對(duì)主動(dòng)加熱功率造成較大的影響。本節(jié)對(duì)有、無熱門兩種情況下的相機(jī)補(bǔ)償電加熱功率進(jìn)行比較分析，分析過程中對(duì)模型進(jìn)行如下簡化。

（1）衛(wèi)星熱門開關(guān)所用時(shí)間很短，假設(shè)熱門開關(guān)瞬時(shí)完成，忽略其中間過程。

（2）衛(wèi)星運(yùn)行過程中，相機(jī)須保持在（19±2）℃的溫度范圍內(nèi)，其溫度由電加熱系統(tǒng)控制，假定在運(yùn)行過程中相機(jī)自身，以及相機(jī)與衛(wèi)星本體的接口位置控溫要求為（19±2）℃。

（3）相機(jī)與衛(wèi)星本體接觸面積小，并安置隔熱墊片，兩者之間的導(dǎo)熱與輻射換熱相比為高階小量。

（4）衛(wèi)星運(yùn)行過程中，相機(jī)鏡頭不出現(xiàn)對(duì)日的情況。

無熱門情況下，相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)熱模型簡化如圖4所示。

圖4 無熱門情況下相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)熱交換簡圖Fig．4 Optical system heat transform without thermal door

根據(jù)相機(jī)熱平衡關(guān)系，對(duì)該模型可建立如下方程［5-6］。

式中：qpower為相機(jī)的電加熱功率；qinf為相機(jī)吸收的地球紅外熱量；qalbe為相機(jī)吸收的太陽反照熱量；qrad為相機(jī)的對(duì)外輻射熱量；ε為入光口等效紅外發(fā)射率；σ為波爾茲曼常數(shù)；A為相機(jī)入光口面積；T為相機(jī)入光口等效輻射溫度；T0為空間環(huán)境背景溫度；α為入光口對(duì)地球紅外熱流的等效吸收比；ρ為地球?qū)μ柟獾钠骄凑障禂?shù)；S為太陽輻照強(qiáng)度；X為相機(jī)入光口對(duì)地面的紅外輻射角系數(shù)；αs為入光口對(duì)太陽光的等效吸收比；φ為相角，即地球-衛(wèi)星連線與太陽光線之間的夾角。

有熱門情況下，相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)熱模型簡化如圖5所示。

圖5 有熱門情況下相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)熱交換簡圖Fig．5 Optical system heat transform with thermal door

根據(jù)帶熱門情況下的熱平衡關(guān)系，對(duì)該模型可建立如下方程。

式中：q′power為有熱門時(shí)相機(jī)的電加熱功率；q′inf為有熱門時(shí)相機(jī)吸收的地球紅外熱量；qalbe′為有熱門時(shí)相機(jī)吸收的太陽反照熱量；q′rad為有熱門時(shí)相機(jī)的對(duì)外輻射熱量；ε′為熱門外表面紅外發(fā)射率；Tout為熱門的外表面溫度；λ為熱門內(nèi)外表面間的等效導(dǎo)熱系數(shù)；δ為熱門厚度；Tin為熱門的內(nèi)表面溫度；α′為熱門外表面對(duì)地球紅外熱流的吸收比；α′s為熱門外表面對(duì)太陽光的吸收比。

根據(jù)衛(wèi)星在軌實(shí)際運(yùn)行情況，可對(duì)相機(jī)外熱流及補(bǔ)償加熱功率求解。相機(jī)入光口對(duì)地面的角系數(shù)，可根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)變化求出；相機(jī)全光譜吸收率及紅外發(fā)射率由衛(wèi)星使用材料的實(shí)際參數(shù)得出。以衛(wèi)星成像完畢進(jìn)入對(duì)日定向充電區(qū)域?yàn)橹芷谄瘘c(diǎn)，每運(yùn)行10°，對(duì)鏡頭與地球的角系數(shù)進(jìn)行一次求解，得出全周期各個(gè)階段光學(xué)系統(tǒng)的漏熱量、紅外吸收熱量、地球反照熱量及電加熱功耗。

根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)姿態(tài)變化情況，取太陽直射赤道時(shí)的工況進(jìn)行分析，全周期地球紅外輻射角系數(shù)及地球反照熱流角系數(shù)如圖6所示。到達(dá)相機(jī)鏡頭處的空間外熱流如圖7所示。軌道傾角為98°，地球平均反照系數(shù)ρ取0．3。通過角系數(shù)和外熱流計(jì)算結(jié)果，可計(jì)算出有熱門和無熱門情況下全周期各個(gè)階段補(bǔ)償電加熱功率分布，如圖8所示。

圖6 相機(jī)入光口對(duì)地面的地球紅外輻射角系數(shù)和地球反照輻射角系數(shù)Fig．6 Radiation angle factors of earth infrared and albedo radiation of camera lens

圖7 相機(jī)入光口的地球紅外熱流與地球反照熱流Fig．7 Heat flux of infrared and albedo radiation of camera lens

圖8 有熱門和無熱門時(shí)的電加熱補(bǔ)償功率Fig．8 Heating power with and without thermal door

經(jīng)分析計(jì)算，無熱門和有熱門時(shí)的周期平均補(bǔ)償電加熱功率分別為90．7 W 和33．4 W。因此，在保證光學(xué)系統(tǒng)溫度穩(wěn)定的前提下，有熱門所需要的電加熱補(bǔ)償功率遠(yuǎn)低于無熱門的情況。

本節(jié)通過對(duì)同一個(gè)相機(jī)模型是否加裝熱門的兩種情況進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論。

（1）敏捷型遙感衛(wèi)星在成像時(shí)接收的外熱流最大，運(yùn)行到地球兩極附近時(shí)，由于太陽翼對(duì)日充電，造成鏡頭對(duì)著深冷空間，空間外熱流值達(dá)到最低，漏熱嚴(yán)重。

（2）加裝熱門之后，能夠保證原有溫度的穩(wěn)定性，所需要的周期平均補(bǔ)償加熱功率僅為不加裝熱門時(shí)的37%，節(jié)省了星上能源。

4 熱門開啟對(duì)相機(jī)內(nèi)部溫度的影響分析

4．1 溫度波動(dòng)分析

加裝熱門后，相機(jī)可以在熱設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)大量節(jié)省星上能源，但是會(huì)出現(xiàn)另外的熱問題。在打開熱門成像階段，相機(jī)鏡頭入射熱流會(huì)明顯增加，導(dǎo)致相機(jī)內(nèi)部溫度升高。部分器件溫度升高到一定程度，相機(jī)將無法成像。采用Thermal Desktop［7-8］軟件仿真，溫度波動(dòng)結(jié)果如圖9所示。

相機(jī)的不同位置在單位時(shí)間內(nèi)的溫度變化不一致，對(duì)相機(jī)成像質(zhì)量的影響也不一致。表1總結(jié)了熱門打開期間相機(jī)溫度的變化情況。

圖9 熱門打開對(duì)相機(jī)主要組件溫度變化的影響Fig．9 Temperature distribution of camera main components affected by opening thermal door

表1 熱門打開期間相機(jī)溫度變化情況Table 1 Temperature changes affected by opening thermal door

從表1可以看出，熱門開啟6min左右，次鏡支撐組件溫度變化幅度將超出相機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。因此，采用熱門的熱控方式還要解決熱門打開后相機(jī)內(nèi)部溫度升高的問題。

4．2 解決方法

由上文分析可知，有熱門的情況下，相機(jī)絕大多數(shù)部件均可滿足熱光學(xué)設(shè)計(jì)要求，只有次鏡支撐組件受地球反照和紅外熱流影響，溫度迅速升高，在熱門打開6min后超出熱光學(xué)設(shè)計(jì)要求。對(duì)次鏡支撐組件包覆多層隔熱材料，可有效阻止熱門開啟后外熱流的影響，仿真結(jié)果如圖10所示?？梢?，加裝多層隔熱材料，可有效緩解熱門打開后溫度升高的問題，使次鏡組件溫度穩(wěn)定在（19±0．2）℃附近。

圖10 加裝多層隔熱材料后次鏡安裝板溫度變化情況Fig．10 Temperature change of second mirror mounting panel after covering multi-layer material

5 結(jié)束語

對(duì)于固定太陽翼敏捷型遙感衛(wèi)星，相機(jī)的熱門設(shè)計(jì)可大幅減少非成像期間的漏熱量，使相機(jī)的主動(dòng)加熱功率減少60%，節(jié)省星上能源，同時(shí)能簡化主動(dòng)加熱回路設(shè)計(jì)，降低工程難度。不過，采用熱門設(shè)計(jì)后，成像期間熱門打開會(huì)造成局部熱流增加過快，引起部分組件溫度過快升高，超出設(shè)計(jì)要求。其中，相機(jī)次鏡支撐組件由于距離相機(jī)入光口最近，溫度上升最快，熱門打開約6min后，相機(jī)成像質(zhì)量將受到影響，在次鏡支撐組件上包覆多層隔熱材料，可有效解決組件的溫度升高問題。

熱門的優(yōu)點(diǎn)明顯，但由于該部件為活動(dòng)部件，可靠性要求更高，因此在固定太陽翼敏捷型遙感衛(wèi)星相機(jī)的熱設(shè)計(jì)過程中，要充分考慮使用熱門帶來的利和弊，綜合任務(wù)需求、使用價(jià)值及使用風(fēng)險(xiǎn)等多方面因素，以決定是否安裝熱門。

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