高分辨率相機大功率焦面熱設(shè)計及驗證

王殿君，孔 林，張 雷，姜 峰

（長光衛(wèi)星技術(shù)股份有限公司，長春 130033）

0 引言

隨著空間遙感技術(shù)的快速發(fā)展，空間相機的分辨率越來越高，幅寬越來越大，焦面的功率密度持續(xù)增大，散熱需求不斷增加。焦面系統(tǒng)是空間相機的關(guān)鍵部件，當(dāng)相機工作時，焦面功耗會驟然加大，造成電箱內(nèi)部CCD 器件溫度迅速提升；相機不工作時，焦面完全不發(fā)熱，容易受散熱面低溫的影響，導(dǎo)致焦面溫度過低。而工作時過大的溫升會產(chǎn)生一定的熱噪聲和暗電流，導(dǎo)致相機信噪比降低，影響成像質(zhì)量。因此，保證焦面系統(tǒng)處于較低的溫度水平和較小的溫度波動對于保持相機系統(tǒng)較高的信噪比極為重要[1-3]。

自20 世紀(jì)90 年代開始，多個國家研制了若干種高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星，同時開展了空間相機焦面的熱控研究。由于焦面為活動部件，安裝有移動的調(diào)焦機構(gòu)，用于調(diào)整焦面位置，使得焦面無法直接安裝熱管。同時，活動的焦面需要剛度小、質(zhì)量小的連接方式，以避免產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形，影響成像質(zhì)量。中國與巴西聯(lián)合研制的地球資源衛(wèi)星CBERS 搭載了3 臺用于可見光與紅外波段的相機，其焦面熱控采用導(dǎo)熱索方式將熱量傳遞至輻射板上，并在焦面不工作時進(jìn)行補償控溫[4]。NASA 研發(fā)的“地球觀測衛(wèi)星一號”（EO-1）搭載了1 臺高級陸地成像儀（ALI），其焦面的熱控采用導(dǎo)熱鋁條連接焦面與散熱面，并在鋁條上設(shè)置了補償加熱裝置[5]。以上2 顆衛(wèi)星對焦面的熱設(shè)計方案為大部分焦面散熱的通用方案，缺點是導(dǎo)熱索均為金屬材料，質(zhì)量、剛度均較大且導(dǎo)熱效率偏低。近幾年，國外研究出一種采用碳纖維材料的導(dǎo)熱索，實現(xiàn)了活動焦面的散熱設(shè)計；但碳纖維材料僅能單向?qū)?，需要用較多的層數(shù)來提高導(dǎo)熱效率，因此這種導(dǎo)熱索僅適用于功率較小的焦面[6]。中國科學(xué)院長春光學(xué)和精密機械研究所針對某多姿態(tài)變化相機的焦面，提出了由熱開關(guān)控制雙輻射板散熱的方案[7]——當(dāng)某一輻射板升溫較大時，通過熱開關(guān)狀態(tài)改變傳熱路徑，將熱量傳遞切換至另一輻射板上，其缺點是需要為相機單獨安裝2 塊輻射板，增加了整星重量。彭建偉等針對大功率焦面提出了采用流體回路的控溫方案[8]，在焦面的背部安裝基板內(nèi)部排布傳熱管道，通過流體為焦面散熱，但這種方法缺少在軌應(yīng)用經(jīng)驗。

某高分辨率光學(xué)遙感相機上安裝了1 組功率600 W 的焦面系統(tǒng)，對系統(tǒng)溫度水平及CCD 組件的溫升均提出了較嚴(yán)格的要求，傳統(tǒng)的散熱方式已無法滿足該焦面的控溫需求，需要設(shè)計出更有效的熱控方案。本文分析該焦面的特點、安裝位置與熱控需求，并為其進(jìn)行詳細(xì)的主被動散熱設(shè)計，其中特別采用石墨材料柔性導(dǎo)熱索以同時滿足活動焦面與散熱面的高效熱耦合及剛性解耦需求，通過仿真分析確定初步熱設(shè)計效果和優(yōu)化方案；最后通過地面熱試驗驗證熱設(shè)計方案的合理性和應(yīng)用效果。

1 焦面的特點及控溫需求

1.1 焦面的特點

相機焦面工作時，TDI CCD 會將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為模擬信號，再經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后以LVDS 格式傳送至FPGA，最終經(jīng)FPGA 整合后通過TLK2711 高速傳輸接口發(fā)送至成像處理箱。焦面箱結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用層疊式電箱結(jié)構(gòu)，由4 層印制電路板（PCB）組成，本體尺寸為511 mm×170 mm×89 mm，單機質(zhì)量10.2 kg。

圖1 焦面箱Fig.1 Focal plane assembly

焦面為活動部件，與調(diào)焦機構(gòu)一起安裝在相機底部，因此不能通過熱管與散熱面直接連接。焦面采用集成化設(shè)計，即除CCD 組件外，F(xiàn)PGA 等大功耗器件也集成在電箱中，使得焦面總功耗較大（焦面電箱工作時的總功耗為600 W）；同時，焦面還具有工作時間長（最長連續(xù)工作時長為600 s）、瞬時功耗大的特點，且焦面熱容較?。阂陨线@些特點給焦面的熱控設(shè)計增加了難度。

1.2 焦面控溫需求

焦面控溫需求主要包括：

1）焦面溫度保持在10～45 ℃之間；

2）CCD 組件連續(xù)工作600 s 后的溫升不超過10 ℃。

2 焦面熱設(shè)計方案

為保證焦面溫度滿足指標(biāo)要求，熱控設(shè)計應(yīng)遵循以下思路：

1）保證焦面整體溫度均勻；

2）工作時將熱量有效散出，避免溫升過大；

3）通過溫度補償避免不工作時溫度偏低。

焦面熱設(shè)計總體方案如圖2 所示，焦面不工作時通過主動熱控控溫，保持焦面溫度；焦面工作時，將熱量通過導(dǎo)熱索與槽道熱管傳遞至衛(wèi)星散熱面向周圍空間發(fā)散。

圖2 焦面熱設(shè)計總體方案示意Fig.2 Block diagram of thermal design of the focal plane assembly

2.1 被動熱控設(shè)計

焦面被動熱控設(shè)計的散熱路徑如圖3 所示。根據(jù)散熱路徑實施被動熱控措施，包括：

圖3 焦面散熱路徑示意Fig.3 Schematic diagram of heat dissipation paths of the focal plane assembly

1）焦面外殼除安裝面以外的5 面均做黑色陽極化處理，以提高焦面外殼向外輻射散熱的能力；

2）焦面內(nèi)部的大熱量器件分散布局且靠邊框放置，以便將熱量傳導(dǎo)給焦面外殼，如驅(qū)動芯片靠近結(jié)構(gòu)邊框采用柔性導(dǎo)熱墊與散熱片接觸并固定到焦面外殼上；

3）在電源板的DC/DC 模塊下表面與PCB 之間以及大功耗芯片上表面安裝鋁片，且鋁片與電箱殼為一體化結(jié)構(gòu)，以減小接觸熱阻；

4）利用柔性導(dǎo)熱索連接焦面電箱及熱管，導(dǎo)熱索兩端為剛性鋁合金端子，中間為柔性高效導(dǎo)熱的石墨片，可在將焦面熱量有效導(dǎo)出的同時實現(xiàn)焦面與散熱面及熱管的剛性解耦；

5）熱管兩端分別連接導(dǎo)熱索和衛(wèi)星散熱面，并在衛(wèi)星平臺上設(shè)計支撐裝置，以提高熱管安裝的穩(wěn)定性和安全性。

2.2 主動熱控設(shè)計

焦面主動控溫加熱回路的控溫門限設(shè)置為14.5～15.5 ℃，作為焦面不工作時的溫度補償。當(dāng)溫度低于14.5 ℃時，加熱回路開始工作；當(dāng)溫度高于15.5 ℃時，加熱回路停止工作。主動控溫加熱片及控溫傳感器粘貼在電箱表面，粘貼位置如圖4 所示。

圖4 焦面加熱片和測溫點位置Fig.4 Positions of heater and temperature measurement points of the focal plane

2.3 柔性導(dǎo)熱索設(shè)計

本文所研究的焦面為功耗600 W 的大功率單機，需要設(shè)計一種高導(dǎo)熱性、低剛度的柔性導(dǎo)熱帶，用于焦面的散熱。導(dǎo)熱索主要由冷熱兩端的端子與柔性導(dǎo)熱帶組成：熱端端子與焦面連接，將熱量通過接觸面?zhèn)鬟f至端子上，再通過柔性導(dǎo)熱帶傳遞至冷端端子；冷端端子與熱管連接，將熱量通過熱管傳遞至衛(wèi)星散熱面。當(dāng)焦面需要移動調(diào)焦時，導(dǎo)熱索熱端與柔性導(dǎo)熱帶可以隨動，導(dǎo)熱帶的長度余量可以保證導(dǎo)熱索冷端及熱管不會因?qū)釒У倪\動而受力。

如圖5 所示，導(dǎo)熱索端子由上下兩層剛性夾具組成，選用高熱導(dǎo)率的鋁合金材料制成，端子夾具通過螺釘安裝，須保證夾具與導(dǎo)熱帶間有足夠的壓緊力；熱管安裝端根據(jù)熱管尺寸設(shè)計成雙面對稱夾緊，使熱量傳遞更加均勻。焦面安裝面與熱管安裝面均使用柔性導(dǎo)熱墊來減小連接處的接觸熱阻。導(dǎo)熱索的柔性導(dǎo)熱帶由高熱導(dǎo)率的石墨導(dǎo)熱膜層疊粘貼制成。這種石墨膜是一種新型導(dǎo)熱材料，熱導(dǎo)率高達(dá)1000 W/(m·K)，密度僅1210 kg/m3，且具有多向?qū)岬奶攸c，已逐步用于航天領(lǐng)域[9]。導(dǎo)熱帶的寬度與長度根據(jù)熱端端子與焦面的安裝尺寸確定，且導(dǎo)熱帶設(shè)計成回字形，以有效減小質(zhì)量，提高導(dǎo)熱效率。

圖5 柔性導(dǎo)熱索Fig.5 Flexible thermal strap

3 焦面熱仿真分析

3.1 散熱路徑接觸熱阻計算

焦面工作時的具體散熱路徑為：產(chǎn)生的熱量經(jīng)由接觸面?zhèn)鬟f至導(dǎo)熱索熱端，柔性導(dǎo)熱帶通過與導(dǎo)熱索冷/熱兩端的接觸傳熱，將熱量傳遞到導(dǎo)熱索冷端；導(dǎo)熱索冷端與熱管連接，通過熱管將熱量傳遞至衛(wèi)星散熱面，最終輻射至周圍空間。導(dǎo)熱索與熱管面積較小，且做熱包覆處理，故二者的輻射散熱量較小，在熱仿真計算中可對它們進(jìn)行簡化處理；但焦面散熱過程較為復(fù)雜，接觸傳熱較多，因此需對焦面散熱路徑上各個環(huán)節(jié)的接觸熱阻進(jìn)行分析，如圖6 所示。

圖6 焦面接觸傳熱路徑分析Fig.6 Contact heat transfer path analysis of the focal plane

由圖6 可知，焦面與散熱面之間的總接觸熱阻R為

其中，導(dǎo)熱索與熱管間的總接觸熱阻R2滿足

式(2)中每個環(huán)節(jié)i的接觸熱阻Ri可根據(jù)接觸面積Ai與接觸傳熱系數(shù)Ki計算，Ri=1/KiAi，本研究中取Ki=100。

3.2 初步熱仿真分析

根據(jù)第2 章所述熱設(shè)計方案，利用熱分析軟件建立焦面的有限元模型，如圖7 所示：焦面結(jié)構(gòu)以薄板為主，故熱分析模型建立為殼單元，單元厚度通過等效體積法計算，并采用熱耦合的方式對模型進(jìn)行簡化。對于電箱內(nèi)部，簡化掉CCD 組件以外的其他芯片模型，并將其功耗附在每層的PCB 上。

圖7 焦面熱分析模型Fig.7 Thermal analysis model of the focal plane

針對焦面模型進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，設(shè)焦面初始溫度15 ℃，環(huán)境溫度0 ℃，考核連續(xù)工作600 s 后焦面電箱殼體的溫度以及CCD 組件的溫升，結(jié)果如表1所示。焦面電箱殼體與CCD 組件各設(shè)置了3 個測溫點，分布在中間與兩端位置。

表1 連續(xù)工作600 s 后的焦面熱分析結(jié)果Table 1 Thermal analysis results of focal plane after continuous operation for 600 s

3.3 小結(jié)

由表1 可知：焦面電箱殼體溫度在15.0～24.1 ℃之間，CCD 組件溫度在15.3～26.6 ℃之間，滿足焦面整體控溫指標(biāo)范圍，證明了所設(shè)計的高性能柔性導(dǎo)熱索可以有效幫助焦面散熱；但焦面CCD 組件的溫升在10.7～11.1 ℃之間，略超熱控指標(biāo)要求的溫升不超過10 ℃。為降低溫升，保證成像質(zhì)量，需對焦面熱設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。

4 熱設(shè)計優(yōu)化

熱設(shè)計優(yōu)化的目標(biāo)是降低CCD 組件工作過程中的溫升，因此可以利用相變材料儲存熱量且保持溫度不變的特點，通過使用相變熱管來降低溫升[10]。相機工作600 s 后，會在2 個軌道周期內(nèi)不工作，相變材料可以利用這個間歇期將所存儲的熱量進(jìn)行排散，從而恢復(fù)到初始狀態(tài)。

4.1 相變熱管方案

適用于航天器使用的相變材料一般應(yīng)滿足以下要求[11]：

1）具有合適的相變溫度以及較高的相變潛熱；

2）具有較高的熱導(dǎo)率；

3）質(zhì)量密度大，比熱容大；

4）熔化和凝固可靠且可逆；

5）成本低，無毒，對器件無危害；

6）與容器和填充材料相容；

7）性能數(shù)據(jù)可用且有出處。

焦面不工作時，熱控分系統(tǒng)通過主動熱控將其溫度控制在15 ℃左右，因此可以選用相變點溫度略高于15 ℃的相變材料。經(jīng)綜合考慮，本研究選擇熔點為16.7 ℃的正十六烷作為相變熱管的填充材料，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，對電子設(shè)備無危害，并且具備熱容大、密度大、成本低等特點，滿足焦面熱控對相變材料的要求。

但正十六烷的熱導(dǎo)率相對較低，因此在相變熱管的設(shè)計上需要有導(dǎo)熱增強措施，以提高整個相變熱管的導(dǎo)熱性能，降低內(nèi)部溫差，提高儲熱性能。導(dǎo)熱增強的方式一般有2 種：1）通過在相變材料中添加石墨粉、金屬粉等材料；2）通過熱管封裝的導(dǎo)熱增強處理，如增加翅片、蜂窩等方式。出于成本、加工難度等因素考量，本研究選擇鋁翅片作為導(dǎo)熱增強體，并將翅片與封裝結(jié)構(gòu)一體化成型，以強化熱管的導(dǎo)熱性能。相變熱管封裝結(jié)構(gòu)如圖8 所示，一體化翅片均勻分布在熱管內(nèi)部，在熱管空腔部分填充相變材料，并保證相變材料與翅片充分接觸。焦面工作時，熱量傳遞到相變熱管內(nèi)部，通過封裝與一體化翅片的導(dǎo)熱使溫度均勻傳遞到相變材料上；當(dāng)溫度達(dá)到相變點后，相變材料由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，這個過程可以保持溫度恒定，并吸收大量熱量，從而減緩焦面溫升的速度、減小溫升幅度。

圖8 相變熱管封裝結(jié)構(gòu)Fig.8 Package structure of the phase change heat pipe

為防止相變熱管因泄漏而影響電子器件性能，將相變熱管安裝在電箱兩側(cè)。增加了相變熱管作為設(shè)計優(yōu)化措施后，再次對連續(xù)工作600 s 后的焦面進(jìn)行熱仿真分析，結(jié)果如表2 所示。

表2 增加相變熱管并連續(xù)工作600 s 后的焦面熱分析結(jié)果Table 2 Thermal analysis results of focal plane with phase change heat pipe on both ends and after continuous operation for 600 s

由表2 可知：焦面電箱殼體溫度在15.0～22.2 ℃之間，CCD 組件溫度在15.3～22.7 ℃之間；CCD 組件的溫升最高為7.2 ℃，比未使用相變熱管時降低了3.9 ℃，已可滿足熱控指標(biāo)要求。證明使用相變熱管可以有效降低焦面CCD 組件的溫升，針對焦面的熱設(shè)計措施合理可行。

5 相機熱平衡試驗

為了驗證焦面熱設(shè)計的正確性以及熱分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，對相機開展熱平衡試驗[12-13]。

5.1 試驗方案

試驗的參試產(chǎn)品為高分辨率相機正樣產(chǎn)品，試驗件由相機本體、焦面以及試驗工裝組成。相機主體及焦面設(shè)置主動加熱區(qū)進(jìn)行控溫，保證相機各組件溫度在控溫要求范圍內(nèi)。同時，對相機工裝尤其是相機安裝面進(jìn)行必要控溫，以模擬相機安裝在衛(wèi)星平臺的邊界條件。

相機熱平衡試驗裝置主要由高分辨率相機試驗件、試驗工裝、溫度控制系統(tǒng)、溫度采集系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和空間環(huán)境模擬器（真空罐）等組成。試驗工裝由輻射板以及相機支撐工裝組成。焦面散熱面通過輻射板模擬，焦面通過導(dǎo)熱索及熱管與輻射板連接。試驗技術(shù)狀態(tài)如圖9 所示。

圖9 相機熱平衡試驗現(xiàn)場Fig.9 Camera thermal balance test site

5.2 試驗結(jié)果

熱平衡試驗方案與熱分析仿真條件一致，考核焦面連續(xù)工作600 s 后，焦面電箱殼體的溫度及CCD 組件的溫升，試驗結(jié)果如表3 所示。

表3 焦面熱平衡試驗結(jié)果Table 3 Thermal balance test results of the focal plane

試驗過程中，1 個工作周期內(nèi)的焦面溫度曲線如圖10 所示。

圖10 焦面溫度曲線Fig.10 Temperature curves of the focal plane assembly

從熱平衡試驗結(jié)果來看，焦面電箱殼體溫度在15.1～22.6 ℃之間，CCD 組件溫度在16.4～23.7 ℃之間，滿足焦面熱控指標(biāo)要求；CCD 組件最大溫升不超過7.2 ℃，具有一定的設(shè)計裕量，符合設(shè)計指標(biāo)要求。試驗結(jié)果與熱分析結(jié)果基本一致，表明針對該焦面的熱設(shè)計方案合理可行，熱分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

6 結(jié)束語

本文根據(jù)某高分辨率光學(xué)遙感相機焦面的特點進(jìn)行熱設(shè)計：通過鋁片盡量減小焦面內(nèi)部大功率器件與機殼之間的熱阻；設(shè)計了一種高熱導(dǎo)率回字形柔性導(dǎo)熱索，并與熱管一起建立了焦面的散熱路徑，可以將焦面熱量傳遞到衛(wèi)星的散熱面，避免了為焦面額外單獨設(shè)置輻射板而增加整星重量；導(dǎo)熱索采用高熱導(dǎo)率石墨柔性材料，解決了活動焦面與散熱面的高效熱耦合及剛性解耦問題，實現(xiàn)了焦面的有效散熱。當(dāng)初步熱分析結(jié)果表明無法滿足CCD組件溫升控制指標(biāo)后，增加了相變熱管方案；相變熱管封裝采用了與翅片一體化的設(shè)計，達(dá)到導(dǎo)熱增強的效果，有效降低了CCD 組件的溫升。

相機熱平衡試驗結(jié)果顯示：連續(xù)工作600 s 后，焦面溫度不僅滿足熱控指標(biāo)要求，且均在最佳工作范圍之內(nèi)，說明針對該相機焦面的熱設(shè)計方案合理可行，為大功率焦面的熱控設(shè)計提供了參考。