分體式主動(dòng)像元星敏感器高溫度穩(wěn)定度熱設(shè)計(jì)及在軌驗(yàn)證

孫 鵬，魏 然，趙 欣，江 海

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部 空間熱控技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

0 引言

星敏感器在航天器的姿態(tài)測(cè)量和控制系統(tǒng)中起著重要的作用，是十分精密的姿態(tài)測(cè)量部件。其定姿精度及重復(fù)精度直接決定衛(wèi)星地面觀測(cè)區(qū)域的準(zhǔn)確性及長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)的連續(xù)性。星敏感器在軌測(cè)量時(shí)的主要誤差源是溫度變化引起的熱變形，對(duì)于高分辨率的空間光學(xué)遙感衛(wèi)星，其星敏感器組件的溫度設(shè)計(jì)指標(biāo)范圍較窄，一般為基準(zhǔn)溫度±2 ℃，甚至±1 ℃[1-3]。

分體式主動(dòng)像元星敏感器（active pixel sensor,APS）在軌測(cè)量精度高，在衛(wèi)星中的應(yīng)用越來(lái)越多。對(duì)于很多衛(wèi)星尤其是小衛(wèi)星而言，星敏感器的熱設(shè)計(jì)需要以較少資源實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜外熱流變化情況下的高溫度穩(wěn)定度[4-5]。本文以某太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星為例，針對(duì)T±2 ℃的高溫度穩(wěn)定度控溫要求，對(duì)3臺(tái)分體式APS集中布局的情況采用常規(guī)熱控措施進(jìn)行熱控設(shè)計(jì)，并給出熱分析計(jì)算和在軌驗(yàn)證結(jié)果。

1 星敏感器熱控設(shè)計(jì)原理

1.1 星敏感器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

分體式APS由探頭和數(shù)據(jù)處理線路盒2部分組成（見(jiàn)圖1）。其中線路盒安裝在航天器艙內(nèi)，故在熱控設(shè)計(jì)中，將探頭和線路盒分開(kāi)考慮[6]。

圖1 分體式APS外形Fig.1 Configuration of separated type APS

目前，針對(duì)分體式APS的控溫需求一般為基準(zhǔn)溫度±2 ℃，下文將分別針對(duì)2種不同的安裝法蘭控溫需求，結(jié)合具體案例進(jìn)行熱控設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

1.2 星敏感器空間熱環(huán)境特點(diǎn)

以軌道高度645 km、降交點(diǎn)地方時(shí)為10:30AM的某太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星為例，其星敏感器通過(guò)支架安裝在航天器外表面。由于星敏感器需要對(duì)空間目標(biāo)成像，為減小地球視場(chǎng)的干擾，其最佳安裝位置為航天器的對(duì)天面。對(duì)天面一般不受地球紅外熱流的影響，但受太陽(yáng)光的周期性直接照射影響——太陽(yáng)光可以直接照射到星敏感器法蘭和遮光罩外表面，甚至距離安裝法蘭較遠(yuǎn)的遮光罩內(nèi)表面也會(huì)受到陽(yáng)光照射。

圖2為安裝在某航天器對(duì)天面?zhèn)劝迳系男敲舾衅髡诠庹謨?nèi)部于2月9日接收的太陽(yáng)輻照功率，3個(gè)星敏感器遮光罩內(nèi)部接收到的太陽(yáng)輻照功率平均值分別為1.7、3.7、4.2 W。分體式APS功耗較小，制冷器不開(kāi)啟時(shí)約為1 W；而星敏感器在軌長(zhǎng)期工作時(shí)，制冷器一般不會(huì)開(kāi)啟。由圖2可見(jiàn)該星敏感器所處的空間熱流環(huán)境惡劣，同時(shí)其內(nèi)部構(gòu)型復(fù)雜、熱耗集中，給熱控設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)帶來(lái)困難。

圖2 某太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星星敏感器遮光罩內(nèi)部接收的太陽(yáng)輻照功率Fig.2 Received solar heat power in the lens hood for star sensor of an SSO satellite

1.3 星敏感器熱控設(shè)計(jì)途徑

星敏感器內(nèi)部熱耗通過(guò)傳導(dǎo)的方式傳輸至安裝法蘭，而安裝法蘭主要通過(guò)以下途徑向外散熱：

1）在法蘭表面噴涂熱控涂層或貼膜，依靠其自身輻射能力散熱。但法蘭面積有限，且受太陽(yáng)直照影響大，難以將熱量散除。

2）安裝法蘭與遮光罩連接，遮光罩開(kāi)口直接對(duì)外輻射能量，這部分為遮光罩的固定散熱能力；還可以在遮光罩外表面噴涂熱控涂層或貼膜，以降低遮光罩溫度，從而降低安裝法蘭的溫度。但遮光罩所接收的空間外熱流的變化幅度很大，因此，在對(duì)1個(gè)軌道周期內(nèi)星敏感器溫度變化范圍要求較窄的情況下，應(yīng)謹(jǐn)慎采用此方法。

3）安裝法蘭向后部電子學(xué)殼體導(dǎo)熱，再通過(guò)輻射的方式向外散熱。但電子學(xué)殼體受支架遮擋，對(duì)外界空間的視角系數(shù)比較小，對(duì)星體的視角系數(shù)比較大，因此散熱能力非常有限。

4）安裝法蘭向支架傳熱，再通過(guò)支架向星體導(dǎo)熱或由支架直接輻射散熱。當(dāng)支架材料為導(dǎo)熱性能較好的鋁合金材料，且支架安裝環(huán)境溫度控制得比較合適時(shí)，此種方法散熱能力較強(qiáng)；當(dāng)支架材料為導(dǎo)熱性能較差的鈦合金材料時(shí)，此種方法散熱能力非常有限。

5）直接在法蘭或支架上安裝熱管等高導(dǎo)熱性能產(chǎn)品或材料，將熱量傳導(dǎo)至熱環(huán)境較好的獨(dú)立散熱面。此方法散熱能力強(qiáng)，但設(shè)計(jì)及實(shí)施的復(fù)雜性增加。

綜上，一般當(dāng)星敏感器支架為鋁合金材料時(shí)，通過(guò)整星合理設(shè)計(jì)為星敏感器提供良好的散熱邊界，即可解決星敏感器散熱問(wèn)題；當(dāng)星敏感器支架為鈦合金等導(dǎo)熱性能差的材料且外熱流條件不是非常惡劣時(shí)，需要協(xié)同采用途徑1、2、3等多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)星敏感器的散熱；在星敏感器外熱流條件非常惡劣的情況下，途徑5是解決星敏感器散熱問(wèn)題的較佳途徑。因此，在星敏感器的熱設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要綜合考慮結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱能力、重量限制、資源需求及總裝可實(shí)現(xiàn)性等約束條件，合理選擇適合的散熱途徑。

2 星敏感器熱設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證

星敏感器熱設(shè)計(jì)的目標(biāo)是控制星敏感器安裝法蘭的溫度水平和穩(wěn)定度，而星敏感器法蘭的溫度水平和穩(wěn)定度主要受外熱流波動(dòng)和內(nèi)熱源影響，因此，在熱設(shè)計(jì)中需盡量降低星敏感器吸收的外熱流，同時(shí)設(shè)計(jì)合理的散熱途徑將所吸收外熱流和自身內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱量排散出去。此外，當(dāng)星敏感器處于軌道陰影區(qū)時(shí)，外熱流突降會(huì)加劇星敏感器法蘭的溫度波動(dòng)，需要設(shè)計(jì)合理的主動(dòng)控溫回路[7-11]。

下面，在1.3節(jié)基礎(chǔ)上，結(jié)合具體案例中2種不同的控溫需求，介紹分體式APS的熱設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法、熱分析結(jié)果及其在軌表現(xiàn)。

2.1 分體式 APS-I

星敏法蘭控溫需求：(20±2) ℃。

2.1.1 熱設(shè)計(jì)輸入

1）軌道參數(shù)

該星敏感器安裝于某太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星，其軌道參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 分體式 APS-I的衛(wèi)星軌道參數(shù)Table 1 Satellite orbit parameters of the separated APS-I

2）星敏感器布局

衛(wèi)星上的3臺(tái)星敏感器通過(guò)一體化支架安裝于星體-z面，具體安裝位置參見(jiàn)圖3。

圖3 分體式APS-I安裝位置示意Fig.3 Schematic diagram of the separated APS-I in assembly

3）溫度指標(biāo)要求

星敏感器的工作溫度指標(biāo)要求見(jiàn)表2。

表2 分體式 APS-I溫度指標(biāo)Table 2 Temperature requirement of the separated APS-I

2.1.2 熱設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

針對(duì)分體式APS安裝法蘭(20±2) ℃的控溫需求，在星敏感器的設(shè)計(jì)中利用1.3節(jié)介紹的熱控設(shè)計(jì)途徑2和4，分別以遮光罩和支架作為散熱面，具體實(shí)現(xiàn)方法如表3和圖4所示。

表3 分體式 APS-I組合件熱設(shè)計(jì)狀態(tài)Table 3 Schematic thermal design states of the separated APS-I

圖4 分體式APS-I的多層安裝及白漆噴涂位置示意Fig.4 Locations of MLIs and white paint outside the separated APS-I

鑒于星敏感器法蘭的控溫穩(wěn)定度要求較高，每個(gè)星敏感器均設(shè)計(jì)了一主一備控溫回路對(duì)安裝法蘭進(jìn)行主動(dòng)控溫，選用測(cè)溫精度為±0.1 ℃的熱敏電阻作為控溫器件，加熱回路為開(kāi)關(guān)控制。控溫設(shè)備A/D使用位數(shù)為9位，測(cè)控溫分辨率（分層值）為0.23 ℃，控溫區(qū)間設(shè)計(jì)為2個(gè)分層值（即約0.5 ℃）。主動(dòng)控溫回路如表4所示，星敏感器的Thermal Desktop熱分析計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 分體式 APS-I主動(dòng)控溫回路Table 4 Active thermal control loop of the separated APS-I

表5 分體式 APS-I熱分析計(jì)算結(jié)果Table 5 Thermal analysis results of the separated APS-I

2.1.3 在軌驗(yàn)證情況

衛(wèi)星于2018年上半年成功發(fā)射，于入軌第2圈轉(zhuǎn)為對(duì)地姿態(tài)，至第4日12:48AM，已經(jīng)連續(xù)工作3天，整星溫度達(dá)到平衡。圖5為第4日星敏感器安裝法蘭在軌溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，衛(wèi)星三軸對(duì)地姿態(tài)下星敏感器1～3法蘭在軌溫度控制在18.4～20.2 ℃之間，均滿足(20±2) ℃的溫度控制指標(biāo)要求，3臺(tái)星敏感器法蘭補(bǔ)償加熱回路的占空比均在75%左右。

圖5 分體式APS-I安裝法蘭在軌溫度曲線Fig.5 On-orbit temperatures of the flanges for the separated APS-I

2.2 分體式 APS-II

星敏法蘭控溫需求：(8±2) ℃。

2.2.1 熱設(shè)計(jì)輸入

1）軌道參數(shù)

該星敏感器安裝于某太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星，其軌道參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 分體式 APS-II的衛(wèi)星軌道參數(shù)Table 6 Satellite orbit parameters of the separated APS-II

2）星敏感器布局

衛(wèi)星上的3臺(tái)星敏感器通過(guò)一體化支架安裝于星體-z面，具體安裝位置參見(jiàn)圖6。

圖6 分體式APS-II安裝位置示意Fig.6 Schematic diagram of the separated APS-II in assembly

3）溫度指標(biāo)要求

星敏感器的工作溫度指標(biāo)要求見(jiàn)表7。

表7 分體式 APS-II溫度指標(biāo)Table 7 Temperature design objective of the separated APS-II

2.2.2 熱設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

針對(duì)分體式APS安裝法蘭(8±2) ℃的控溫需求，在星敏感器的設(shè)計(jì)中利用1.3節(jié)介紹的熱控設(shè)計(jì)途徑2，以遮光罩作為散熱面；同時(shí)，由于遮光罩散熱面吸收的外熱流主要來(lái)自附近艙板多層對(duì)太陽(yáng)輻射的反射，所以在各星敏感器之間及星敏感器與艙板之間安裝15單元多層，以減少反射。具體實(shí)現(xiàn)方法如表8和圖7所示。

表8 分體式 APS-II組合件熱設(shè)計(jì)狀態(tài)Table 8 Thermal design states of the separated APS-II

圖7 分體式APS-II的多層安裝及白漆噴涂位置示意Fig.7 Locations of MLIs and white paint outside the separated APS-II

鑒于星敏感器法蘭的控溫穩(wěn)定度要求較高，每個(gè)星敏感器均設(shè)計(jì)了一主一備控溫回路對(duì)法蘭進(jìn)行主動(dòng)控溫，選用測(cè)溫精度為±0.3 ℃的熱敏電阻作為控溫器件，加熱回路為開(kāi)關(guān)控制?？販卦O(shè)備A/D使用位數(shù)為8位，測(cè)控溫分辨率（分層值）為0.46 ℃，控溫區(qū)間設(shè)計(jì)為2個(gè)分層值（即約1 ℃）。主動(dòng)控溫回路如表9所示，星敏感器的Thermal Desktop熱分析計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表10。

表9 分體式 APS-II主動(dòng)控溫回路（部分）Table 9 (Parts of) active thermal control loop of the separated APS-II

表10 分體式 APS-II熱分析計(jì)算結(jié)果Table 10 Thermal analysis results of the separated APS-II

2.2.3 在軌驗(yàn)證情況

衛(wèi)星飛行姿態(tài)于發(fā)射次日1:12AM左右由對(duì)日定向轉(zhuǎn)為三軸對(duì)地，由于星敏感器及其支架熱容較小，至同日下午星敏感器溫度已經(jīng)達(dá)到平衡，整星三軸對(duì)地姿態(tài)下星敏感器1～3法蘭和星敏支架達(dá)到在軌溫度平衡時(shí)的溫度最大和最小值參見(jiàn)表11和表12。從表中數(shù)據(jù)可以看出：星敏感器法蘭溫度水平控制在6.4～10.2 ℃之間，所有測(cè)溫點(diǎn)溫度波動(dòng)均在±2 ℃范圍內(nèi)，3臺(tái)星敏感器法蘭的補(bǔ)償加熱回路占空比均在70%左右；星敏感器3法蘭測(cè)點(diǎn)（TK32）的最高溫度為10.22 ℃，通過(guò)調(diào)整控溫門(mén)限及控溫區(qū)間可將溫度水平控制在(8±2) ℃，但由于不影響星敏正常使用，在軌未做調(diào)整；星敏感器支架溫度控制在7.9～10.3 ℃，溫差最大2.4 ℃，滿足溫度指標(biāo)要求，支架補(bǔ)償加熱回路占空比均在75%左右。

表11 分體式 APS-II法蘭在軌溫度匯總Table 11 On-orbit temperature curves of the separated APS-II's flanges

表12 分體式 APS-II支架在軌溫度匯總Table 12 On-orbit temperature curves of the separated APS-II's bracket

3 結(jié)束語(yǔ)

星敏感器熱控設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是控制安裝法蘭的溫度水平及穩(wěn)定度。本文結(jié)合具體案例，針對(duì)分體式APS高溫度穩(wěn)定度的要求，歸納總結(jié)采用常規(guī)熱控措施，以較少的資源應(yīng)對(duì)復(fù)雜熱流環(huán)境，實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定度控溫的熱設(shè)計(jì)方法，并根據(jù)熱分析數(shù)據(jù)和在軌運(yùn)行情況對(duì)該熱設(shè)計(jì)方法的有效性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，該方法在軌實(shí)現(xiàn)了星敏感器法蘭溫度波動(dòng)在±2 ℃內(nèi)的熱控效果，可為后續(xù)分體式星敏感器的熱設(shè)計(jì)提供參考。