空間光學遙感器真空熱試驗工裝模塊化設計

周澤鑫，孫志強，*，徐冰，2，洪揚，2

（1.中南大學 能源科學與工程學院，長沙410083； 2.北京空間機電研究所，北京100076）

空間光學遙感器是搭載在衛(wèi)星或航天飛行器上利用光學技術獲取目標屬性和相關信息的精密科學設備。為了適應光學遙感技術的快速發(fā)展，對光學遙感器的要求逐漸向高空間分辨率、高光譜分辨率、高輻射分辨率性能及輕量化的方向發(fā)展。而光學遙感器作為衛(wèi)星有效載荷，對環(huán)境溫度均勻性的要求將變得更加苛刻，均勻的溫度場可為其提供良好的工作環(huán)境［1-2］。目前，為保證遙感器在軌正常工作，順利成像，會對其增添熱控裝置來保證溫度分布的均勻度滿足所需要求。而檢驗其溫度分布情況的有效途徑之一，就是在環(huán)境效應充分研究的基礎上，對光學遙感器進行充分而又適度的空間環(huán)境地面模擬試驗（簡稱環(huán)模試驗）。通過環(huán)模試驗發(fā)現(xiàn)隱患、改進設計、避免早期失效，從而提高光學遙感器工作的可靠性［3］。

在環(huán)模試驗中，熱沉裝置在外，模擬了光學遙感器在太空工作時真空、冷、黑的背景環(huán)境，熱沉內(nèi)部放置包含了熱控設備的光學遙感器，來模擬在軌工作狀態(tài)。熱控的精度決定了試驗的可靠性，目前在航天領域，光學遙感器熱控制方式以被動熱控為主，主動控制為輔，并采用成熟的熱控制技術和實施工藝［4-6］，通常由預埋或者外貼高導熱材料或熱管等來提供光學遙感器所需的溫度環(huán)境［7-9］。歐洲多個微型衛(wèi)星通過安裝U型熱管來實現(xiàn)衛(wèi)星溫度場的均勻化［10］。胡幗杰等［11］通過優(yōu)化散熱面組合方式并運用三維熱管網(wǎng)絡的方法來實現(xiàn)所需熱控要求，但難以應用在小型、熱控要求高的衛(wèi)星上。

模塊化設計指在一定范圍內(nèi)將不同功能、不同規(guī)格、不同樣式的模塊組合在一起，來滿足不同的設計需求。其中各模塊具有獨立的功能和結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)設計需求進行自由組合，具有良好的重構(gòu)性，可以縮短產(chǎn)品的制作周期。而在環(huán)模試驗中，對光學遙感器工裝的設計和制造占其很大比重，其設計、制造周期影響整個遙感器的試驗周期，目前工裝從設計到成型需要數(shù)月的時間，周期太長影響試驗進度，并且一型號一專用工裝，造成了資源浪費。而對遙感器工裝進行模塊化設計可以簡化設計流程、減少開發(fā)成本、縮短研制周期，實現(xiàn)工裝的快速設計、快速裝配、快速成型［12-17］。

本文以某型號空間光學遙感器為研究對象，試驗時將艙板以工裝的方式固定在遙感器的6面，在艙板表面外貼加熱片，通過改變加熱片發(fā)熱量來滿足遙感器熱控要求。目前由于艙板外部環(huán)境復雜，導致艙板受熱不均，無法保證遙感器溫度均勻性的要求。針對上述問題，本文提出對艙板進行模塊化設計的方法，將一整塊艙板分割成數(shù)個小模塊，對每個小模塊分別貼加熱片來進行熱控，從而提高艙板溫度均勻性，進而保證遙感器正常工作。

1 物理模型

本文的環(huán)模試驗系統(tǒng)如圖1所示。光學遙感器及其電子學設備艙安裝在熱沉裝置中，光學遙感器的各艙板構(gòu)成一個近似封閉的六面體，分別對應±X、±Y、±Z六塊艙板，各艙板之間的位置關系如圖2所示。－X艙板有3條安裝塊，連接相機與鋼架起固定作用；＋Y艙板開有2個方孔與散熱板相連；＋Z艙板開有2個圓孔，用于相機對外部環(huán)境進行拍攝；－Z艙板開有2個方孔，用于相機與電子學設備艙的連接。各艙板的溫度分布要求為：艙板各處實際溫度不得高出熱控要求2 K，不得低于熱控要求，在高精度工作狀態(tài)時，實際溫度不得高出熱控溫度1 K。本文為方便表達，將艙板實際溫度與熱控要求的差值稱為溫度偏差，實際溫度高于熱控要求則稱為正偏差，反之為負偏差。表1給出了該型號光學遙感器在某一工作狀態(tài)下各艙板的熱控要求。

圖1 空間環(huán)模地面模擬試驗系統(tǒng)Fig.1 System of space environment ground simulation experiment

本文在環(huán)模試驗中，加熱片與艙板之間粘貼熱電偶來監(jiān)測各艙板的溫度分布情況。為保證監(jiān)測的有效性，將熱電偶均勻布置在每個艙板上，±X艙板熱電偶為4×4分布；±Y、±Z艙板熱電偶為3×4分布。受到艙板幾何條件約束，需要對部分熱電偶測點位置進行偏移或?qū)y點個數(shù)進行刪減。同時部分艙板區(qū)域受到多個輻射源綜合影響，因此需要在該區(qū)域增加熱電偶數(shù)量，來確保測量數(shù)據(jù)的有效性。在綜合考慮艙板幾何結(jié)構(gòu)和艙板輻射環(huán)境后，最終熱電偶個數(shù)為：＋X艙板16個、－X艙板27個、＋Y艙板14個、－Y艙板11個、±Z艙板各12個，共計92個。用熱電偶實際測量溫度與熱控要求溫度之間的溫度偏差來表征艙板的溫度均勻性，通過對92個測點進行計算分析發(fā)現(xiàn)，溫度偏差最大可達4 K，多個測點出現(xiàn)了負偏差，溫度偏差在0～2K之間所占比例為34.8%，溫度偏差在0～1 K 之間所占比例為28.3%，表明工裝的艙板溫度均勻性差，試驗結(jié)果不滿足熱控要求。

圖2 工裝模型Fig.2 Frock model

表1 艙板參數(shù)Tab le 1 Param eters of cabin p lates

2 數(shù)值計算模型

根據(jù)試驗工裝建立如圖3所示的計算模型，并作如下簡化和假設：由于各艙板均獨立安裝且未相連，因此忽略各艙板之間的導熱，不考慮＋Y艙板超出－Z艙板外伸部分的影響，忽略底部3條安裝塊與鋼架的漏熱，所有艙板表面均為漫反射。艙板的具體參數(shù)列于表1中。底部鋼架為恒定－60℃的結(jié)構(gòu)鋼，表面發(fā)射率為0.90；電子學設備艙表面溫度恒定為20℃，與艙板正對面發(fā)射率為0.03，其余面發(fā)射率為0.90；散熱板與光學遙感器相連，散去遙感器多余熱量，保證其能夠正常工作［18］，散熱板表面溫度恒為40℃，表面發(fā)射率為0.03。整個模型置于100 K 的真空環(huán)境中。

本文模擬所用軟件為ANSYS，基于有限體積的數(shù)值模擬方法對艙板溫度進行計算求解。電子學設備艙、散熱板、底部鋼架均設為定溫壁面，各艙板表面設為耦合面，各表面初始溫度均為293 K。計算中，能量方程采用二階迎風差分格式。FLUENT中常用輻射模型有5種，其中DO（Discrete Ordinates）模型和S2S（Surface-To-Surface）模型精度較高［19］，而S2S模型更適用于計算沒有參與性介質(zhì)的封閉空間內(nèi)的輻射換熱［20］。因此，本文采用S2S輻射模型進行計算，此時能量守恒方程簡化為

式中：t為時間；ρ為物體的密度；h為物體所含的總能；k為物體的導熱系數(shù)；T為溫度；Sh為僅包含輻射換熱的源項。

圖3 計算模型Fig.3 Calculation model

合圍空間內(nèi)輻射換熱計算式為

式中：Jk和Ek分別為從表面k發(fā)出的輻射和自身輻射；εk為表面k的輻射發(fā)射率；Fkj為k、j表面間的輻射角系數(shù)［21］，計算式為

其中：A為微元表面的面積；r為微元表面之間的距離；θj、θk分別為微元表面d Aj、d Ak之間的連線方向與其法線方向的夾角［22］。

空間輻射區(qū)域以四面體網(wǎng)格為主，艙板為結(jié)構(gòu)六面體網(wǎng)格，并在艙板厚度方向進行適度加密。首先進行網(wǎng)格無關性分析，采用3種不同疏密的網(wǎng)格進行模擬計算，網(wǎng)格數(shù)量分別取54萬、138萬、667萬，根據(jù)各艙板的所需工況溫度計算各艙板所需的熱流密度，比較6個艙板熱流密度的平均相對偏差，計算結(jié)果如表2所示。以網(wǎng)格數(shù)量為667萬的計算結(jié)果為標準，計算得138萬網(wǎng)格數(shù)的相對偏差為0.4%，54萬網(wǎng)格數(shù)的相對偏差為0.9%。3種網(wǎng)格數(shù)量計算結(jié)果相近，本文模擬研究所用網(wǎng)格數(shù)量為138萬，并將其計算的艙板熱流密度視為額定熱流密度。

表2 不同網(wǎng)格數(shù)下艙板的熱流密度Table 2 Heat flux of cabin p lates at various grid num bers

3 模塊化設計

本文模塊化設計的思想是：將艙板劃分成數(shù)個相互獨立的模塊，并對不同模塊進行分別熱控，以提高艙板溫度的均勻度。具體設計過程為：根據(jù)各艙板的幾何結(jié)構(gòu)及艙板表面熱負荷的分布情況對艙板進行初步劃分，其目的是使各艙板滿足所需的熱控要求；對滿足條件的劃分結(jié)果，進行進一步劃分，其目的是對初步劃分結(jié)果進行整合，調(diào)整模塊的種類和大小，來滿足艙板模塊化的需求。以該模塊劃分方法對遙感器模塊進行整體模擬，驗證最終結(jié)果的合理性和有效性。最終模型要滿足以下要求：各艙板溫度偏差全部保證在0～2 K之間；為方便生產(chǎn)制造，模塊形狀以矩形為主，且模塊種類不得多于30種；為方便拼裝連接，各艙板所用模塊數(shù)量少于30塊。

3.1 未模塊化設計的艙板溫度

根據(jù)額定熱流密度，計算各艙板未進行模塊化設計的溫度分布，如圖4所示。計算時，各艙板均加載額定熱流，但各艙板溫度分布呈現(xiàn)出較大差異，＋X、－Y、＋Z三個艙板所受輻射環(huán)境單一，艙板各位置熱負荷基本相同，溫度均勻性較高；－X艙板可分為受到底部鋼架直射影響的高溫區(qū)域和未受到直射影響的低溫區(qū)域，2個區(qū)域溫差明顯；＋Y艙板受散熱板的影響，整體溫度呈現(xiàn)出上高下低的分布，最大溫差高達10K，溫度分布不均勻；－Z艙板由于受到電子學設備艙的影響，中心位置溫度較高，并呈環(huán)狀分布向四周遞減。提取與試驗中測點位置相同的溫度模擬值進行分析，溫度偏差在0～2 K之間的點占39.1%，0～1 K之間的占32.6%。與試驗數(shù)據(jù)相對比，模擬溫度雖存在一定差異，但總體分布與試驗數(shù)據(jù)基本相同，僅在－X、＋Y和－Z三個艙板出現(xiàn)了較大的溫度偏差。

圖4 未模塊化設計的艙板溫度分布Fig.4 Temperature distribution of cabin plates withoutmodularization design

3.2 模塊化拼裝的艙板溫度

采用模塊化設計方法對艙板進行劃分，經(jīng)過多次優(yōu)化整合，確定分塊方案如圖5所示。根據(jù)圖4的計算結(jié)果可以看出，＋Z艙板溫度分布均勻性良好，因此設計時未對＋Z艙板進行分塊。所用到模塊種類為23，每個艙板所用模塊數(shù)量小于30塊，保證了艙板拼接和工裝方便。各模塊之間做絕熱處理，因此通過調(diào)節(jié)各模塊的加載熱流量大小可以將各艙板溫度控制在熱控要求范圍之內(nèi)。在此方案中，所劃分的模塊彼此獨立絕熱，需要通過機械拼裝連接在一起，因此稱為模塊化拼裝。

圖5 艙板模塊化設計方案Fig.5 Modularization design scheme of cabin plates

圖6 模塊化拼裝的艙板溫度分布Fig.6 Temperature distribution of cabin plates adopting modularization assembly

圖6給出了模塊化拼裝的艙板溫度分布，較之圖4所示的未模塊化設計的情況，艙板溫度均勻性有了顯著提高，可以滿足熱控要求，選取第1節(jié)環(huán)模試驗中熱電偶的位置做為模擬測點來描述模擬結(jié)果，并與試驗結(jié)果進行對比分析，得溫度偏差在0～2 K 之間所占比例由34.8%提升為96.7%，溫度偏差在0～1 K 之間所占比例由28.3%提升為93.5%。

3.3 模塊化熱控的艙板溫度

由模塊化拼裝方案中可以看出，雖然各艙板整體滿足所需熱控要求，但由于各模塊之間相互獨立，導致模塊間溫度存在一定差異。為了消除這種溫度偏差，對模塊劃分方案開展了進一步的優(yōu)化。由于出現(xiàn)這種溫差的原因是模塊之間的絕熱處理，因此，取消各艙板的獨立模塊劃分處理，但不改變原有加熱片的位置和熱流量，即只在艙板的不同位置貼上不同功率的加熱片來對艙板溫度分布進行優(yōu)化，該方案稱為模塊化熱控。圖7為模塊化熱控的艙板溫度分布，選取第1節(jié)環(huán)模試驗中熱電偶的位置做為模擬測點來描述模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)溫度偏差均在0～0.5 K之間，完全滿足了熱控要求。

圖7 模塊化熱控的艙板溫度分布Fig.7 Temperature distribution of cabin plates adopting modularization thermal control

3.4 對比驗證

比較3種不同情況下的溫度分布，相比于未模塊化方案，模塊化拼裝方案很好地解決了艙板溫度分布不均的問題，將艙板溫度偏差控制在了0～2 K的范圍內(nèi)；而模塊化熱控方案將艙板視為一個整體，允許各模塊之間換熱，進而消除了模塊化拼裝方案中溫度的不連續(xù)分布，從而提高了溫度均勻性，將溫度偏差控制在0～0.5 K以內(nèi)。符合熱控要求的測點比例也由未模塊化的34.8%提高到了模塊化拼裝的96.7%和模塊化熱控的100%。從安裝的角度來分析，模塊化拼裝方案中需要添加大量安裝塊；而模塊化熱控方案中艙板為一個整體，大大降低了安裝難度。

試驗和2種模塊化設計的測點溫度與熱控要求之間的偏差如圖8所示。為了便于比較，運用統(tǒng)計方法對3種方案的數(shù)據(jù)進行處理，求得各艙板的平均溫度偏差Δ和標準溫度偏差σ。

式中：xi為各測點的溫度；x0為艙板熱控溫度；n為測點個數(shù)。

圖8 溫度偏差對比Fig.8 Comparison of temperature deviation

表3 艙板溫度統(tǒng)計結(jié)果Tab le 3 Statistical resu lts of cabin p late tem peratures

艙板溫度的對比結(jié)果如表3所示。從各艙板的角度來看，模塊劃分之后大部分艙板溫度偏差及均勻性有了顯著改善，總體平均溫度偏差由試驗的0.873 K，降到模塊化拼裝的0.299 K和模塊化熱控的0.205K，并且標準溫度偏差也在同步降低，說明模塊化后艙板溫度更接近所需工況溫度，且均勻性更好，在相同模塊劃分情況下，模塊化熱控的溫度分布優(yōu)于模塊化拼裝。

4 結(jié) 論

本文針對光學遙感器空間環(huán)境地面模擬試驗中艙板所出現(xiàn)的溫度不均勻現(xiàn)象，運用ANSYS軟件建立了真空環(huán)境中艙板的輻射模型，模擬計算了真空下艙板的溫度分布。

對此本文提出了一種基于艙板熱流分布的模塊劃分方法，通過將艙板分成數(shù)個形狀規(guī)則的模塊，來提高均勻性。已有的結(jié)果顯示：模塊化拼裝方案提高了艙板溫度均勻度，但模塊間的溫度存在一定的差異；而模塊化熱控方案中將艙板視為一個整體，因此整個艙板溫度變化連續(xù)。結(jié)果表明，模塊化拼裝可顯著提高艙板溫度均勻性，測點溫度在0～2 K之間所占比例由34.8%提升為96.7%；而模塊化熱控可得到更優(yōu)的溫度分布，能保證所有測點溫度均滿足熱控要求。

從計算結(jié)果可以看出，用模塊化設計的方法來改進艙板的溫度均勻性是可行的，但不同工裝幾何結(jié)構(gòu)及表面熱負荷的分布都不盡相同，同樣的模塊難以應用于其他工裝，而模塊化思想則具有普適性，即根據(jù)艙板的幾何結(jié)構(gòu)特征及表面熱負荷的分布情況，對艙板進行模塊劃分。

目前，在環(huán)模試驗中對艙板的熱控方式主要為在艙板外表面貼加熱片的方式，通過改變流入加熱片的電流大小來控制加熱功率，本文僅研究在該加熱方式下的艙板溫度分布，未考慮不同加熱模式對艙板溫度分布的影響，在后續(xù)會對該內(nèi)容進行進一步研究。