空間光學(xué)相機(jī)焦面拼接基座高溫度穩(wěn)定性控制

郭楠 于波 夏晨暉 于志 常君磊

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

0 引言

空間光學(xué)相機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是大視場(chǎng)高分辨率，其焦面長(zhǎng)度也越來(lái)越大，需使用機(jī)械拼接、光學(xué)拼接等方式將多片CCD拼接形成等效的大尺寸焦平面[1-4]。拼接基座作為焦面組件中CCD及拼接反射鏡的支撐結(jié)構(gòu)，其在軌溫度變化產(chǎn)生的熱變形是引起CCD位置精度變化、導(dǎo)致成像品質(zhì)下降的主要因素之一。

因鈦合金剛度高、質(zhì)量輕、易加工及成本低，且線漲系數(shù)與拼接反射鏡的線脹系數(shù)相匹配，拼接基座一般采用鈦合金材料[5-6]。拼接基座熱邊界條件復(fù)雜，安裝于其上的 CCD、焦面電路等多個(gè)熱源會(huì)根據(jù)工作任務(wù)不定期開(kāi)機(jī)成像，開(kāi)機(jī)期間熱源的溫度變化會(huì)對(duì)拼接基座產(chǎn)生較大的熱擾動(dòng)，由于鈦合金材料導(dǎo)熱性差易產(chǎn)生熱量集中，如不采取有效控溫措施，拼接基座將產(chǎn)生較大的溫度波動(dòng)及熱變形，進(jìn)而使 CCD的位置發(fā)生變化，因此對(duì)拼接基座溫度穩(wěn)定性的要求也越來(lái)越高。目前關(guān)于光學(xué)相機(jī)焦面組件熱設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)主要是針對(duì)CCD組件的散熱設(shè)計(jì)[7-20]，對(duì)拼接基座的高溫度穩(wěn)定性控制介紹的很少。

本文以某高分辨率空間光學(xué)相機(jī)焦面拼接基座為例，提出了一種精細(xì)化控溫回路設(shè)計(jì)方法：首先基于商業(yè)熱分析軟件IDEAS-TMG優(yōu)化控溫回路的控溫閾值、控溫點(diǎn)位置、局部加熱熱流分布，得到精細(xì)化控溫回路初步設(shè)計(jì)結(jié)果；然后在熱平衡試驗(yàn)中通過(guò)設(shè)定好的策略調(diào)整各回路的控溫閾值，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控溫與間歇性熱源工作相匹配；最后分別給出仿真分析與熱平衡試驗(yàn)的結(jié)果。

1 拼接基座

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及控溫要求

某高分辨率空間光學(xué)相機(jī)運(yùn)行于軌道高度 628km、降交點(diǎn)地方時(shí) 10:30AM 的太陽(yáng)同步軌道。根據(jù)視場(chǎng)要求和探測(cè)器參數(shù)計(jì)算，該相機(jī)需將4片CCD拼接使用，拼接形式為反射式拼接，即在反射區(qū)對(duì)應(yīng)位置安裝2塊拼接反射鏡。4片CCD及焦面電路共同安裝于拼接基座外部，2塊拼接反射鏡安裝于拼接基座內(nèi)部，拼接基座固定安裝于相機(jī)主結(jié)構(gòu)框，圖1為焦面組件結(jié)構(gòu)示意。表1為焦面組件熱源功耗，表2為焦面組件的控溫指標(biāo)要求，拼接基座的溫度穩(wěn)定性指標(biāo)要求很高，是熱設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

圖1 焦面組件結(jié)構(gòu)示意Fig.1 The focal plane assembly structure

表1 焦面組件熱源功耗Tab.1 Power of the focal plane assembly

表2 焦面組件控溫要求Tab.2 Temperature control indicators of the focal plane assembly

1.2 總體控溫設(shè)計(jì)

進(jìn)行控溫設(shè)計(jì)的基本原則是：在滿足控溫指標(biāo)要求的前提下力求簡(jiǎn)單、可靠，一般以被動(dòng)控溫設(shè)計(jì)為主、主動(dòng)控溫設(shè)計(jì)為輔。

拼接基座的溫度水平及穩(wěn)定性取決于周圍環(huán)境及控溫措施。周圍環(huán)境主要指與拼接基座有安裝接口的CCD、焦面電路及主結(jié)構(gòu)框等，焦面組件的傳熱路徑如圖2所示。CCD、焦面電路均為周期性工作的熱源，需設(shè)計(jì)合理有效的散熱通道排散熱量并盡可能減小散熱通道的熱阻[21]。根據(jù)外熱流分析結(jié)果，在外熱流小且較穩(wěn)定的+Y面（整星坐標(biāo)系為：+X軸為衛(wèi)星飛行方向，+Z軸指向地心，+Y軸與+X軸和+Z軸形成右手坐標(biāo)系）分別設(shè)置CCD及焦面電路的散熱面，使用微型熱管及大熱管將CCD及焦面電路工作產(chǎn)生的廢熱分別排散至散熱面，同時(shí)在 CCD微型熱管及焦面電路盒布置控溫回路保證其不工作時(shí)的溫度水平。通過(guò)增大拼接基座與CCD、焦面電路間的傳熱熱阻進(jìn)一步降低焦面熱源對(duì)拼接基座的影響，傳熱熱阻包含輻射熱阻及導(dǎo)熱熱阻，采用在拼接基座外側(cè)包覆多層隔熱組件的措施增大輻射熱阻，采用拼接基座與 CCD間安裝鈦墊片、拼接基座與焦面電路間安裝鈦墊塊及玻璃鋼墊片的措施增大導(dǎo)熱熱阻。拼接基座通過(guò)鈦墊片隔熱安裝于主結(jié)構(gòu)框，主結(jié)構(gòu)框無(wú)內(nèi)熱源且有主動(dòng)、被動(dòng)控溫措施保證其溫度水平，與焦面熱源相比，主結(jié)構(gòu)框?qū)ζ唇踊鶞囟确€(wěn)定性的影響可忽略。

圖2 焦面組件傳熱路徑Fig.2 The heat transfer path of the focal plane assembly

被動(dòng)控溫措施建立起一級(jí)控溫保障，是溫度穩(wěn)定性控制的基礎(chǔ)與前提，需在此基礎(chǔ)上施加主動(dòng)控溫措施進(jìn)一步抑制溫度波動(dòng)[22]。根據(jù)常規(guī)控溫回路設(shè)計(jì)方法，同一部件各控溫回路一般設(shè)置相同的控溫閾值且同一控溫回路各處的加熱功率密度一致。按照常規(guī)設(shè)計(jì)方法在拼接基座布置5個(gè)回路，分別設(shè)置控溫閾值（13.0±0.2）℃、（16.5±0.2）℃進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如圖 3所示。圖中橫坐標(biāo)起始點(diǎn)為軌道的升交點(diǎn)，開(kāi)機(jī)時(shí)間為每軌46～58min，時(shí)間為2個(gè)衛(wèi)星運(yùn)行周期。設(shè)置低控溫閾值（13.0±0.2）℃時(shí)，各控溫回路占空比較小，對(duì)外界熱擾動(dòng)的抑制作用不明顯。熱源開(kāi)機(jī)期間，拼接基座各處溫度均呈上升趨勢(shì)，焦面熱源安裝點(diǎn)溫升均超標(biāo)，最大溫升值達(dá) 1.14℃?？販亻撝堤岣咧粒?6.5±0.2）℃時(shí)，雖開(kāi)機(jī)期間焦面熱源安裝點(diǎn)溫升有所降低，但焦面電路邊緣安裝點(diǎn)溫升值為0.79℃仍超標(biāo)，同時(shí)回路3某處距離熱源安裝點(diǎn)較遠(yuǎn)的位置溫降值達(dá)0.77℃，即同時(shí)存在溫度上升及下降超標(biāo)的情況。

拼接基座溫度邊界復(fù)雜，其與CCD及焦面電路各有16個(gè)安裝點(diǎn)，且各安裝點(diǎn)導(dǎo)熱熱阻存在差異，另外拼接基座各處與熱源安裝點(diǎn)距離各異，這些因素使得拼接基座各處受熱源影響程度差異較大，反映為溫度水平和穩(wěn)定性的差異性。采用常規(guī)控溫回路設(shè)計(jì)方法無(wú)法使拼接基座滿足溫度穩(wěn)定性指標(biāo)要求，為解決此問(wèn)題，本文提出了一種精細(xì)化控溫回路設(shè)計(jì)方法。

圖3 采用常規(guī)主動(dòng)控溫措施后拼接基座溫度曲線Fig.3 Temperature change curves of the assembly base with traditional active temperature control

2 精細(xì)化控溫回路設(shè)計(jì)方法

為理解拼接基座溫度穩(wěn)定性的影響因素，式（1）給出了拼接基座任意節(jié)點(diǎn)的熱平衡方程

式中ci、mi分別表示節(jié)點(diǎn)i的比熱容、質(zhì)量；Ti為節(jié)點(diǎn)i的熱力學(xué)溫度；Tj為與節(jié)點(diǎn)i存在換熱的節(jié)點(diǎn)j的熱力學(xué)溫度；Eij表示節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的輻射換熱系數(shù)；Dij表示節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的熱傳導(dǎo)系數(shù)；Qi表示節(jié)點(diǎn)i的外部熱源；Pi為節(jié)點(diǎn)i的主動(dòng)控溫功率。

進(jìn)行高穩(wěn)定性控溫，需采用主動(dòng)控溫措施使得節(jié)點(diǎn)i的溫度變化盡可能小，根據(jù)式（1），節(jié)點(diǎn)i與外界的換熱量包括與周圍節(jié)點(diǎn)的輻射換熱、熱傳導(dǎo)以及與外部熱源的換熱，如施加在節(jié)點(diǎn)i的主動(dòng)控溫功率與節(jié)點(diǎn)i向外界的傳熱量相等，則有dTi/dt=0，可使節(jié)點(diǎn)i溫度保持穩(wěn)定。不考慮測(cè)控溫系統(tǒng)精度，理論上，通過(guò)對(duì)各回路分別設(shè)置合適的控溫閾值，可使用的控溫回路數(shù)量越多、回路劃分越精細(xì)時(shí)，可達(dá)到的控溫精度也越高，但工程實(shí)際中控溫回路數(shù)量有限，不能通過(guò)無(wú)限劃分回路的方式達(dá)到理想的控溫效果。

為了在控溫回路數(shù)量有限的情況下達(dá)到盡可能精確的控溫效果，采用精細(xì)化控溫回路設(shè)計(jì)，即根據(jù)熱源擾動(dòng)影響程度的不同，在同一結(jié)構(gòu)件的各控溫回路設(shè)置不同的控溫閾值，并且在同一控溫回路的不同位置設(shè)置不同的加熱功率密度，該設(shè)計(jì)方法從控溫閾值及加熱功率來(lái)看均具有分布性質(zhì)。圖4為進(jìn)行精細(xì)化控溫回路設(shè)計(jì)的流程圖，其中ΔiT為熱源開(kāi)機(jī)期間節(jié)點(diǎn)i的溫度變化，T0為滿足溫度穩(wěn)定性的最大溫度變化量。

拼接基座精細(xì)化控溫回路設(shè)計(jì)是一個(gè)迭代優(yōu)化的過(guò)程，詳細(xì)步驟如下：

首先，不施加主動(dòng)控溫措施，仿真計(jì)算拼接基座各節(jié)點(diǎn)對(duì)熱源擾動(dòng)的響應(yīng)程度，即開(kāi)機(jī)期間的溫度變化情況。根據(jù)拼接基座可用的回路數(shù)b及實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，依據(jù)仿真結(jié)果初步設(shè)置控溫回路，將加熱片布置在受熱源影響較明顯的區(qū)域，控溫點(diǎn)緊靠熱源安裝點(diǎn)布置，使熱源開(kāi)機(jī)期間的熱擾動(dòng)能及時(shí)傳遞到控溫點(diǎn)，并對(duì)各回路設(shè)置初始控溫閾值。

圖4 精細(xì)化控溫回路設(shè)計(jì)流程Fig.4 The flow diagram of the refined temperature control loop design

其次，計(jì)算施加主動(dòng)控溫措施后熱源開(kāi)機(jī)期間拼接基座各處的溫度變化情況，并根據(jù)仿真結(jié)果調(diào)整控溫回路設(shè)置。一般情況下，開(kāi)機(jī)期間控溫點(diǎn)溫度上升使回路占空比減小，減少的控溫功率可削減熱源擾動(dòng)的影響?？販亻撝翟O(shè)置越高，所施加的控溫功率越大，可用于削減熱源擾動(dòng)影響的功率也越大，抑制溫度上升的能力也就越強(qiáng)，理想情況是控溫點(diǎn)溫度在開(kāi)機(jī)期間保持穩(wěn)定，但不利的是，開(kāi)機(jī)期間控溫功率大幅減少會(huì)使控溫回路布置區(qū)域距熱源安裝點(diǎn)較遠(yuǎn)，故而受熱源影響較小的位置出現(xiàn)溫度下降的情況，下降值甚至?xí)鲋笜?biāo)要求。根據(jù)仿真結(jié)果，如拼接基座各節(jié)點(diǎn)溫度穩(wěn)定性均滿足則仿真設(shè)計(jì)結(jié)束，如不滿足，需對(duì)各回路依次分析?；芈穉控制區(qū)域不滿足溫度穩(wěn)定性要求時(shí)，會(huì)出現(xiàn)下列3種情況之一，對(duì)各情況的說(shuō)明及調(diào)整措施如下：

1）受熱源影響較大的位置溫升超標(biāo)，即 ΔTi＞T0，其余位置溫度變化滿足要求，說(shuō)明此時(shí)控溫閾值設(shè)置偏低，回路占空比偏小，開(kāi)機(jī)期間控溫功率的減小量無(wú)法有效抑制熱源擾動(dòng)的影響，需上調(diào)該回路控溫閾值。

2）受熱源影響較小的位置溫降超標(biāo)，即 ΔTi＜-T0，其余位置溫度變化滿足要求，說(shuō)明此時(shí)控溫閾值設(shè)置偏高，回路占空比偏大，對(duì)于受熱源影響小的位置來(lái)說(shuō)，開(kāi)機(jī)期間控溫功率的減小量過(guò)大，需下調(diào)該回路控溫閾值。

3）受熱源影響較大的位置溫升超標(biāo)，同時(shí)受熱源影響較小的位置溫降超標(biāo)，即同時(shí)出現(xiàn) ΔTi＞T0及ΔTi＜-T0的情況，此時(shí)需對(duì)該回路進(jìn)行非均勻加熱功率密度設(shè)計(jì)，視溫度變化情況將該回路布置區(qū)域劃分為使用相同控溫點(diǎn)及控溫閾值的多個(gè)子區(qū)域，增大溫升超標(biāo)子區(qū)域的加熱功率密度，減小溫降超標(biāo)子區(qū)域的加熱功率密度。

最后，根據(jù)仿真結(jié)果設(shè)計(jì)控溫回路并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，由于仿真模型中設(shè)置的焦面熱源散熱路徑熱阻、拼接基座與焦面熱源傳熱熱阻、焦面熱源真實(shí)功耗等均與實(shí)際值存在偏差，故將仿真得到的控溫閾值作為初始值，在試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)一步調(diào)整，調(diào)整策略與上述仿真設(shè)計(jì)時(shí)相同。根據(jù)焦面特點(diǎn)、要求等確定最大調(diào)整次數(shù)n，如調(diào)整次數(shù)k等于n時(shí)，仍無(wú)法使拼接基座溫度穩(wěn)定性滿足指標(biāo)要求，則結(jié)束調(diào)整，之后根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正熱仿真模型以提高模型精度[23]，重新進(jìn)行精細(xì)化控溫回路仿真設(shè)計(jì)及試驗(yàn)調(diào)整，直至試驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足指標(biāo)要求。

3 仿真設(shè)計(jì)

空間光學(xué)相機(jī)焦面組件的熱分析模型如圖5所示，熱網(wǎng)格劃分遵循的原則是在熱等效與幾何等效的前提下進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，拼接基座的網(wǎng)格尺度與焦面熱源安裝點(diǎn)尺寸基本一致，以正確反映熱量的傳遞路徑。

根據(jù)加熱片加工工藝，加熱片面積A、回路電壓U、阻值R及功率P需滿足的約束條件為：A≥2.5cm2，阻值密度（R/A）≤50Ω/cm2，功率密度（P/A）=U2/(RA)≤1W/cm2。由阻值密度及功率密度的約束條件可得

該相機(jī)所用控溫儀提供的回路電壓為：U=28V，代入式（2）得：A＞3.9cm2，即單個(gè)回路的面積需大于3.9cm2，同時(shí)由加熱片面積約束條件，單片加熱片最小面積為2.5cm2，這些是控溫回路設(shè)計(jì)需同時(shí)滿足的條件。拼接基座共設(shè)置5個(gè)回路，由于2個(gè)焦面熱源安裝面的外側(cè)表面可粘貼加熱片的位置非常有限，如圖6所示，將控溫回路1、3布置在焦面熱源安裝面內(nèi)側(cè)表面，回路5布置在焦面熱源安裝面外側(cè)表面，回路2、4布置在拼接基座其余3個(gè)外側(cè)表面，各回路均采用串聯(lián)形式。各控溫回路詳細(xì)設(shè)計(jì)信息見(jiàn)表3，布置在焦面熱源安裝面的控溫回路1、3、5采用非均勻加熱功率密度設(shè)計(jì)，且控溫點(diǎn)均緊靠焦面電路安裝點(diǎn)布置，各控溫回路面積及各加熱片面積均滿足要求。

圖5 焦面組件熱分析模型Fig.5 The thermal analysis model of the focal plane assembly

圖7為基于精細(xì)化控溫回路設(shè)計(jì)的2個(gè)衛(wèi)星運(yùn)行周期拼接基座溫度變化的仿真曲線，開(kāi)機(jī)期間最大溫升值為0.53℃，位于焦面電路邊緣安裝點(diǎn)，最大溫降值為0.42℃，位于控溫回路1某處距離熱源安裝點(diǎn)較遠(yuǎn)的位置。與常規(guī)控溫回路設(shè)計(jì)方法的仿真結(jié)果相比，開(kāi)機(jī)期間拼接基座溫度變化從-0.77 ℃ ～ +0.79℃減小到-0.42 ℃ ～ +0.53℃，滿足溫度穩(wěn)定性指標(biāo)要求。

圖6 拼接基座控溫回路布置Fig.6 The temperature control loop configuration of the assembly base

表3 拼接基座控溫回路設(shè)計(jì)Tab.3 Temperature control loop design of the assembly base

圖7 采用精細(xì)化控溫回路設(shè)計(jì)后拼接基座溫度曲線Fig.7 Temperature change curves of the assembly base with the refined temperature control loop design

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

拼接基座的控溫回路實(shí)施按照?qǐng)D6及表3進(jìn)行，并對(duì)影響到光路的加熱片進(jìn)行噴黑漆處理，圖8為實(shí)施后的照片。

圖8 拼接基座控溫回路實(shí)施Fig.8 Implementation of the assembly base’s temperature control loop

拼接基座作為相機(jī)焦面組件的重要組成部分參加了整機(jī)熱平衡試驗(yàn)。CCD及焦面電路散熱面的外熱流采用吸收熱流法，通過(guò)粘貼在散熱面內(nèi)側(cè)的加熱片模擬，每軌外熱流分18個(gè)臺(tái)階施加，其中光照區(qū)分為17個(gè)臺(tái)階，陰影區(qū)1個(gè)臺(tái)階。試驗(yàn)在空間環(huán)境模擬器內(nèi)進(jìn)行，模擬器內(nèi)部壓力不高于1.3×10-3Pa，熱沉表面溫度不高于 100K，熱沉朝向相機(jī)主體表面的半球向發(fā)射率不小于 0.90。控溫儀采用開(kāi)關(guān)加比例的控制算法，即當(dāng)溫度值超過(guò)控溫閾值時(shí)，采用開(kāi)關(guān)控制，若溫度值處于控溫閾值內(nèi)則采用比例控制，控溫周期為（10±1）s。

溫度數(shù)據(jù)來(lái)源為MF61型熱敏電阻以及T型熱電偶。將表 3確定的控溫閾值作為試驗(yàn)的初始值，閾值調(diào)整過(guò)程見(jiàn)表4。經(jīng)過(guò)2次調(diào)整后，2個(gè)衛(wèi)星運(yùn)行周期的拼接基座溫度變化曲線如圖 9所示，開(kāi)機(jī)期間溫升最大值為 0.59℃，位于焦面電路安裝點(diǎn)，溫降最大值為0.57℃，位于控溫回路1某處距離熱源安裝點(diǎn)較遠(yuǎn)的位置，此時(shí)溫度穩(wěn)定性要求已滿足，故將第 2次調(diào)整后的閾值作為最終閾值。拼接基座各控溫回路并非完全獨(dú)立，相鄰的回路會(huì)互相影響，雖然每次調(diào)整閾值只涉及部分回路，在下一周期仍需觀察所有測(cè)點(diǎn)的溫度穩(wěn)定性，并及時(shí)作出相應(yīng)調(diào)整。熱試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了熱仿真模型的可靠性以及該精細(xì)化控溫回路設(shè)計(jì)方法的正確性。

表4 控溫閾值調(diào)整過(guò)程數(shù)據(jù)Tab.4 Temperature control threshold adjustment process data

圖9 熱平衡試驗(yàn)拼接基座溫度曲線Fig.9 Test temperature change curves of the assembly base

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)某空間光學(xué)相機(jī)焦面拼接基座高溫度穩(wěn)定性的控溫難題，提出了一種精細(xì)化控溫回路設(shè)計(jì)方法，通過(guò)優(yōu)化回路控溫閾值、控溫點(diǎn)布置位置以及同一回路各子區(qū)域加熱功率密度實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)控溫措施與熱源工作的匹配，有效提高了拼接基座在焦面熱源開(kāi)機(jī)期間的溫度穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果顯示，拼接基座各處在開(kāi)機(jī)期間的溫度變化均小于 0.6℃，滿足溫度穩(wěn)定性指標(biāo)要求，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的合理性與正確性。本文提出的精細(xì)化控溫回路設(shè)計(jì)方法可為具有復(fù)雜熱邊界且有高溫度穩(wěn)定性要求的空間光學(xué)相機(jī)部組件熱設(shè)計(jì)提供參考。