高靈敏度光學(xué)探測模塊熱設(shè)計

金永偉,劉春龍

(1. 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林 長春 130033;2. 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

1 引言

空間光學(xué)遙感器近年來取得了快速的發(fā)展,目前已廣泛應(yīng)用于資源勘查、對地監(jiān)測以及國土測繪領(lǐng)域[1]?？臻g光學(xué)遙感技術(shù)的發(fā)展?fàn)縿又粋€國家科技實力、經(jīng)濟(jì)實力、國防實力的提升,對一個國家綜合實力的發(fā)展有著不可替代的重要意義[2]。 隨著空間光學(xué)遙感器的快速發(fā)展,同時,相應(yīng)配套設(shè)備的布局也越發(fā)緊湊,熱秏也越來越高,散熱問題更加突出,從而使得熱控設(shè)計難度不斷升高。針對這些問題,國內(nèi)外越來越多的研究學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)方面的研究。為滿足長焦距航拍相機(jī)的熱指標(biāo)要求,LiuWeiyi等分析了傳導(dǎo)、對流和輻射三種傳熱方式,并基于此分析進(jìn)行了該相機(jī)的主要光學(xué)系統(tǒng)組件設(shè)計,最后進(jìn)行熱平衡實驗,系統(tǒng)滿足相機(jī)的熱控指標(biāo)[3]。張翔等進(jìn)行多次分析、試驗提出了多層隔熱材料影響下在軌衛(wèi)星溫度場計算,為后期相關(guān)研究提供了技術(shù)支持[4]。Wang R J等著重研究了正溫度系數(shù)材料在可變環(huán)境溫度下具有更好的熱控制性能,研究了熱導(dǎo)率、熱容量和接觸熱阻對 PTC 材料熱控制的影響,豐富了相關(guān)的研究[5]。劉春龍等針對空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)內(nèi)部功耗大,散熱路徑復(fù)雜,工作時間長,工作姿態(tài)復(fù)雜多變的熱特點,對空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)熱控設(shè)計,并進(jìn)行了低溫工況和4種高溫工況下的熱分析,使得其在極端惡劣的工況下滿足了使用要求[6]。Lydzba D重點介紹等效各向同性微結(jié)構(gòu)的概念,該微結(jié)構(gòu)由在縱橫比上具有一定分布的隨機(jī)取向的扁球體形成,可產(chǎn)生與實際相同的有效熱導(dǎo)率[7]。Yifan Li等則提出了基于多級隔熱的分區(qū)控溫方法,通過強化隔熱措施、優(yōu)化遮光罩設(shè)計降低外熱流對相機(jī)溫度的影響,并通過主動熱控措施來提高相機(jī)的溫度穩(wěn)定性[8]。這些學(xué)者從不同的角度對空間遙感設(shè)備的熱控進(jìn)行了研究,為相關(guān)研究提供了技術(shù)方案和數(shù)據(jù)參考。

本文探討的探測模塊是一個大型空間光學(xué)遙感設(shè)備的核心模塊。探測模塊對空間分辨率和輻射分辨率要求極高,因此,對遙感器各光學(xué)元件溫度變化值和溫度梯度允差值的要求越來越苛刻。探測模塊的關(guān)鍵器件探頭,需要在低溫條件下工作,以減少熱噪聲的影響。該模塊選用杜瓦組件及壓縮機(jī)單元為探頭提供深冷環(huán)境,在制冷的過程中,杜瓦組件和壓縮機(jī)單元要不斷做功排出熱量,其發(fā)熱功率非常大,杜瓦組件工作時功率高達(dá)275W,壓縮機(jī)單元工作時功率高達(dá)125W。如果組件溫度過高,對設(shè)備的壽命、可靠性和制冷效果將產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。探測模塊安裝在艙內(nèi),艙內(nèi)溫度控制在-30℃～20℃之間,而探測模塊熱負(fù)荷較高(整個模塊工作時功率高達(dá)600W),工作溫度要求嚴(yán)格控制在40℃以內(nèi),因此給熱設(shè)計帶來巨大的困難,必須采取一種有效的熱設(shè)計方案來解決該技術(shù)難題。

本文以我國某探測模塊為研究對象,結(jié)合軌道熱環(huán)境和自身熱特性進(jìn)行熱控方案的設(shè)計與有限元仿真分析,研究本體框架與各組件在極端工況條件下對復(fù)雜熱環(huán)境的適應(yīng)能力。

2 探測模塊熱設(shè)計

2.1 熱環(huán)境條件

影響探測模塊工作環(huán)境條件包括空間環(huán)境和內(nèi)部熱源。探測模塊運行于低地球軌道,低地球軌道環(huán)境對熱控材料抵抗空間環(huán)境的能力提出了更高的要求。低軌空間環(huán)境主要包括原子氧、紫外輻射、電離層、高真空、微流星體、空間碎片、高低溫交變等,這些因素將對航天器材料造成嚴(yán)重的破壞。給熱控系統(tǒng)的空間環(huán)境適應(yīng)性帶來了很大的挑戰(zhàn)。其中原子氧是低軌空間環(huán)境最主要的影響因素,原子氧將對航天器表面材料產(chǎn)生嚴(yán)重的剝蝕和氧化作用,多年來,國內(nèi)外許多學(xué)者通過實驗和計算選擇Beta布作為多層隔熱組件的面膜[9]。

探測模塊屬艙內(nèi)設(shè)備,外表面面對艙體框架多層隔熱組件,艙體框架外表面為外用型阻燃布(Beta布),艙內(nèi)溫度范圍為-30℃～+20℃。如圖1所示。模塊內(nèi)部熱源分布:杜瓦單元275W,壓縮機(jī)單元125W,電箱1內(nèi)熱源61W,電箱2內(nèi)熱源94W,主動熱控37W,其它8W。

圖1 探測模塊外部環(huán)境示意圖

2.2 熱控指標(biāo)

根據(jù)工作需求,探測模塊在軌運行期間,各組件熱控指標(biāo)如表1所示。其中杜瓦單元擴(kuò)熱板安裝面平均溫度不高于10℃,壓縮機(jī)單元熱管安裝面平均溫度不高于20℃。

表1 探測模塊各組件熱控指標(biāo)

2.3 熱設(shè)計

2.3.1 探測模塊組成

探測模塊的主體結(jié)構(gòu)主要由主體框架、電箱1,電箱2,杜瓦及壓縮機(jī)單元組成,探測模塊結(jié)構(gòu)組成見圖2。

圖2 探測模塊組成簡圖

2.3.2 探測模塊的散熱路徑規(guī)劃

針對探測模塊大功耗的特點,確定探測模塊主要散熱方式采用熱管直接或間接將熱量流向散熱板,在通過接觸導(dǎo)熱傳向環(huán)路熱管蒸發(fā)器,最終散失到冷黑空間。探測模塊內(nèi)部各組件的散熱路徑如圖3所示,紅色箭頭方向為熱量從高溫部分向低溫部分散失的路徑。

圖3 探測模塊散熱路徑示意圖

2.3.3 探測模塊單元熱設(shè)計

根據(jù)探測模塊的大功率(工作時功率高達(dá)600W)特點、各組件的安裝位置以及模塊的指標(biāo)溫度范圍等因素,探測模塊總體上采取主動熱控(電加熱方式)與被動熱控(熱控涂層、隔熱和導(dǎo)熱材料)相結(jié)合的熱控手段進(jìn)行熱設(shè)計。整體設(shè)計使用了以下方法:

1)為避免探測模塊主體框架因溫度不均勻產(chǎn)生較大變形,從而影響整個模塊的整體性能,所以各個組件與主體框架采用隔熱設(shè)計,電箱1、電箱2、杜瓦、壓縮機(jī)單元以及模塊散熱板安裝時使用隔熱墊。

2)為了增強各區(qū)域之間的輻射換熱,提高溫度的均勻性,各部件的非安裝表面均采用黑色陽極氧化處理,保證表面發(fā)射率ε不低于0.85。

3)為了將探測模塊內(nèi)部杜瓦、壓縮機(jī)單元、電箱1、電箱2工作時產(chǎn)生的大量的熱量盡快散發(fā)出去,采用高效傳熱元件熱管進(jìn)行傳熱,同時,為了減少接觸熱阻,在熱管安裝面處填充導(dǎo)熱硅脂。

4)在需要控制溫差的區(qū)域(主體框架)內(nèi)設(shè)置加熱器回路進(jìn)行加熱。工作模式設(shè)計了5個加熱回路,采用高精度熱敏電阻控溫。存儲模式設(shè)置了一路主份,一路備份共兩路加熱回路,用溫度繼電器控溫。

5)探測模塊外部除蒸發(fā)器、入光口及安裝點之外其余部位均用15單元多層包覆,考慮到低地球軌道原子氧對航天器表面材料有嚴(yán)重的剝蝕和氧化作用,多層隔熱組件的外面膜采用防原子氧能力強的外用型阻燃布(Beta布)。

2.3.4 杜瓦單元及壓縮機(jī)單元熱設(shè)計

杜瓦單元工作功耗達(dá)275W,壓縮機(jī)單元工作功耗達(dá)125W,發(fā)熱量很大,散熱困難。所以在熱設(shè)計過程中杜瓦單元和壓縮機(jī)單元分別采用6根熱管和4根熱管將熱量直接導(dǎo)向散熱板。為了降低熱管安裝面的接觸熱阻,安裝時在熱管安裝面處涂導(dǎo)熱硅脂。同時,壓縮機(jī)單元溫度低于-10℃時不能正常啟動,所以探測模塊由存儲狀態(tài)轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)之前需要對壓縮機(jī)單元通過電加熱方式進(jìn)行預(yù)熱。

3 探測模塊熱分析

熱分析在熱控設(shè)計中占有非常重要的地位,大部分的熱控方案都需要通過熱分析得到驗證后才可轉(zhuǎn)入下步工作, 熱分析有著熱試驗無法比擬的高效、靈活和經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點。本文采用有限元仿真分析軟件對模塊進(jìn)行了熱分析。首先建立了熱分析的有限元模型,并根據(jù)材料的實際特性對模塊進(jìn)行賦值。接著在多種實際工況條件下(高溫工況1,高溫工況2,低溫工況1,低溫工況2以及存儲狀態(tài))進(jìn)行熱分析,切實對應(yīng)了探測模塊的實際工作工況。通過熱分析,得到了響應(yīng)的結(jié)果,并對結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析,從而驗證了探測器模塊熱設(shè)計的合理性。并且該仿真平臺已在多個熱設(shè)計項目中得到工程應(yīng)用,文獻(xiàn)[1-3] 通過有限元仿真分析結(jié)果與實驗結(jié)果對比分析,能夠確定仿真分析結(jié)果與試驗結(jié)果很相近,從而進(jìn)一步驗證了論文方法的科學(xué)合理性。

3.1 熱分析模型建立

為了驗證探測模塊熱設(shè)計的合理性,利用有限元熱分析軟件建立了熱分析的有限元模型,模型如圖4所示。模塊共手動劃分了9735個網(wǎng)格單元,一共建立了149個熱耦合。零件之間的熱耦合主要考慮界面的接觸熱阻,計算接觸熱阻的經(jīng)驗公式為

圖4 探測模塊有限元熱分析模型

(1)

式中,R為接觸面的接觸熱阻;K為接觸導(dǎo)熱系數(shù),接觸面之間為金屬干接觸時,接觸導(dǎo)熱系數(shù)K取500W/(m2·K),接觸面之間涂導(dǎo)熱硅脂時,接觸導(dǎo)熱系數(shù)K取1500W/(m2·K);A為接觸面積。

探測模塊杜瓦單元采用合金鋼,隔熱墊采用鈦合金,熱管為鋁氨材料,其余各組件均為路合金,探測模塊各組件的材料屬性如表2所示。

表2 探測模塊各組件材料主要參數(shù)

3.2 熱分析工況定義

根據(jù)光學(xué)設(shè)施的軌道特點、模塊的工作模式、熱控涂層性能以及各部件的溫度要求等影響因素,考慮各部件的高溫極限和低溫極限,分析計算中,選用高溫工況(邊界溫度取10℃和邊界溫度取20℃)、低溫工況(邊界溫度取-30℃和邊界溫度取-20℃)和存儲工況,共計5個工況(高溫2個、低溫2個、存儲狀態(tài)1個)進(jìn)行計算。各個工況參數(shù)設(shè)置如下所示。

高溫工況1:

1) 艙體多層表面溫度10℃,模塊蓋板溫度10℃;

2) 多層面膜壽命末期,性能參數(shù)αs/ε=0.30/0.84;

3) 蒸發(fā)器散熱接口溫度-15℃;

4) 所有組件均工作,總散熱功耗600W。

高溫工況2:

1) 艙體多層表面溫度20℃,模塊蓋板溫度20℃;

2) 多層面膜壽命末期,性能參數(shù)αs/ε=0.30/0.84;

3) 蒸發(fā)器散熱接口溫度-15℃;

4) 所有組件均工作,總散熱功耗600W。

低溫工況1:

1) 艙體多層表面溫度-30℃,模塊蓋板溫度-30℃;

2) 多層面膜壽命初期,性能參數(shù)αs/ε=0.22/0.84;

3) 蒸發(fā)器散熱接口溫度-15℃;

4) 所有組件均工作,總散熱功耗600W。

低溫工況2:

1) 艙體多層表面溫度-20℃,模塊蓋板溫度-20℃;

2) 多層面膜壽命初期,性能參數(shù)αs/ε=0.22/0.84;

3) 蒸發(fā)器散熱接口溫度-15℃;

4) 所有組件均工作,總散熱功耗600W。

存儲狀態(tài):

1) 艙體多層表面溫度-30℃,模塊蓋板溫度-30℃;

2) 蒸發(fā)器散熱接口斷開;

3) 所有組件不工作,僅主動加熱回路供電,總功耗25W。

3.3 熱分析結(jié)果

根據(jù)定義的熱工況進(jìn)行瞬態(tài)熱分析,分析結(jié)果如下所示。

高溫工況1(10℃)分析結(jié)果:電箱1平均溫度為5.75℃,壓縮機(jī)單元平均溫度為5.44℃,杜瓦平均溫度為6.24℃,電箱2平均溫度為2.35℃。所有組件均滿足熱控指標(biāo)要求,溫度范圍如圖5所示。

圖5 高溫工況1模塊各組件溫度曲線圖

高溫工況2(20℃)分析結(jié)果:電箱1平均溫度為5.80℃,壓縮機(jī)單元平均溫度為5.46℃,杜瓦平均溫度為6.50℃,電箱2平均溫度為2.37℃。所有組件均滿足熱控指標(biāo)要求,溫度范圍如圖6所示。

圖6 高溫工況2模塊各組件溫度曲線圖

低溫工況1(-30℃)分析結(jié)果:電箱1平均溫度為5.53℃,壓縮機(jī)單元平均溫度為5.39℃,杜瓦平均溫度為5.37℃,電箱2平均溫度為2.27℃。所有組件均滿足熱控指標(biāo)要求,溫度范圍如圖7所示。

圖7 低溫工況1模塊各組件溫度曲線圖

低溫工況2(-20℃)分析結(jié)果:電箱1平均溫度為5.57℃,壓縮機(jī)單元平均溫度為5.39℃,杜瓦平均溫度為5.54℃,電箱2平均溫度為2.28℃。所有組件均滿足熱控指標(biāo)要求,溫度范圍如圖8所示。

圖8 低溫工況2模塊各組件溫度曲線圖

存儲狀態(tài)分析結(jié)果:電箱1平均溫度為-14.7℃,壓縮機(jī)單元平均溫度為-15.2℃,杜瓦平均溫度為-14.9℃,電箱2平均溫度為-15.2℃。所有組件均滿足熱控指標(biāo)要求,溫度范圍如圖9所示。

圖9 存儲狀態(tài)模塊各組件溫度曲線圖

由圖5～圖9有限元仿真分析結(jié)果可知在-30℃～20℃范圍之內(nèi)各組件溫度均能滿足熱控指標(biāo)要求,因此能夠證明探測模塊的熱設(shè)計是合理可行的。

4 結(jié)論

本文針對探測模塊熱控需求,首先對探測模塊所處的空間環(huán)境及內(nèi)熱源進(jìn)行了分析,然后確定了探測模塊的傳熱路徑,并采用了主動熱控和被動熱控相結(jié)合的熱設(shè)計方法,最后通過有限元仿真分析得出探測模塊各組件在環(huán)境溫度為-30℃～20℃的范圍內(nèi)的溫分布。分析結(jié)果表明本文所提出的探測模塊熱設(shè)計能夠較好的控制模塊的工作溫度,從而驗證了熱設(shè)計的合理性?？蔀榻窈蟠蠊β誓K熱設(shè)計提供參考。