地球静止轨道红外相机热控设计及验证

随着相机分辨率的提升,相机光机主体温度水平及温度稳定性要求随之提高,且红外相机需要将探测器制冷到较低温度。工作于地球静止轨道的红外相机所处空间热环境复杂,相机光学系统会长时间受到太阳照射,且无长期背阴面,为相机的热控设计带来了很大的挑战。结合地球静止轨道空间热环境特点以及相机成像需求,采用遮光罩&热门的方式有效屏蔽外部热流的影响,将主光学系统温度控制在（20±3） ℃以内,为相机每天成像时间不少于20 h提供了温度保障;采用高效隔热技术以及高效热量排散技术将探测器控制在80 K以下,满足成像模式探测器温度需求。地面试验以及在轨飞行数据表明,相机的热控设计合理可行,为后续高轨红外相机的高精度控温提供了有力支撑。     

某空间气体监测仪热设计及试验验证

某空间气体监测仪结构布局紧凑,在较小尺寸空间内交错布置有8个镜头组件、11台电子设备内热源和2个电机。内热源数量众多,工作时间长,与镜头控温要求差别大,且1个电机为二维转动热源,这些特点给热设计带来挑战。为有效解决热控难题,采用了多种设计思路组合。基于热管理思路对监测仪各部组件热行为进行系统管理,以节省热控资源;基于间接热控思路对所处热环境复杂的光学镜头组件进行控温,提高其控温精度和温度稳定度;对转动电机则进行辐射冷却,避免在传热路径中引入挠性转动环节,以提高热控系统可靠性;并基于结构热控一体化设计,在结构上充分保证热设计各项需求。热平衡试验结果表明:高低温工况下,监测仪各部组件温度均满足指标要求,且整个寿命周期内,光学镜头温度稳定度较高,同一工况下光学镜头最大温度波动在1℃以内,实现了多热源复杂工作机制下光学镜头的高精度精密热控。     

机械制冷机冷却的透射式光学系统支撑结构

低温光学能够降低红外光学系统自身热噪声,有效提高探测灵敏度。支撑结构是实现光学系统在低温下正常工作的关键部件。设计的透射式低温光学系统工作温度为150 K,采用脉冲管制冷机这种新型机械式低温制冷机做冷源。因制冷机冷指直径较小,直接冷却光学透镜会在透镜内部产生较大温差,影响成像质量,为此设计了一种新型支撑结构,一方面设计了新型的轴向支撑和径向支撑用来减少透镜在低温下的形变,另一方面建立了透镜与脉冲管制冷机之间的传热模型,来指导支撑结构热设计,减小透镜内部温差。最后,对透镜支撑的低温性能进行了测试,实验结果表明,经过3 h,透镜温度由300 K降至150 K,支撑结构很好地保护了透镜并且在降温过程中透镜内部温差小于1 K。当温度从300 K降低到150 K时,光学表面的最大变形小于1（1=632.8 nm）。支撑结构从机械和热学性能上满足了低温光学系统的需要,为机械式制冷机冷却光学系统的光机结构设计提供了一种新选择。     

某低轨倾斜轨道相机热控系统设计与验证

某新型对地观测空间相机已随新技术试验星成功发射入轨。相机运行于低轨倾斜圆轨道为非太阳同步轨道,其面临的空间外热流变化非常复杂。为了保证相机在轨稳定工作,光学系统和承力结构需要具有较高的温度稳定性,低温红外探测器需要配备大功率制冷机。复杂的外热流环境和高稳定度的指标要求给热控系统的设计研制带来了极大的挑战。根据任务特点和需求,对热控研制任务展开了分析,提出了借助卫星平台姿态规避,间接辐射控温以及±X侧耦合散热面等热控措施。热平衡试验与在轨飞行实测数据表明,相机光学系统的温度水平保持在（18±2） ℃范围内,稳定度优于±0.3 ℃/轨,满足相机各项温度指标,证明相机热控设计方案合理可行,相机在轨工作条件良好。     

空间红外大口径折射式低温镜头设计与验证

针对目标探测类空间红外相机大范围成像、高灵敏度探测、高精度定位等应用需求,文中提出采用像方远心光路和低温光学技术结合的解决方案,设计了物方视场角8°×8°、入瞳口径265 mm、工作温度200 K的像方远心折射式光学系统。镜头最大口径280 mm,采用多级分散的弹性支撑设计,解决大口径低温透镜装框、透镜组件支撑和镜头整体安装各环节的热应力卸载问题。在保证高刚度和低漏热的情况下,使低温下透镜的热应力对镜头能量集中度的影响降低到可接受范围内。镜头完成装调及室温下像质确认后,进行了力学振动试验,并将其制冷到200 K水平测试像质,测试结果表明,镜头能量集中度达到轴上75%,边缘视场72%。     

空间相机遮光罩的低功耗热设计

空间相机遮光罩的温度波动直接影响附近光学元件的温度波动,而光学元件的热变形将导致光学成像质量的下降。针对一种高分辨率空间相机的遮光罩,提出了几种不同的热控方案并进行了比对分析。首先,介绍了空间相机遮光罩的一般热控措施及效果并分析了影响空间相机遮光罩温度波动的外热流及传导热阻;然后通过仿真分析得到了三种不同热控方案下的温度数据及主动加热功耗数据,经过比对分析后选用了主动加热功耗少、温度波动范围小的热设计方案。最后,通过热平衡试验及在轨数据验证了选用方案的有效性。空间相机遮光罩的在轨温度范围为4.8~9.2℃,次镜温度范围为17.8~17.9℃,与仿真分析结果一致性良好,热设计合理有效,满足任务需求。     

地球同步轨道大型空间相机主动热控系统设计

大动态、高精度主动热控技术是高轨大型空间相机高性能、长寿命运行的核心关键。空间相机主动热控系统既要满足高精度测控温要求,又要实现小型化、集成化以降低资源和功耗需求。然而,传统以中央处理器（CPU）和数字信号处理器（DSP）为控制单元的架构难以满足高集成化的设计需要,且热控功率较大,需进行功率管理以满足整星能源要求。针对以上问题,面向地球同步轨道大型空间相机大动态、高精度的测控温需求,设计了以现场可编程门阵列（FPGA）为核心控制单元的主动热控系统,利用FPGA的高速并行处理能力和丰富接口资源,实现复杂空间相机高集成度高精度主动热控。设计了热控功率错峰功能,对加热片采用分时控制,动态实时检测热控功率,在保障相机关键部件控温精度的前提下,将热控功率限定在功率设定值。该系统已应用于地球同步轨道大型空间相机,对相机108路加热、138路测温和2个星上黑体进行高精度测控温,通过地面和在轨测试验证了主动热控系统设计的合理性和正确性。     

基于温度水平的空间相机主动热控系统

为了让空间相机在适合的温度条件下工作,提出一种基于温度水平的主动热控系统。首先,分析相机达到温度平衡的条件,确定主动热控策略;其次,介绍热控系统的构成及工作原理;然后,将相机图像质量无本质影响作为条件,确定主动热控策略中的各项控温指标;最后,确定温度控制算法。相机在轨工作的实验结果表明:依据主动热控策略,系统能够控制相机温度达到平衡,主镜组件与基准温度的温差不大于1℃,主镜组件的周向温差不大于1℃,主镜与次镜组件的温差不大于2℃,主镜与三镜组件的温差不大于5℃,温度控制结果满足主动热控策略中的各项控温指标要求,满足相机工作时对温度的要求。     

小型高分辨率空间相机光学系统低误差敏感度设计

系统性地采取严格控制光学元件加工装配精度、采用大质量高稳定性光机结构、运用精密热控等方法,是以往保证空间相机光学系统高性能成像质量的常规方法,但同时该策略的实施也给相机研制带来了较高的经济与资源代价。面对高性能空间光学相机低成本化的发展趋势,降低光学系统误差敏感度,在保证成像性能的同时降低实现成本,是需要面对与解决的课题。以某小型空间相机研制为背景,应用光学系统低误差敏感度设计方法（降敏设计方法）,对相机焦距500 mm、相对孔径1∶5、视场角2ω=4°的同轴两镜折反射式光学系统进行了降敏设计。结果表明,基于降敏设计方法获得的光学系统不仅像差校正理论结果表现优异,调制传递函数接近衍射极限,同时,仿真显示其在误差干扰下光学系统鲁棒性好,为相机的快速低成本制造提供了保证。光学系统降敏设计方法对高性能小型空间载荷的设计与低成本快速研制具有重要的应用价值。     

一种基于空间光机热模型的自适应PID控制方法

为提高空间相机的控温稳定度以保证成像质量,本文提出一种基于空间光机热模型的自适应比例积分微分（proportional-integral-derivative, PID）控制方法。该控制器的设计从空间光机的热平衡方程出发,能够实时根据光机及与其辐射换热对象的温度修正光机的热模型,继而采用极点配置的方法实时校正PID控制器参数,最终确定本控温周期的加热占空比。本文通过建立抽象的空间光机热模型,分别施加上述自适应PID控制方法与固定参数PID控制方法,对控温效果进行了仿真及实验对比。结果表明,对环境扰动引起的温度波动,该自适应PID控制器始终保持最佳动态响应,控温稳定度优于± 0.1 K,具有更好的控温稳定性和环境适应性。     

一种透射式低温光学系统的设计与验证

由于能够减小系统自身的热噪声和提高系统信噪比,低温光学是实现高灵敏度红外探测的必要手段。提出了一种将脉冲管制冷机用作冷源的透射式低温光学系统。这种新型低温光学系统可用于体积和重量受限而又需要进行高灵敏度红外探测的场合。从光学设计、光机结构设计和内部热噪声分析等方面说明了透射式低温光学系统的设计过程。搭建了用于对脉冲管制冷机冷却光学系统的可行性进行验证的试验系统,并从系统内部热噪声的角度对低温光学的有效性进行了验证。实验结果表明,经过3 h,透镜温度由300 K降至设计温度150 K,继续降温则可达到最低温度105 K。测试过程中,透镜保持完好,验证了将脉冲管制冷机用作冷源的可行性。用黑体和320×256元碲镉汞探测器对光学系统自身的热噪声进行了测试。结果表明,当光学系统的温度从300 K降至215 K时,其自身热辐射减少了75%。这与理论分析结果一致,验证了低温光学降噪的有效性。     

低温红外镜头设计仿真方法及试验验证

在低温环境下镜头结构会产生热变形,对镜头光学传递函数（MTF）及离焦量均会产生影响,从而影响光学成像质量。在此基于某红外遥感器,针对210 K低温工作环境,设计了一套具备热卸载功能的透射式低温镜头。对其建立有限元模型,并加载模拟在轨工作环境温度场,得到热变形数据,最终计算出镜头MTF及离焦量变化,并通过该仿真分析手段对低温镜头结构进行优化设计。低温镜头装调完成后,将低温镜头及其他配合测试设备置于真空罐内,在常温与低温环境条件下,对光学系统MTF及最佳焦面位置进行测试标定。测试结果表明,各项偏差在可接受范围之内,MTF仅变化0.2%,说明使用的低温镜头多场耦合仿真方法是可靠的,能够对红外遥感器低温镜头设计进行指导。     

双基高比立体测绘相机热分析与热设计

大基高比测绘相机斜视利于进行地面高程测量,小基高比测绘相机近正视利于进行平面高精度定位,并有利于降低畸变和减小遮挡。双基高比测绘是结合了大小基高比测绘优点的新型测绘手段,但需要对大功率设备进行高效散热,同时需为大尺寸镜面提供高精度温度梯度,这对双基高比立体测绘相机热控系统设计提出较高要求。文中采用耦合散热面、在大尺寸镜面背部设计铝合金热罩减小温度梯度、布置多路控温回路、利用高性能热管增强导热相结合的方式,对双基高比相机的热控系统进行详细设计。通过对相机外热流的分析,确定了=17,焦面组件、电子学器件、控制器同时工作的高温工况;=27,相机待机的低温工况。结合相机内热源及接口信息,制定了详细的热控方案,通过仿真分析验证了热控方案的正确性,各温控指标达到设计要求。文中可为我国双基高比立体测绘相机的研制提供热控方面技术支持。     

航空相机光学镜头被动消热一体化设计与验证分析

航空相机的使用环境温度变化范围较大,温度的变化会在相机光学镜头中产生温度梯度,影响相机成像质量。为保证相机光学系统的成像质量,需要对镜头在一定温度范围内进行消热设计。运用ZEMAX光学设计软件对某航空相机光学系统进行了热分析,并根据分析结果运用ANSYS软件实现了多片式、大视场角光学镜头被动式消热光机一体化设计,通过镜头内部补偿环节沿轴向的微位移改变镜间距,实现对光学系统不同温度下像质的补偿。同时,研制消热补偿试验件,采用一种高精度光学非接触式在线直接检测微位移的方法,精度达到±1 μm,完成了消热补偿试验件微位移测试。结果表明:不同温度下的微位移量与分析数据一致,最后通过对采用该消热一体化设计的实际航空镜头在不同温度下的像质检测,验证了该设计的有效性,镜头在各温况下性能良好。     

低温红外光学透镜支撑结构研究

在低温红外光学系统中,光学元件及其支撑结构的加工和装配温度与其实际工作环境温度之间存在较大差异。根据低温红外光学系统对光机结构设计的要求,设计和加工了一套适用于低温光学透镜的柔性支撑结构。透镜的径向定位与支撑采用一组周向均布的悬臂柔性支撑结构来实现;轴向则采用压圈定位和波形垫圈来为透镜提供轴向预紧,以避免由于温差以及材料的物理性能差异与变化而造成透镜面型无法满足指标要求。试验结果表明,这种透镜支撑结构在133 K低温下具有良好的成像效果。     

应用于大功率LED器件的回路热管散热研究

为解决大功率LED的散热问题,提出一种应用于大功率LED散热的微型回路热管,研究了充液率和倾斜角度对热管冷却大功率LED的启动性能、结温和热阻等特性的影响.研究结果表明:热管的最佳充液率为60％,系统的总热阻为7.5 K/W,此时对应的热管的热阻为1.6 K/W;热管的启动时间约为6.5 min,LED的结点温度被控制在42℃以下,很好地满足了大功率LED的结温稳定性要求.