透射式低温光学红外相机全光路冷链热设计

某透射式低温光学红外相机工作于倾斜地球同步轨道,所处空间热环境复杂多变,整个光学路径部组件属于低温光学系统,对温度梯度及温度稳定性要求较高,这对热控系统设计带来挑战。结合相机在轨成像温度需求及空间外热流特点,详细分析了相机热控设计的重点和难点,通过低温热管热量传输和辐射制冷的方式实现了低温光学系统的降温,通过高效热防护、热隔离及间接辐射控温技术实现了低温光学系统的高精度控温。热平衡试验温度数据表明:成像模式下,各光学部组件温度均满足指标要求,光学透镜温度均匀性和稳定性较高,光学透镜间最大温差小于1 K,最大温度波动小于±0.3 K,实现复杂内外热环境下光学透镜高精度控温;加热去污模式下,利用低温热管“热开关”的特点在常温下热阻增加,通过较小热控功耗实现光学透镜加热去污的需求。     

激光通信器热设计与热试验

激光通信器作为一种先进的光通信的设备,通信容量大,传输速度快,具有广泛的应用前景。其对设备温度均匀性和稳定性要求高来保证通信质量,且转动关节在两个方位上转动来更大范围地获取信号,转动关节裸露在外空间,都给热设计带来挑战。针对激光通信器的工作特性和外部空间环境规律,采用主动和被动热控方法开展热设计,对转动关节热设计、大功率密度光学器件散热技术、 散热面和高精度控温设计方面进行了介绍。并根据热设计状态,设计了单机的热平衡试验,通过高低温热平衡试验对热设计方案进行验证。试验结果表明,设计方案合理可行,为后续转动高热流密度的载荷热设计提供借鉴思路。     

空间相机大功率热源散热设计

为解决复杂外热流下散热面难以确定的难题,基于散热面总到达外热流最小的设计原则,对空间相机大功率热源散热设计进行研究。首先,根据相机所处空间环境分析相机受到的外热流。接着,通过分析外热流与热源工作模式,采用在相机两侧设置辐射冷板散热并通过热管耦合的方式,增大了热源的散热效率,减小了辐射冷板的面积。最后,根据相机所处空间环境和采取的热控措施利用热仿真软件进行了热分析验证。仿真结果表明：可见光组件温度为-1.9℃～12.9℃,红外组件温度为1.7℃～10.5℃,制冷机热端温度为-12℃～0.3℃,制冷机压缩机温度为-11.3℃～21.3℃。满足温控指标要求,解决了复杂外热流下相机大功率热源的散热问题。     

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。     

微型星敏热控设计及仿真

为了保证应用平台在轨任务期间的星敏感器正常工作,需要对其进行热设计。结合微型星敏感器组件的空间环境外热流、安装布局以及工作模式等条件,在热分析优化的流程上考虑了光机热等多种因素影响,设计了微型星敏感器组件的热控方案。该热控方案提出采用主动电加热以及遮光罩与星敏本体均温化的设计思路,解决了微型星敏感器组件在轨期间的空间热环境复杂、温度控制要求高、散热途径受限于安装结构等问题,保障了微型星敏感器组件有效、可靠的工作。建立了I-DEAS /TMG 有限元分析模型,开展了高、低温工况下的星敏感器组件的热控仿真,分析了星敏感器组件的温度分布以及均匀性等仿真结果,最后进行了地面试验,验证了热控方案的正确性,满足星敏感器组件热设计要求。文中工作可为后续在轨平台的微型星敏热设计提供参考。     

星敏感器组件的热设计

根据高分辨率卫星上星敏感器的特点和任务需求,通过仿真分析与试验相结合的方法对星敏感器组件进行热设计.首先,根据热变形分析确定星敏感器支架的热控指标为183 ℃.其次,根据轨道参数及结构布局获得3只星敏感器及其安装支架的外热流,同时考虑内热源分布及多层隔热材料表面参数的退化等因素,选用被动热控和主动热控相结合的热控模式.然后,通过仿真分析,得到星敏感器支架在低温工况和高温工况下的温度范围为17.0~19.1 ℃.最后,通过热平衡试验及在轨温度测试验证热设计,星敏支架在各试验工况下的温度范围为17.3~18.7 ℃,与分析结果相符;在轨测试星敏支架的温度范围为16.0~19.0 ℃,满足热控指标要求183 ℃.热设计合理有效,满足任务需求.     

Hα太阳空间望远镜热设计

Hα太阳空间望远镜具有对日光谱成像及全日面成像功能,具有多功能、高度集成化的特点。它位于卫星载荷舱内,在轨姿态多变,并且具有连续观测的工作模式,焦平面组件及电单机工作热环境苛刻,对热设计提出较高要求。通过星载一体化设计及相机结构合理布局,在卫星舱板靠近相机处预留辐射散热通道,合理设计散热面将工作热耗快速导出,保证各部组件温度满足指标要求。搭建热平衡试验平台,对高低温工况下的热分析和热平衡试验及在轨数据进行对比,同一工况下各电单机最大温差≤4℃,对热设计的正确性进行了验证。保证了Hα太阳空间望远镜在复杂空间环境下的正常工作,对此类空间太阳望远镜热控设计具有一定的借鉴意义。     

地球同步轨道星载光机电设备热控系统设计

某类地球同步轨道星载光机电设备跨舱板安装于卫星舱内外,二维转台绕两轴转动指向地面,加剧了吸收外热流的变化;内部光电器件发热量大,但传热路径复杂,对温度场的均匀度和稳定度有较高要求,这些给热控设计带来难度。针对光机电设备的工作、构型特性和在轨热环境,进行热控系统区域化设计,提出三级控温、多层安装环和热收集、输运通道等热控创新措施。通过NX TMG热分析软件对极端工况进行仿真分析,计算结果表明,热控方案正确有效,实现了多姿态变化光机电设备的温度场控制。     

高空光学遥感器热设计参数的灵敏度分析

为减小高空光学遥感器的热设计误差,提高其热控效率,利用灵敏度分析方法对高空光学遥感器的热设计参数进行了分析。根据能量守恒定律建立了光学遥感器高空航摄时的热平衡方程,并对影响透镜组件温度分布的热设计参数进行了灵敏度分析。分析结果表明,对流换热、内部热源及构件之间的热阻对高空光学遥感器透镜组件的温差影响较大。试验结果表明,基于灵敏度分析结果的热设计方案合理有效。     

近地轨道高精度一体式星敏感器热设计及仿真验证

某型高精度一体式星敏感器指向精度高,对温度变化非常敏感。其所处近地轨道外热流复杂多变,一体式结构和内热源集中的综合因素不仅导致散热设计困难,而且镜头直接受到内热源发热影响难以保障指向精度。首先,结合轨道参数,安装布局获得星敏感器平均吸收外热流。然后,通过分析外热流与内热源工作情况,采用被动热控和主动热控相结合的热设计方法,并对星敏感器散热面的位置与大小进行设计与计算。最后,根据轨道环境和热控措施并利用热仿真软件进行热分析验证。仿真结果表明,安装法兰温度为19.82℃～20.10℃,镜头轴向温差小于2.23℃,周向温差小于0.48℃,电路盒温度为19.10℃～23.49℃,满足热控指标。通过合理的热控设计保证了极高精度星敏感器的稳定工作条件,星敏感器的热设计合理有效。     

光轴竖直大口径长焦距平行光管热设计

工作在真空罐内的平行光管的工作环境特点决定了其与空间光学遥感器相同的热设计原则,光管的结构形式对工作温度提出了严格要求。首先,确定光管结构表面的热控涂层和多层隔热材料的包覆方式;其次,光管热设计的关键是加热区设计,设计了两种加热方案,从可实施性和加热功耗大小对两种方案进行了比较;最后,对最终的热设计方案进行仿真分析。结果表明:平行光管光机结构的温度水平可控在19.3~20.8℃,主镜温度为19.5℃,满足设计要求,验证了热设计方案的可行性,可对其他同类型的地面光机结构的热设计提供借鉴。     

基于光机集成分析的火情监察红外变焦镜头主动消热差设计

红外变焦监视镜头的F数与焦深相对较小,因此温度变化极易导致离焦现象,导致成像质量下降。本文针对火情监察红外变焦镜头在-40℃~50℃范围内成像清晰的技术要求,采用有限元法分析温度变化下各光学镜片前后镜面的刚体位移与旋转量,将刚体位移导入至Sigit光机集成分析软件中仿真出温度变化工况下镜头的离焦量,分析结果表明焦距值变量在-0.16~+0.4 mm之间,调焦量为0.108~0.188。针对上述情况,采用两个凸轮两套执行机构来分别控制变倍组和补偿组的移动,实现镜头的主动消热差保证温度变化下成像仍旧清晰。最终通过温度可靠性实验对镜头光学分辨率温度适应性的进行考核,实验结果表明在温度变化过程中空间分辨率均大于30 lp/mm,变焦过程成像质量基本清晰。     

空间光学系统无热化设计

在空间光学系统无热化设计时,需要考虑机械结构的热性能对系统热稳定性的贡献,满足系统总光焦度和消热差、消色差要求,解出各光学组元的光焦度,再在保持光焦度不变条件下进行像差平衡。本文以成像光谱仪为例,对反射系统进行了热分析,对折射系统介绍了无热化设计的原理和方法,并给出了设计结果。     

临近空间超声速航空遥感器光学窗口热光学评价

为提高航空遥感器光学窗口的光学性能,对处于临近空间超声速飞行状态下熔石英材料的光学窗口进行了热光学评价。分析了光学窗口所处的飞行环境,根据空气动力学原理,计算了平均对流换热系数与马赫数的关系。根据热流密度,模拟了光学窗口温度场分布;计算了内外表面温差所引起的光程差;并分析了光学窗口热变形对航空遥感器光学系统传递函数的影响。分析结果表明:由热变形带来的光学窗口光程差PV=130.5 nm,满足光学设计要求(PV1/4)。此研究结果可为光学窗口系统设计提供必要依据。     

脉冲激光二极管端面抽运固体激光器中晶体的热弛豫时间

在脉冲激光二极管(LD)端面抽运固体激光器中,存在热效应瞬态过程,即晶体的温度分布具有时变性,晶体温度的时变过程受到热弛豫时间的影响.从热传导方程出发,采用解析法和数值法分别对晶体降温过程中温度的时变性进行计算;采用有限元方法,对晶体热弛豫时间及其影响因素进行数值计算,分析了晶体直径、密度、热传导系数和比热等热物性参数对热弛豫时间的影响;采用流体流动换热理论,充分考虑了冷却水流温度和速度对晶体温度分布的影响.结果表明,通过调整晶体尺寸、冷却系统可以实现对热弛豫时间的控制.根据有限元软件ANSYS的计算结果,分析了晶体抽运端面上径向温度的时变分布,晶体边缘与中心的温差和光程差;初步计算了晶体热透镜不同径向位置处的焦距差.结果表明,晶体冷却过程中,不同径向位置与中心的温差和相对光程差具有时变性,晶体热透镜的聚焦特性也是随时间变化的.     

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。     

"GF-5"卫星差分吸收光谱仪热控设计及验证

差分光谱仪是一种基于空间测量的精密光学仪器,整个寿命周期内对光机系统及探测器有较高的温度稳定性要求。为保证光路的精度,需要光学安装板 温度梯度小于2℃;为降低温度波动对信号的干扰,整轨温度波动要求小于2℃。光谱仪周边有多台载荷不同程度的遮挡,热环境复杂,给热控设计 带来较大困难。结合光谱仪热控需求及结构特点,详细分析了轨道外热流,采用对地面作为光学箱散热面、光学底板等温化设计、 以向阳面为电子学散热面、电子学箱与光学箱隔热等热控措施,实现了光谱仪高稳定性温控要求。热平衡试验与在轨数据表明, 光谱仪热控设计合理可行,能够满足在轨探测的温度指标。为后续型号光学遥感仪器高精度、高稳定的热控设计打下良好的基础。     

逆流式冷却塔的热力计算研究与红外热像温控系统设计

以冷却塔红外热像温控系统设计为目的,根据水电混合动力冷却塔的结构特性,基于冷却塔内热质交换平衡方程及Merkel数学模型建立水电混合动力冷却塔热力计算理论模型.运用红外热成像技术建立逆流式冷却塔热力性能监测模型,完成冷却塔的温控系统设计,并分析冷却塔温控系统温控精度误差产生原因.通过使用手持式红外测温仪进行现场实验,验...