CN104154943A - 空间光学遥感器热试验外热流模拟系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间光学遥感器热试验外热流模拟系统及方法，属于空间光学遥感器环境试验技术领域。解决了现有接触式空间光学遥感器外热流模拟系统和方法破坏遥感器表面的真实状态的问题。该系统包括空间环境模拟器、多层隔热组件、电加热器、单面镀铝聚酯薄膜、空间光学遥感器、电缆和程控电源，多层隔热组件包覆在空间光学遥感器的表面上，包覆多层隔热组件的空间光学遥感器放置于空间环境模拟器内，电加热器和单面镀铝聚酯薄膜从内至外依次固定在多层隔热组件最外层镀铝聚酯薄膜的外表面上，单面镀铝聚酯薄膜的镀铝面面向多层隔热组件最外层，电加热器通过电缆与程控电源连接。该系统保证空间光学遥感器表面保持真实状态。

Description

空间光学遥感器热试验外热流模拟系统及方法

技术领域

本发明属于空间光学遥感器环境试验技术领域，具体涉及一种空间光学遥感器热试验外热流模拟系统及方法。

背景技术

空间光学遥感器是一种应用广泛的航天器，其在轨运行期间需要面临严酷的空间环境的考验，空间外热流的剧烈变化会造成遥感器温度的波动和不均匀，所以需要合理有效的热控制技术，来保障遥感器在轨工作期间始终处于适宜的温度范围之内。

在空间遥感器的研制过程中，充分的地面环境试验验证是十分必要的工作内容，地面的环境试验必须模拟在轨的空间轨道环境，包括冷黑背景、高真空以及空间环境复杂的外热流条件等，其中外热流模拟是热试验的关键环节，其模拟的准确性对热试验结果的可靠性和有效性有重要影响，同时模拟组件的复杂程度与热试验的成本和周期也有很大关联。

现有技术中，空间光学遥感器外热流的模拟方法可分为非接触式和直接接触式两大类，非接触式包括太阳模拟器、红外灯阵、红外加热笼等，其中太阳模拟器、红外灯阵系统相对复杂，同时对试验设备的要求也相对较高；红外加热笼易于实现，但是对于表面形状复杂的遥感器，难以实现良好的形状适应性，并且也难以实现精确的热流模拟；直接接触式以电加热方式为代表，包括电加热器、电加热带等，具体是将加热装置粘贴于遥感器表面，对加热装置直接进行供电加热，此种方式模拟的误差可以控制的很小，精度较高，但是会破坏遥感器的表面真实状态，不适用于鉴定或正样产品的研制。

发明内容

本发明的目的在于解决现有接触式空间光学遥感器外热流模拟系统和方法破坏遥感器的表面真实状态的技术问题，提供一种空间光学遥感器热试验外热流模拟系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下。

空间光学遥感器热试验外热流模拟系统，包括电加热器、多层隔热组件、空间环境模拟器、空间光学遥感器、电缆和程控电源，所述多层隔热组件包覆在空间光学遥感器的表面上，所述包覆多层隔热组件的空间光学遥感器放置在空间环境模拟器内，所述电加热器通过电缆与程控电源连接，还包括，单面镀铝聚酯薄膜，所述电加热器和单面镀铝聚酯薄膜从内至外依次固定在多层隔热组件最外层镀铝聚酯薄膜的外表面上，单面镀铝聚酯薄膜的镀铝面与多层隔热组件最外层接触。

进一步的，所述空间环境模拟器内设有支撑架，空间光学遥感器放置在支撑架上。

进一步的，所述电加热器和单面镀铝聚酯薄膜均为多个，且一一对应；更进一步的，多个电加热器在多层隔热组件最外层镀铝聚酯薄膜上均匀分布。

进一步的，所述电加热器和单面镀铝聚酯薄膜均采用粘贴固定。

空间光学遥感器热试验外热流模拟方法，包括以下步骤：

步骤一、通过软件计算包覆多层隔热组件的空间光学遥感器在轨的吸收外热流；

步骤二、在上述多层隔热组件最外层镀铝聚酯薄膜的外表面上从内至外依次固定电加热器和单面镀铝聚酯薄膜，单面镀铝聚酯薄膜的镀铝面与多层隔热组件最外层接触，得到外热流模拟组件包覆的空间光学遥感器，然后将外热流模拟组件包覆的空间光学遥感器放置于空间环境模拟器中，并将电加热器通过电缆与程控电源连接；

步骤三、将步骤一得到的吸收外热流等效模拟为电加热器的加热功耗，利用程控电源对电加热器施加能够产生该加热功耗的输入电流，完成空间光学遥感器热试验外热流模拟。

进一步的，所述步骤二中，电加热器和单面镀铝聚酯薄膜均为多个，且一一对应，所述步骤三中，将多层隔热组件最外层镀铝聚酯薄膜的外表面按区域分割，并根据步骤一得到的吸收外热流计算各区域内吸收外热流值，然后将各区域内吸收外热流值分别等效模拟为该区域内电加热器的加热功耗，利用程控电源分别对各区域内的电加热器施加能够产生该区域加热功耗的输入电流，完成空间光学遥感器热试验外热流模拟；更进一步的，多个电加热器在多层隔热组件最外层镀铝聚酯薄膜上均匀分布。

进一步的，所述软件为NX或者I-DEAS。

进一步的，所述电加热器和单面镀铝聚酯薄膜均采用粘贴固定。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明的空间光学遥感器热试验外热流模拟系统通过多层隔热组件最外层镀铝聚酯薄膜外表面的电加热器直接施加功耗，再结合高精度程控电源，通过控制电加热器输入电流可以精确模拟吸收外热流；且电加热器粘贴于多层隔热组件内部，不影响多层隔热组件的表面状态和隔热性能，可以适应从空间光学遥感器热控样机到正样产品各个阶段的地面热试验；外热流模拟组件依附于多层隔热组件，具有非常好的形状适应性，尤其适用于表面形状复杂的航天器；

(2)本发明的空间光学遥感器热试验外热流模拟方法，电加热器通过导热硅橡胶粘贴于多层隔热组件最外层镀铝聚酯薄膜的外表面上，再利用导热硅橡胶在电加热器表面粘贴一层单面镀铝聚酯薄膜，电加热器导线通过单面镀铝聚酯压敏胶带粘贴固定，整个外热流模拟组件的实现简单易行，并且具有很高的可靠性，保证空间遥感器表面保持真实状态，适用于各类空间遥感器。

附图说明

图1为本发明包覆多层隔热组件的空间光学遥感器在空间轨道工作的原理图；

图2为本发明空间光学遥感器热试验外热流模拟系统的结构示意图；

图3为本发明空间光学遥感器的外热流模拟组件的结构示意图；

图4为本发明空间光学遥感器的外热流模拟组件的工作原理图；

图5为本发明空间光学遥感器热试验外热流模拟方法的流程图；

图中：1、多层隔热组件最外层，2、电加热器，3、单面镀铝聚酯薄膜，4、镀铝聚酯薄膜，5、空间光学遥感器表面，6、涤纶网，7、到达外热流，8、吸收外热流，9、加热功耗，10、空间环境模拟器，101、支撑架，11、外热流模拟组件，12、空间光学遥感器；13、电缆，14、程控电源。

具体实施方式

下面结合附图1-5对本发明的实施方式作进一步说明。

由于空间外热流包括太阳辐照、地球反照、地球红外辐射等，若分别模拟各空间热流，则需要专门的太阳光照、红外辐射等模拟设备，试验设备的复杂程度会大大提高，成本也会大大提高，所以本发明的空间外热流为太阳辐照、地球反照、地球红外辐射等外热流合成的总外热流。此外，空间外热流的模拟策略包括模拟到达遥感器表面的空间外热流值，简称到达外热流，以及模拟通过空间遥感器表面的外热流值，即被吸收的外热流值，简称吸收外热流。本发明为避免直接接触影响空间遥感器表面的实际状态，采用非接触式模拟方法，即采用多层隔热组件包覆的空间光学遥感器进行模拟。具体参见附图1，空间光学遥感器在空间轨道运行时，空间外热流首先到达多层隔热组件最外层1的表面，此表面外的热流即为本发明所指到达外热流7，到达外热流7的部分热流被多层隔热组件最外层1反射或阻挡，但仍有部分热流会被多层隔热组件最外层1吸收，从而通过多层隔热组件最外层1到达多层隔热组件最外层镀铝聚酯薄膜的表面，但热流密度已经有很大程度减弱，通过多层隔热组件最外层1到达多层隔热组件最外层镀铝聚酯薄膜的表面热流即为本发明所指吸收外热流8。

如图2-3所示，空间光学遥感器热试验外热流模拟系统，包括空间环境模拟器10、外热流模拟组件11、空间光学遥感器12、电缆13和程控电源14。其中，空间环境模拟器10模拟外太空环境，为现有装置，空间环境模拟器10内可以设有支撑架101，空间环境模拟器11放置在支撑架101上；外热流模拟组件11包括电加热器2、单面镀铝聚酯薄膜3和多层隔热组件，电加热器2和单面镀铝聚酯薄膜3从内至外依次固定在多层隔热组件最外层镀铝聚酯薄膜的外表面上，单面镀铝聚酯薄膜3的镀铝面与多层隔热组件最外层接触，多层隔热组件包覆在空间光学遥感器表面5上(即外热流模拟组件11包覆在空间光学遥感器表面5上)，多层隔热组件的最内层与空间光学遥感器表面5接触，多层隔热组件最外层1直接面向冷黑空间；包覆外热流模拟组件11的空间光学遥感器12放置在空间环境模拟器10内；电加热器2通过电缆13与程控单元14连接，程控电源14控制电加热器2的输入功率，程控电源14可以设置在空间光学遥感器12外。

本实施方式中，多层隔热组件为现有技术，一般从内至外依次包括间隔层和最外层，间隔层由交替层叠的镀铝聚酯薄膜4和涤纶网6组成，间隔层的最外层和最内层都为镀铝聚酯薄膜4，最外层镀铝聚酯薄膜4与多层隔热组件最外层1接触，最内层聚酯薄膜4与空间光学遥感器表面5接触，多层隔热组件最外层1的材料一般为F46。

外热流模拟组件11依附于多层隔热组件，电加热器2粘贴固定在多层隔热组件最外层镀铝聚酯薄膜4的外表面，一般采用导热硅橡胶粘贴；由于电加热器2的表面属性与镀铝聚酯薄膜4有差异，所以在电加热器2的表面粘贴固定单面镀铝聚酯薄膜3，使得电加热器2面向多层隔热组件最外层1的一侧的表面属性与最外层镀铝聚酯薄膜4表面属性相近，以此提高外热流的模拟精度，一般单面镀铝聚酯薄膜3采用导热硅橡胶粘贴，电加热器2的引出导线采用单面镀铝聚酯压敏胶带粘贴固定；由于现有技术中单个电加热器的尺寸一般满足不了大尺寸的空间光学遥感器要求，电加热器2和单面镀铝聚酯薄膜3均可以为多个，且一一对应，优选多个电加热器在多层隔热组件最外层镀铝聚酯薄膜4的外表面上均匀分布，具体依据实际需要而定，电加热器2没有特殊限制，可以商购，如铜-康铜电加热器。

如图1-5所示，空间光学遥感器热试验外热流模拟方法，包括以下步骤：

步骤一、通过软件计算包覆多层隔热组件的空间光学遥感器12在空间轨道的吸收外热流8；

具体可以采用NX或者I-DEAS等具有空间轨道热计算能力的软件进行在轨计算：首先获取包覆多层隔热组件的空间光学遥感器12的三维结构模型，然后依据热分析需要对三维结构模型进行合理简化，包括去掉螺钉、铆钉等组件，删除细小几何特征，去除工艺圆角等等，然后建立包覆多层隔热组件的空间光学遥感器12的热分析有限元模型(即进行网格划分，空间外热流计算只需针对空间光学遥感器表面5及多层隔热组件建立有限元模型即可，网格类型采用壳单元)；计算吸收外热流8时，简便处理方法为设定空间光学遥感器表面5及多层隔热组件网格单元为空壳，这样无需指定空间光学遥感器表面5及多层隔热组件网格单元的材料、厚度等属性，只需设定网格的表面属性即可以进行计算，在确保计算准确性的前提下可以提高计算速度，依据空间光学遥感器表面5及多层隔热组件实际状态赋予发射率、吸收率等表面属性，参数设定完毕后即可进行吸收外热流8的计算，其中多层隔热组件最外层1(F46膜)的表面属性要予以特别关注，由于F46膜的属性会随着遥感器在轨运行时间而逐步退化，导致太阳吸收率上升，发射率下降，从而使得吸收外热流8增大，所以计算吸收外热流8时需考虑F46膜材料性能的退化，分为空间光学遥感器12在轨工作初始时的材料属性以及在轨工作行将结束时的材料属性，再结合其他计算工况条件，计算出空间光学遥感器12在轨运行期间吸收外热流8可能出现的最大值和最小值，热试验中再依据吸收外热流8的最大值及最小值去考核相机的热控设计，F46膜材料的材料属性参考值如下:

1)空间光学遥感器12在轨工作初始时，太阳吸收率0.18，发射率0.72；

2)空间光学遥感器12在轨工作末期时，太阳吸收率0.28，发射率0.62；

步骤二、在多层隔热组件最外层镀铝聚酯薄膜4的外表面上从内至外依次固定电加热器2和单面镀铝聚酯薄膜3，单面镀铝聚酯薄膜3的镀铝面与多层隔热组件最外层1接触，得到外热流模拟组件11包覆的空间光学遥感器12，然后将外热流模拟组件11包覆的空间光学遥感器12放置于空间环境模拟器10中，并将电加热器2通过电缆13与空间环境模拟器10外的程控电源14连接；

其中，电加热器2粘贴固定在多层隔热组件最外层镀铝聚酯薄膜4的外表面，一般采用导热硅橡胶粘贴；由于电加热器2的表面属性与镀铝聚酯薄膜4有差异，所以在电加热器2的外表面粘贴固定单面镀铝聚酯薄膜3，使得电加热器2面向多层隔热组件最外层1的一侧的表面属性与最外层镀铝聚酯薄膜4外表面属性相近，以此提高外热流的模拟精度，一般单面镀铝聚酯薄膜3采用导热硅橡胶粘贴，电加热器2的引出导线采用单面镀铝聚酯压敏胶带粘贴固定；由于现有技术中单个电加热器的尺寸一般满足不了大尺寸的空间光学遥感器要求，所以，电加热器2和单面镀铝聚酯薄膜3可以均为多个，且一一对应，优选多个电加热器在最外层镀铝聚酯薄膜4的外表面上均匀分布，具体依据实际需要而定，电加热器2没有特殊限制，可以商购，如铜-康铜电加热器；空间环境模拟器10内可以设有支撑架101，空间环境模拟器11放置在支撑架101上；

多层隔热组件为现有技术，一般从内至外依次包括间隔层和最外层，间隔层由交替层叠的镀铝聚酯薄膜4和涤纶网6组成，间隔层的最外层和最内层都为镀铝聚酯薄膜4，最外层镀铝聚酯薄膜4与多层隔热组件最外层1接触，最内层聚酯薄膜4与空间光学遥感器表面5接触，多层隔热组件最外层1的材料一般为F46；

步骤三、将步骤一得到的吸收外热流8等效模拟为电加热器2的加热功耗9，利用程控电源14对电加热器2施加能够产生该加热功耗9的输入电流，完成空间光学遥感器热试验外热流模拟；

当电加热器2为多个时，将多层隔热组件最外层聚酯薄膜4外表面按区域分割，并根据步骤一得到的吸收外热流8计算各区域内吸收外热流值，然后将各区域内吸收外热流值分别等效模拟为该区域内电加热器2的加热功耗9，利用程控电源14分别对各区域的电加热器2施加能够产生该区域加热功耗9的输入电流，完成空间光学遥感器热试验外热流模拟；

其中，由于电加热器2的单片尺寸有限制，对于大尺寸的空间光学遥感器，如果每个区域只使用一个电加热器，会造成划分区域过多，所以通常每个加热区域会对应多个电加热器；

计算区域内吸收外热流时，先计算热流密度，其单位为W/m²，各区域内的吸收外热流值，只需由该区域的热流密度乘以该区域面积即可。

显然，以上实施方式的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.空间光学遥感器热试验外热流模拟系统，包括电加热器(2)、多层隔热组件、空间环境模拟器(10)、空间光学遥感器(12)、电缆(13)和程控电源(14)，所述多层隔热组件包覆在空间光学遥感器(12)的表面(5)上，所述包覆多层隔热组件的空间光学遥感器(12)放置于空间环境模拟器(10)内，所述电加热器(2)通过电缆(13)与程控电源(14)连接，其特征在于，还包括，单面镀铝聚酯薄膜(3)，所述电加热器(2)和单面镀铝聚酯薄膜(3)从内至外依次固定在多层隔热组件最外层镀铝聚酯薄膜(4)的外表面上，单面镀铝聚酯薄膜(3)的镀铝面与多层隔热组件最外层(1)接触。

2.根据权利要求1所述的空间光学遥感器热试验外热流模拟系统，其特征在于，所述电加热器(2)和单面镀铝聚酯薄膜(3)均为多个，且一一对应。

3.根据权利要求2所述的空间光学遥感器热试验外热流模拟系统，其特征在于，所述多个电加热器(2)在多层隔热组件最外层镀铝聚酯薄膜(4)上均匀分布。

4.根据权利要求1-3任何一项所述的空间光学遥感器热试验外热流模拟系统，其特征在于，所述空间环境模拟器(10)内设有支撑架(101)，空间光学遥感器(12)放置在支撑架(101)上。

5.根据权利要求1-3任何一项所述的空间光学遥感器热试验外热流模拟系统，其特征在于，所述电加热器(2)和单面镀铝聚酯薄膜(3)均采用粘贴固定。

6.空间光学遥感器热试验外热流模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、通过软件计算包覆多层隔热组件的空间光学遥感器(12)在空间轨道的吸收外热流(8)；

步骤二、在上述多层隔热组件最外层镀铝聚酯薄膜(4)的外表面上从内至外依次固定电加热器(2)和单面镀铝聚酯薄膜(3)，单面镀铝聚酯薄膜(3)的镀铝面与多层隔热组件最外层(1)接触，得到外热流模拟组件(11)包覆的空间光学遥感器，然后将外热流模拟组件(11)包覆的空间光学遥感器(12)放置于空间环境模拟器(10)中，再将电加热器(2)通过电缆(13)与程控电源(14)连接；

步骤三、将步骤一得到的吸收外热流(8)等效模拟为电加热器(2)的加热功耗(9)，利用程控电源(14)对电加热器(2)施加能够产生该加热功耗(9)的输入电流，完成空间光学遥感器热试验外热流模拟。

7.根据权利要求6所述的空间光学遥感器热试验外热流模拟系统，其特征在于，所述步骤二中，电加热器(2)和单面镀铝聚酯薄膜(3)均为多个，且一一对应，所述步骤三中，将多层隔热组件最外层镀铝聚酯薄膜(4)的外表面按区域分割，并根据步骤一得到的吸收外热流(8)计算各区域内吸收外热流值，然后将各区域内吸收外热流值分别等效模拟为该区域内电加热器(2)的加热功耗(9)，利用程控电源(14)分别对各区域的电加热器(2)施加能够产生该区域加热功耗(9)的输入电流，完成空间光学遥感器热试验外热流模拟。

8.根据权利要求7所述的空间光学遥感器热试验外热流模拟系统，其特征在于，所述多个电加热器(2)在多层隔热组件最外层镀铝聚酯薄膜(4)上均匀分布。

9.根据权利要求6-8任何一项所述的空间光学遥感器热试验外热流模拟系统，其特征在于，所述软件为NX或者I-DEAS。

10.根据权利要求6-8任何一项所述的空间光学遥感器热试验外热流模拟系统，其特征在于，所述电加热器(2)和单面镀铝聚酯薄膜(3)均采用粘贴固定。