CN104803012A

CN104803012A - 一种高轨光学遥感器真空热试验外热流模拟方法

Info

Publication number: CN104803012A
Application number: CN201510134686.8A
Authority: CN
Inventors: 于峰; 徐娜娜; 李春林; 赵宇; 赵振明; 颜吟雪; 刘伏龙; 郭楠; 高长春
Original assignee: Beijing Institute of Space Research Mechanical and Electricity
Current assignee: Beijing Institute of Space Research Mechanical and Electricity
Priority date: 2015-03-25
Filing date: 2015-03-25
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2035-03-25
Also published as: CN104803012B

Abstract

一种高轨光学遥感器真空热试验外热流模拟方法，首先根据光学遥感器(3)的在轨太阳吸收率确定太阳辐射热流。其次将光学遥感器(3)置于真空环境模拟室(1)内，然后通过光学系统在一个轨道周期内吸收的太阳辐射热流Q₁(t)是否为0确定‘日凌’时段，将Q₁(t)≠0的时间段确定为‘日凌’时段，采用太阳模拟器(2)与电加热器结合的模拟方案进行外热流模拟，将Q₁(t)＝0的时间段确定为非‘日凌’时段，采用单独电加热器的模拟方案进行外热流的模拟。本发明方法解决了现有非接触式空间光学遥感器外热流模拟方法不具备太阳光谱能量谱段特性和方向性问题，可准确模拟遥感器在轨所受太阳光谱的能量分布，模拟准确性高且易于工程实现。

Description

一种高轨光学遥感器真空热试验外热流模拟方法

技术领域

本发明属于热控领域，涉及一种航天光学遥感器的环境热试验方法。

背景技术

空间光学遥感器在轨运行过程中要长期经受太阳、行星和空间低温热沉的交替加热和冷却，工作环境极为恶劣，遥感器表面面临剧烈的温度变化。而随着光学分辨率需求的日益提高，对光机系统的工作温度提出了极高的要求，因此需要采取合理有效的热控制技术实现遥感器的精密控温。

为了验证热控方案的合理性以及热控产品的控温能力，需要进行充分的地面环境试验，地面环境试验必须模拟在轨的高真空、冷黑空间以及复杂的外热流条件等空间环境，其中外热流模拟的准确性是地面试验有效性的最关键因素。

目前我国在轨的光学遥感器绝大部分工作在低轨道，低轨遥感器所受的地球反照与地球红外较为稳定，太阳直射变化的周期较短，对遥感器内部温度的影响相对较小。随着对地成像技术的发展与凝视成像需求的日益迫切，我国开始进军高轨光学遥感器领域，由于轨道较高，地球反照和地球红外热流的数值较小，可忽略，遥感器所受的外热流主要为太阳直射热流。由于轨道周期较长，使得遥感器受照与不受照的持续时间加长，对遥感器内部的温度影响很大。尤其对于入光口所处的对地面，太阳光与遥感器光轴的夹角较小，遮光罩不能有效遮挡太阳光，光学系统在一个轨道周期内可能面临长达4h的1400W/m²的太阳直射，也称“日凌”现象。剧烈的外热流变化可能导致光学系统几十摄氏度的温度波动，遮光罩的温度变化甚至会达到百摄氏度以上。因此，高轨光学遥感器地面试验尤为需要准确模拟太阳辐射外热流。

目前常用的空间外热流模拟方法是吸收热流模拟法，即采用红外笼、红外灯阵或者电加热器等装置对遥感器进行加热，使相应表面吸收的热流近似等于在轨时吸收的空间热流。以上技术被广泛应用于低轨光学遥感器外热流模拟，但对于面临长时间“日凌”现象的高轨遥感器不再适用，尤其是透射式光学系统。而且红外笼与红外灯阵属非接触式外热流模拟方法，均不具备太阳谱段特性，无法实现光学镜头分谱段进行能量吸收、反射和透过的要求；红外笼发出的能量无方向性，不能模拟太阳光与遥感器的相对角度变换，且不能适应复杂的遥感器结构。

发明内容

本发明解决的技术问题是：解决现有非接触式空间光学遥感器外热流模拟方法不具备太阳光谱能量谱段特性和方向性性问题，提供了一种适用于高轨光学遥感器真空热试验外热流模拟的方法，可准确模拟遥感器在轨所受太阳光谱的能量分布，模拟准确性高且易于工程实现。

本发明的技术解决方案是：一种高轨光学遥感器真空热试验外热流模拟方法，包括如下步骤：

(A)确定光学遥感器的光学系统在轨的太阳吸收率α₁，光学遥感器的遮光罩在轨初期及在轨末期的太阳吸收率α₂和α‘₂，以及光学遥感器外侧多层隔热组件在轨初期及在轨末期的太阳吸收率α₃和α‘₃，根据各太阳吸收率，采用蒙特卡洛法计算得到光学遥感器的光学系统、遮光罩以及光学遥感器外侧多层隔热组件在一个轨道周期内吸收的太阳辐射热流Q₁(t)、Q₂(t)、Q₃(t)，其中t∈[0，T]，T为轨道周期；

(B)根据Q₁(t)是否等于0，将一个轨道周期划分为三个时间段，分别为[0，t₁)、[t₁，t₂]以及(t₂，T]；

(C)根据t₁、t₂以及光学遥感器在轨的运动角速度确定光学遥感器在[t₁，t₂]时间段内需要转动的角速度W和角度α，并选取转动角度范围不小于α的运动模拟器；

(D)根据光学遥感器的外包络尺寸确定太阳模拟器的最小光斑直径D，要求D≥max(2*L₁sin(α/2)+L₂cos(α/2)，L₃)，其中L₁和L₂为光学遥感器在转动平面内的高度和宽度，L₃为光学遥感器在垂直于转动平面的方向上的长度；同时根据光学遥感器的在轨工况确定太阳常数Q_太阳常数来选择太阳模拟器的辐照强度，并选取最大辐照强度Q_max≥Q_太阳常数且最小光斑直径D同时满足要求的太阳模拟器；

(E)将电加热器组A粘贴在光学遥感器(3)的遮光罩表面，将电加热器组B粘贴在在光学遥感器(3)外侧多层隔热组件的聚酰亚胺膜上；

(F)将光学遥感器(3)置于运动模拟器(5)上，并将运动模拟器(5)置于真空环境模拟室(1)内，同时将太阳模拟器(2)固定于真空环境模拟室(1)的顶部，运动模拟器(5)置于太阳模拟器(2)的光斑外；

(G)在[0，t₁)时间段内，关闭太阳模拟器和运动模拟器，将步骤(A)计算得到的Q₂(t)、Q₃(t)分别等效为电加热器组A和电加热器组B的功耗，采用两组电加热器模拟光学遥感器在轨吸收的太阳辐射热流；在t₁时刻，通过运动模拟器(5)将光学遥感器(3)移至太阳模拟器(2)的正下方，打开太阳模拟器并使光照强度为Q_太阳常数，控制运动模拟器带动光学遥感器偏离竖直方向-α/2角度，并保持在[t₁，t₂]时间段内运动模拟器以角速度W从-α/2角度返回竖直方向并继续转动至α/2角度，在运动模拟器的转动过程中同时将Q‘₂(t)和Q’₃(t)分别等效为电加热器组A和电加热器组B的功耗，采用两组电加热器和太阳模拟器一起模拟光学遥感器在轨吸收的太阳辐射热流；在t₂时刻，关闭太阳模拟器和运动模拟器，重新将步骤(A)计算得到的Q₂(t)、Q₃(t)分别等效为电加热器组A和电加热器组B的功耗，采用两组电加热器模拟光学遥感器在(t₂，T]时间段在轨吸收的太阳辐射热流；如果模拟的环境为光学遥感器在轨初期，则计算Q₂(t)、Q₃(t)时选用的太阳吸收率分别为α₂和α₃，对应的Q‘₂(t)＝0、Q’₃(t)＝0；如果模拟的环境为光学遥感器在轨末期，则计算Q₂(t)、Q₃(t)时选用的太阳吸收率分别为α‘₂和α‘₃，对应的Q‘₂(t)＝Q₂(t)*(α‘₂-α₂)/α‘₂，Q‘₃(t)＝Q₃(t)*(α‘₃-α₃)/α‘₃。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)同现有的接触热流模拟方法相比，本发明采用非接触式的入射热流模拟方法，可以不影响光学镜头的表面状态，适用于遥感器工程样机到正样各阶段的地面试验；

(2)同现有的吸收热流模拟方法相比，本发明采用入射热流模拟方法，使用太阳模拟器模拟太阳辐射能量，可准确模拟太阳的光谱能量分布，实现空间遥感器光学系统对太阳辐射热流分谱段的吸收、反射和透过；

(3)本发明方法中加入了运动模拟装置，可准确模拟太阳光与光学遥感器的相对位置变化，各关键部组件受到太阳辐射的区域和时间更加准确，大大提高了高轨遥感器“日凌”时刻外热流模拟的准确性；

(4)本发明将入射热流模拟方法与现有的吸收热流模拟方法相结合，在非‘日凌’时刻采用吸收热流模拟方法，可减小参试设备的转动幅度，大大提升了实验方案的工程可实现性；在‘日凌’时刻配合使用吸收热流模拟方法，用以模拟热控涂层退化增加的吸收热流，提高热流模拟精度。

附图说明

图1为本发明高轨光学遥感器太阳辐射热流模拟系统示意图；图中1—真空环境模拟室，2—太阳模拟器，3—光学遥感器，4—电加热器，5—运动模拟器；

图2为本发明方法的流程框图；

图3为本发明太阳模拟器口径计算示意图；

图4为本发明“日凌”时刻太阳辐射热流模拟示意图。

具体实施方式

高轨空间遥感器光学系统在轨可能面临长时间的“日凌”现象，接触式外热流模拟方法会破坏光学系统的表面结构，无法在鉴定与正样地面热试验中应用，只能采用太阳模拟器。但是若整轨选用太阳模拟器，再考虑太阳光与遥感器的相对位置变化，则对太阳模拟器的光斑尺寸、真空模拟系统的空间以及运动机构的能力均有较高的要求，因此首先要根据遥感器所受外热流的情况确定外热流模拟方案。

本发明中将光学遥感器分为两部分考虑，一部分为必须采用非接触式外热流模拟方案的光学系统，另一部分为可采用接触式外热流模拟方案的遮光罩和遥感器外部多层隔热组件。遥感器的热设计首先要根据外热流变化进行高低温工况的选择，由于原子氧、带电粒子等空间环境影响，遮光罩以及多层隔热组件的热控涂层在轨存在退化现象，导致涂层太阳吸收率发生变化。低温工况热控涂层均处于寿命初期，且光学系统一般无太阳辐射热流，可采用电加热器模拟遥感器太阳辐射热流，‘日凌’时刻出现在高温工况，此时热控涂层均处于寿命末期，因此在该时间段内采用太阳模拟器和电加热器组合模拟辐射热流，其余时刻采用电加热器模拟辐射热流，这样既能够准确模拟太阳辐射热流，又能保证系统尽可能简单可靠。

如图1所示，为了实现本发明的方法，需要构建高轨光学遥感器太阳辐射热流模拟系统，主要包括真空环境模拟室1、太阳模拟器2、光学遥感器3、电加热器组件4、运动模拟器5，其中光学遥感器3为参试设备。真空环境模拟室1用于模拟空间的冷黑环境，采用杭州杭氧股份有限公司设备。真空环境模拟室1内部设置运动模拟器5作为光学遥感器3的安装平台，运动模拟器5包括高精度二维转台、二维平台车，分别用于实现光学遥感器3的摆动与平动。电加热器组件4包括电加热器、电缆、程控电源，电加热器粘贴在光学遥感器3遮光罩以及光学遥感器3外侧多层隔热组件的聚酰亚胺膜上。太阳模拟器2采用长春光学精密机械与物理研究所设备。

如图2所示，为本发明方法的流程框图，主要步骤如下：

步骤一、计算外热流，确定外热流模拟方案。假设光学遥感器3的遮光罩、光学遥感器3外侧多层隔热组件在轨初期的太阳吸收率分别为α₂、α₃，在轨末期的太阳吸收率分别为α‘₂、α‘₃。那么需要根据设计工况选取太阳吸收率α_2设计、α_3设计，根据光学系统表面状态设定光学系统太阳吸收率α₁，根据计算工况日期选择太阳常数。采用蒙特卡洛法计算光学遥感器3的光学系统、遮光罩以及光学遥感器3外侧多层隔热组件一个轨道周期内吸收的太阳辐射热流Q₁(t)、Q₂(t)、Q₃(t)，其中t∈[0，T]，T为轨道周期。

根据Q₁(t)确定外热流模拟方式，Q₁(t)≠0的时间段为‘日凌’时段，该时间段内采用太阳模拟器2与电加热器结合的模拟方案，Q₁(t)＝0的时间段为非‘日凌’时段，该时间段内采用电加热器的模拟方案。假设Q₁(t)≠0的起始时刻为t₁，Q₁(t)≠0的终止时刻为t₂。

步骤二、设计运动模拟器5特性。根据t₁、t₂以及光学遥感器3在轨运动的角速度W确定光学遥感器3需要转动的角度α为α＝W×(t₂-t₁)。为减小光学遥感器3转动过程中的外包络尺寸，可设定(t₁+t₂)/2时刻时将光学遥感器3竖直放置在太阳模拟器2下方，则光学遥感器3需要转动的角度为±α/2。

根据光学遥感器3‘日凌’时刻的转动角度以及在轨运行的角速度设计运动模拟器5的转动角度范围、转动速率。

步骤三、选择太阳模拟器2：根据光学遥感器3的外包络尺寸确定太阳模拟器2的最小光斑直径，如图3所示，L₁、L₂为光学遥感器3外转动平面内的外包络尺寸，假设L₃为光学遥感器3另外一个方向(垂直纸面方向)的外包络尺寸，光学遥感器3最大转动角度为α/2，转动时以光学遥感器3中心为轴转动，则光学遥感器3转动过程中最大的外包络为光学遥感器3处于α/2倾角的位置，要保证光学遥感器3完全处于太阳模拟器2的光斑以内，则太阳模拟器2光斑直径应满足D≥2*L₁sin(α/2)+L₂cos(α/2)，在垂直纸面方向上太阳模拟器2的光斑直径应满足D≥L₃，因此要选择光斑直径满足D≥max(2*L₁sin(α/2)+L₂cos(α/2)，L₃)；根据计算工况下太阳常数Q_太阳常数来选择太阳模拟器的辐照强度，要保证太阳模拟器的最大辐照强度Q_max≥Q_太阳常数。

步骤四、计算使用太阳模拟器2时间段电加热器所需的模拟功耗Q‘₂(t)(遮光罩)、Q’₃(t)(光学遥感器3外侧多层隔热组件)：试验状态下光学遥感器3的热控涂层为初期状态，如设计工况为初期工况，即太阳吸收率为α_2设计＝α₂、α_3设计＝α₃，则Q‘₂(t)＝0、Q’₃(t)＝0；如设计工况为末期工况，即太阳吸收率为α_2设计＝α‘₂、α_3设计＝α‘₃，则Q‘₂(t)＝Q₂(t)*(α‘₂-α₂)/α‘₂，Q‘₃(t)＝Q₃(t)*(α‘₃-α₃)/α‘₃。

步骤五、将部分电加热器粘贴在光学遥感器3外侧多层隔热组件的聚酰亚胺膜上，用于模拟多层隔热组件外侧所受热流；将部分电加热器粘贴在遮光罩表面，用于模拟遮光罩热流。将光学遥感器3安装在运动模拟器5上，置于真空环境模拟室1内太阳模拟器2光斑范围以外的区域，作为光学遥感器3的初始位置，避免真空环境模拟室1安装太阳模拟器3的位置无热沉给光学遥感器3带来的背景辐射影响。

步骤六、根据前述的计算结果进行外热流的加载：0h～t₁时刻将Q₂(t)、Q₃(t)的热量等效为电加热器的功耗，采用电加热器模拟吸收的太阳辐射热流；t₁～t₂时刻段引入太阳模拟器2，t₁时刻通过运动模拟器5将光学遥感器3移动到太阳模拟器2的正下方，并将光学遥感器3调整为-α/2角度的倾斜状态，打开太阳模拟器2使其光照强度为步骤一计算工况下太阳常数，开启运动模拟器5使光学遥感器3按照设定的角速度开始转动，同时将电加热器模拟的Q₂(t)、Q₃(t)的热量值分别调整为Q‘₂(t)、Q’₃(t)；t₂时刻关闭太阳模拟器2，此时光学遥感器3刚好运动至α/2角度的倾斜状态，将光学遥感器3移出太阳模拟器2光斑区域，将电加热器模拟的功耗调整为Q₂(t)、Q₃(t)；t₂～T时刻将Q₂(t)、Q₃(t)的热量等效为电加热器的功耗，采用电加热器模拟吸收的太阳辐射热流。整个过程如图4(a)经由图4(b)的状态再至图4(c)所示的状态。

至此，完成了一个轨道周期内光学遥感器3所受外热流的模拟。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims

1.一种高轨光学遥感器真空热试验外热流模拟方法，其特征在于包括如下步骤：

(A)确定光学遥感器(3)的光学系统在轨的太阳吸收率α₁，光学遥感器(3)的遮光罩在轨初期及在轨末期的太阳吸收率α₂和α‘₂，以及光学遥感器(3)外侧多层隔热组件在轨初期及在轨末期的太阳吸收率α₃和α‘₃，根据各太阳吸收率，采用蒙特卡洛法计算得到光学遥感器(3)的光学系统、遮光罩以及光学遥感器(3)外侧多层隔热组件在一个轨道周期内吸收的太阳辐射热流Q₁(t)、Q₂(t)、Q₃(t)，其中t∈[0，T]，T为轨道周期；

(C)根据t₁、t₂以及光学遥感器(3)在轨的运动角速度确定光学遥感器(3)在[t₁，t₂]时间段内需要转动的角速度W和角度α，并选取转动角度范围不小于α的运动模拟器(5)；

(D)根据光学遥感器(3)的外包络尺寸确定太阳模拟器(2)的最小光斑直径D，要求D≥max(2*L₁sin(α/2)+L₂cos(α/2)，L₃)，其中L₁和L₂为光学遥感器(3)在转动平面内的高度和宽度，L₃为光学遥感器(3)在垂直于转动平面的方向上的长度；同时根据光学遥感器(3)的在轨工况确定太阳常数Q_太阳常数来选择太阳模拟器的辐照强度，并选取最大辐照强度Q_max≥Q_太阳常数且最小光斑直径D同时满足要求的太阳模拟器(2)；

(G)在[0，t₁)时间段内，关闭太阳模拟器(2)和运动模拟器(5)，将步骤(A)计算得到的Q₂(t)、Q₃(t)分别等效为电加热器组A和电加热器组B的功耗，采用两组电加热器模拟光学遥感器(3)在轨吸收的太阳辐射热流；在t₁时刻，通过运动模拟器(5)将光学遥感器(3)移至太阳模拟器(2)的正下方，打开太阳模拟器(2)并使光照强度为Q_太阳常数，控制运动模拟器(5)带动光学遥感器(3)偏离竖直方向-α/2角度，并保持在[t₁，t₂]时间段内运动模拟器(5)以角速度W从-α/2角度返回竖直方向并继续转动至α/2角度，在运动模拟器(5)的转动过程中同时将Q‘₂(t)和Q’₃(t)分别等效为电加热器组A和电加热器组B的功耗，采用两组电加热器和太阳模拟器(2)一起模拟光学遥感器(3)在轨吸收的太阳辐射热流；在t₂时刻，关闭太阳模拟器(2)和运动模拟器(5)，重新将步骤(A)计算得到的Q₂(t)、Q₃(t)分别等效为电加热器组A和电加热器组B的功耗，采用两组电加热器模拟光学遥感器(3)在(t₂，T]时间段在轨吸收的太阳辐射热流；如果模拟的环境为光学遥感器(3)在轨初期，则计算Q₂(t)、Q₃(t)时选用的太阳吸收率分别为α₂和α₃，对应的Q‘₂(t)＝0、Q’₃(t)＝0；如果模拟的环境为光学遥感器(3)在轨末期，则计算Q₂(t)、Q₃(t)时选用的太阳吸收率分别为α‘₂和α‘₃，对应的Q‘₂(t)＝Q₂(t)*(α‘₂-α₂)/α‘₂，Q‘₃(t)＝Q₃(t)*(α‘₃-α₃)/α‘₃。