CN106052679B - 一种星敏感器图像探测器组件 - Google Patents

Abstract

一种星敏感器图像探测器组件，包括光学系统云台(1)、图像探测器电路组件(2)、电路支撑柱(3)、铜块支撑柱(4)、导热铜块组件(5)、致冷器(6)和热沉结构(7)；图像探测器电路组件(2)通过电路支撑柱(3)安装在热沉结构(7)上；导热铜块组件(5)通过铜块支撑柱(4)安装于热沉结构(7)上；致冷器(6)位于导热铜块组件(4)下方，并粘接于热沉结构(7)上；光学系统云台(1)位于图像探测器电路组件(2)上方，并安装于热沉结构(7)上；所述的图像探测器电路组件(2)包括刚挠板(8)和图像探测器(9)，所述刚挠板(8)外部为刚性板，内部为挠性板；图像探测器(9)焊接在挠性板上。

Description

一种星敏感器图像探测器组件

技术领域

本发明涉及航天器姿态控制技术，是一种星敏感器图像探测器组件。

背景技术

星敏感器以恒星为测量目标，通过光学系统将恒星成像于图像探测器上，输出信号经过A/D转换送至数据处理单元，经星点提取和星图识别，确定星敏感器光轴矢量在惯性坐标系下的指向，通过星敏感器在航天器上的安装矩阵，确定其在惯性坐标系下的三轴姿态。星敏感器一般由遮光罩、光学系统、图像探测器组件及其电路、数据处理电路、二次电源、软件(系统软件、应用软件及星表)、主体结构和基准镜等组成。

星敏感器图像探测器组件的结构需要保证整机各项性能指标的实现，并且需要在满足航天恶劣的力学环境(加速度、强振动和冲击)与热学环境(极端高、低温及循环)的同时，构型简单、体积小、结构重量比(结构重量/整机重量)小。在恶劣的力、热环境中，星敏感器图像探测器组件的高可靠度、高精度的定位及导热设计是结构设计的重点和难点。其中定位设计包括装配阶段图像探测器与光学系统中心对齐，以及图像探测器的位置稳定性受力、热环境的影响在允许范围内。导热设计是指图像探测器的热量能够通过装配结构有效的导至热沉，实现图像探测器保持在最佳的工作温度范围内。

现有的星敏感器图像探测器组件按安装方式分为一体式和分体式。与光学系统一体式是指图像探测器组件直接安装在光学系统上，可以通过轴孔配合直接保证二者对齐关系；分体式是指图像探测器组件与光学系统分别装在同一结构上，二者无配合关系。后者的定位设计相对难度大，但由于整机的构型设计的约束，很多图像探测器组件的安装方式必须要采用后者方式。

在图像探测器的标称温度范围内，其温度越低，噪声越小。因此，在星敏感器的设计中，图像探测器多采用半导体致冷器进行致冷，以实现星敏感器的宽幅的工作温度范围和高精度的测量。半导体致冷器由两片陶瓷和PN结阵列组成，构成顺序为陶瓷、PN结阵列、陶瓷，两两间采用胶粘合。两片陶瓷分别为致冷器的冷、热端。

现有的星敏感器图像探测器的导热设计为：为保证致冷器致冷效果，其冷、热端是隔离状态。致冷器作为其导热通道仅是通过胶粘进行定位与紧固，冷端粘接图像探测器端，热端粘接热沉端，以实现冷热端理想的温差效果。

目前图像探测器组件分体式的结构设计存在以下不足：

1、图像探测器与光学系统中心对齐无高精度控制：仅是通过机械设计尺寸及装配人员经验保证图像探测器中心与光学系统中心对齐，在装配过程中无监测和装调环节，随机性较大，存在二者未对齐导致边缘像素损失的风险。

2、抗力学、热学环境性能较差：

1)图像探测器存在过定位：图像探测器的管脚焊接在刚性电路板上，底部粘接在导热路径的结构上，存在过定位的问题，在航天力、热环境中，焊点会不同程度的受力，存在焊点裂纹或断裂的风险。因此，该设计所能承受的力学、热学环境量级较低。

2)致冷器定位方式存在风险：致冷器仅靠胶粘固定，无高强度结构进行辅助固定。在恶劣的力学环境中，存在致冷器陶瓷片和PN结脱离的风险。

3、力、热稳定性较差：图像探测器有高精度的定位要求，而刚性电路板刚度较差，且其底部的导热路径结构仅为胶粘固定，二者均不能作为图像探测器在航天力、热环境下的高精度及高可靠度定位的保证。

4、批量生产的一致性、互换性较差：图像探测器底部的导热路径中的若干胶层，在粘接过程中未采用高精度的定量控制，胶层厚度取决于装配人员的手法，一致性较差，组件间互换性较差。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种星敏感器图像探测器组件，解决了光学中心对齐的精度无控制、力热性能较差和批量生产一致性较差的问题。

本发明的技术方案是：一种星敏感器图像探测器组件，包括光学系统云台、图像探测器电路组件、电路支撑柱、铜块支撑柱、导热铜块组件、致冷器和热沉结构；图像探测器电路组件通过电路支撑柱安装在热沉结构上；导热铜块组件通过铜块支撑柱安装于热沉结构上；致冷器位于导热铜块组件下方，并粘接于热沉结构上；光学系统云台位于图像探测器电路组件上方，并安装于热沉结构上；所述的图像探测器电路组件包括刚挠板和图像探测器，所述刚挠板外部为刚性板，内部为挠性板；图像探测器焊接在挠性板上。

所述的导热铜块组件位于图像探测器电路组件下方，由铜块、钛支撑结构、隔热垫片和隔热套筒组成；铜块位于钛支撑结构中心的方形孔中，铜块的安装耳位于钛支撑结构的两边上；铜块通过隔热垫片和隔热套筒安装于钛支撑结构上。

所述的铜块为方形结构，有4个安装耳，两两分别位于相对两侧。

所述的钛支撑结构为回字型结构，4边各有两个安装孔，其中相对两边上的安装孔为一组接口，分别为与铜块的安装接口和与铜块支撑柱的配合接口。

所述隔热垫片为聚酰亚胺材料所制，扁平状，位于铜块的安装耳与钛支撑结构之间。

所述的隔热套筒为聚酰亚胺材料所制，T字型筒状结构，位于螺母与钛支撑结构之间。

致冷器与热沉结构之间采用GD414硅橡胶粘接，胶层厚度在装配过程中控制在0.1mm～0.2mm。

铜块与致冷器、铜块与图像探测器之间，采用GD414硅橡胶粘接，胶层厚度在装配过程中控制在0.1mm～0.2mm。

所述的光学系统云台安装在热沉结构，用于安装外部光学系统，光学系统云台的中心为圆形孔，图像探测器的中心与光学系统云台中心孔的圆心对齐。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、图像探测器与光学系统中心定量对齐：

通过在结构上刻标识，并采用万能工具显微镜，将图像探测器光敏面中心与光学系统中心对齐。光学系统云台与光学系统轴孔配合公差为Δ，则对齐精度为0.06mm+Δ。

2、抗力学、热学环境性能良好：

1)图像探测器无过定位：图像探测器的管脚焊接在挠性板上，底部粘接在铜块上，挠性板具有较大的柔性，因此图像探测器的主承力结构为铜块，避免过定位的问题。

2)致冷器有辅助固定：导热铜块组件通过支撑柱安装在热沉结构上，对致冷器起到保护的作用。铜块若仅是粘接于致冷器上表面，则在力学环境中，铜块将成为致冷器的负载，对致冷器陶瓷片和PN结将产生较大分离作用力。

3、力、热稳定性良好：

1)导热铜块组件通过支撑柱安装在热沉结构上，避免了仅靠胶粘固定的方式，提高了图像探测器在航天力、热环境下的高精度及高可靠度定位，即力、热环境的影响下，图像探测器的位置漂移在设计允许范围内。

2)导热铜块组件采用支撑柱安装在热沉结构上，形成了回热路径。但通过合理设计路径构型及材料，大大提高了导热效率。目前该结构能够实现致冷器冷热端20度温差的指标要求。

4、批量生产的一致性、互换性良好：

采用测高仪控制粘接用胶的厚度，控制在0.1mm～0.2mm之间，提高了批量化生产的一致性、互换性。

附图说明

图1为本发明星敏感器图像探测器组件的高可靠度装配结构的剖视图；

图2为本发明装配结构中图像探测器电路组件示意图；

图3a、3b为本发明装配结构中导热铜块组件示意图；

图4为本发明装配结构中导热铜块结构示意图；

图5为本发明装配结构中钛支撑结构示意图；

图6为本发明装配结构中隔热垫片示意图

具体实施方式

如附图1所示，该结构由光学系统云台1、图像探测器电路组件2、电路支撑柱3、铜块支撑柱4、导热铜块组件5、致冷器6和热沉结构7组成。图像探测器电路组件通过电路支撑柱安装在热沉结构上。导热铜块组件通过铜块支撑柱安装于热沉结构上。致冷器位于导热铜块组件下方，粘接于热沉结构上。光学系统云台位于图像探测器电路组件上方，安装于热沉结构上。

如附图2所示，图像探测器电路组件由刚挠板8和图像探测器9组成，刚挠板外部为刚性板，内部为挠性板，图像探测器焊接在挠性板上。如附图3所示，导热铜块组件位于图像探测器组件下方，由铜块10、钛支撑结构11、隔热垫片12和隔热套筒13组成。铜块通过隔热垫片和隔热套筒安装于钛支撑结构上。

该结构设计方案具备以下特点：

1、致冷器与热沉结构、铜块与致冷器、铜块与图像探测器之间，均采用GD414硅橡胶粘接，胶层厚度在装配过程中控制在0.1mm～0.2mm。

2、热沉结构刻有高精度标识，即4个均布的十字叉，作为图像探测器粘接过程中的定位基准。光学系统云台与光学系统为高精密的轴孔配合关系，因此将图像探测器中心与光学系统云台中心孔对齐，即能保证图像探测器与光学系统中心对齐的关系。

3、导热铜块组件位于致冷器上方，对致冷器起到保护作用。通过合理构型和材料选择，提高热传导效率θ。

其中，θ为导热结构热传导效率，φ_导为导热热流量，φ_回为回热热流量，ΔT为冷热端温差，K_回为回热路径的导热系数，K_导为导热路径的导热系数。根据公式得到，若要提高热传导效率，需要减小K_回，提高K_导。

铜块为导热路径，钛支撑结构、铜块支撑柱为回热路径。设计中采用聚酰亚胺隔热垫片、套筒和钛合金支撑柱、紧固件等低导热系数的材料零件以减小K_回，同时构型上也采取将自身支撑部分与和导热铜块连接部分进行90度隔开设计，延长传热路径，进而减小K_回。

4、铜块支撑柱和电路支撑柱的高度设计为系列尺寸，步进0.1mm。在装配中，通过高精度测高，选择合适高度尺寸的支撑柱进行装配。

装调方法，步骤如下：

1、粘接致冷器热端至热沉结构：采用高精度测高仪测量热沉结构上表面高度H1和致冷器冷热端厚度H2，在致冷器热端均匀涂抹硅橡胶，并粘接至热沉结构上表面，采用测高仪监测粘接后致冷器冷端高度H3，当H3＝H1+H2+(0.1mm～0.2mm)时，停止调整。

2、装配导热铜块组件。

3、安装导热铜块组件：测量铜块下表面相对钛支撑结构安装耳底面的高差H4，选择4个高度一致，高为H3+H4+(0.1mm～0.2mm)的铜块支撑柱，安装导热铜块组件。

4、安装图像探测器电路组件：测量铜块上表面相对热沉上电路支撑柱安装面的高度H5，图像探测器底面相对于刚挠板安装面高度H6，选择4个高度一致，高为H5+H6+(0.1mm～0.2mm)的电路支撑柱。在图像探测器底面均匀涂抹硅橡胶，通过4个电路支撑柱安装图像探测器电路组件至热沉结构，螺钉不紧固。

5、通过万能工具显微镜精测热沉结构的4个十字叉，测得热沉结构几何中心，同时通过测量图像探测器光敏面4个顶角，测量光敏面的几何中心。通过水平微调图像探测器电路组件，保证光敏面几何中心与热沉结构几何中心对齐，对齐精度为0.1mm。

安装光学系统云台：安装光学系统云台至热沉结构，采用万能工具显微镜在云台中部的配合孔边缘测量6个点，通过拟合圆得到圆心点。通过水平调整光学系统云台，使得光学系统云台的圆孔中心和光敏面的几何中心对齐，对齐精度为0.06mm。

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 (9)

1.一种星敏感器图像探测器组件，其特征在于：包括光学系统云台(1)、图像探测器电路组件(2)、电路支撑柱(3)、铜块支撑柱(4)、导热铜块组件(5)、致冷器(6)和热沉结构(7)；图像探测器电路组件(2)通过电路支撑柱(3)安装在热沉结构(7)上；导热铜块组件(5)通过铜块支撑柱(4)安装于热沉结构(7)上；致冷器(6)位于导热铜块组件(5)下方，并粘接于热沉结构(7)上；光学系统云台(1)位于图像探测器电路组件(2)上方，并安装于热沉结构(7)上；所述的图像探测器电路组件(2)包括刚挠板(8)和图像探测器(9)，所述刚挠板(8)外部为刚性板，内部为挠性板；图像探测器(9)焊接在挠性板上。

2.根据权利要求1所述的一种星敏感器图像探测器组件，其特征在于：所述的导热铜块组件(5)位于图像探测器电路组件(2)下方，由铜块(10)、钛支撑结构(11)、隔热垫片(12)和隔热套筒(13)组成；铜块(10)位于钛支撑结构(11)中心的方形孔中，铜块(10)的安装耳位于钛支撑结构(11)的两边上；铜块(10)通过隔热垫片(12)和隔热套筒(13)安装于钛支撑结构(11)上。

3.根据权利要求2所述的一种星敏感器图像探测器组件，其特征在于：所述的铜块(10)为方形结构，有4个安装耳，两两分别位于相对两侧。

4.根据权利要求2所述的一种星敏感器图像探测器组件，其特征在于：所述的钛支撑结构(11)为回字型结构，4边各有两个安装孔，其中相对两边上的安装孔为一组接口，分别为与铜块(10)的安装接口和与铜块支撑柱(4)的配合接口。

5.根据权利要求2所述的一种星敏感器图像探测器组件，其特征在于：所述隔热垫片(12)为聚酰亚胺材料所制，扁平状，位于铜块(10)的安装耳与钛支撑结构(11)之间。

6.根据权利要求2所述的一种星敏感器图像探测器组件，其特征在于：所述的隔热套筒(13)为聚酰亚胺材料所制，T字型筒状结构，位于螺母与钛支撑结构(11)之间。

7.根据权利要求1所述的一种星敏感器图像探测器组件，其特征在于：致冷器(6)与热沉结构(7)之间采用GD414硅橡胶粘接，胶层厚度在装配过程中控制在0.1mm～0.2mm。

8.根据权利要求1所述的一种星敏感器图像探测器组件，其特征在于：铜块(10)与致冷器(6)、铜块(10)与图像探测器(9)之间，采用GD414硅橡胶粘接，胶层厚度在装配过程中控制在0.1mm～0.2mm。

9.根据权利要求1所述的一种星敏感器图像探测器组件，其特征在于：所述的光学系统云台(1)安装在热沉结构(7)，用于安装外部光学系统，光学系统云台(1)的中心为圆形孔，图像探测器(9)的中心与光学系统云台(1)中心孔的圆心对齐。