CN106289318B - 一种高轨大口径光学遥感器入光口外热流模拟方法 - Google Patents

一种高轨大口径光学遥感器入光口外热流模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高轨大口径光学遥感器入光口外热流模拟方法，采用基于电加热器的吸收热流法代替了基于太阳模拟器的入射热流法；本发明为大口径光学遥感器空间热流模拟提供一种经济、有效、可实现性高的模拟方法，电加热器可直接粘贴在有辐射热流的部件上，可满足不同口径光学遥感器的需求，不受太阳模拟器光斑尺寸以及真空环境模拟室尺寸的限制。本发明解决了高轨大口径光学遥感器遮光罩空间热流模拟问题，且该模拟方法简单有效，工程可实现性高。

Description

一种高轨大口径光学遥感器入光口外热流模拟方法
技术领域
本发明属于热控领域，涉及一种光学遥感器入光口外热流模拟方法。
背景技术
空间光学遥感器在轨运行要经受太阳、行星辐射以及空间深低温的影响，热环境极为复杂，尤其对于工作于地球静止轨道的遥感器，太阳辐射热流一轨内变化剧烈，且高低温持续时间很长。为保证相机在轨满足复杂空间环境下温度需求，需对热控设计进行充分有效的地面真空热环境试验，而其中外热流模拟的有效性是地面环境试验有效的关键因素。
不同于低轨遥感器，地球静止轨道等高轨遥感器在午夜前后光轴与太阳光夹角较小，一轨内遮光罩内外壁均会受到长时间的太阳照射，为减少太阳辐射对相机内部温度的影响，通常高轨遥感器会通过遮光罩实现对太阳光的屏蔽，以避免太阳通过入光口直接照射到遥感器其他光机结构，因此，入光口外热流模拟只需重点考虑遮光罩部分(下文将以遮光罩外热流模拟代替入光口外热流模拟)。此外，为避免遮光罩受晒形成局部热点而影响成像质量，一般会采取较为复杂的热控设计控制遮光罩温度，复杂的遮挡关系和复杂的太阳能量反射吸收情况更需进行准确的外热流模拟，来开展地面真空热试验，验证遮光罩仿真模型和热控设计的正确性，以确保相机光机主体温度水平。
目前常用的入光口外热流模拟方法为红外笼模拟和太阳模拟器模拟。红外笼模拟无法进行复杂的分区，模拟精度不高，且红外笼模拟存在滞后，遮挡光路。采用太阳模拟器模拟高轨遥感器遮光罩太阳辐射热流属于入射热流法，是最为准确的外热流模拟方案。但随着光学遥感器分辨率的提高，光学遥感器口径不断增大，由于太阳模拟器与遥感器在轨相对位置关系的变化，太阳模拟器所需口径要远大于光学遥感器口径，因此，采用增大太阳模拟器口径以满足相机口径增大需求的方法是不经济，也是不现实的。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高轨大口径光学遥感器入光口外热流模拟方法，解决了高轨大口径光学遥感器遮光罩空间热流模拟问题，且该模拟方法简单有效，工程可实现性高。
本发明的技术解决方案是：一种高轨大口径光学遥感器入光口外热流模拟方法，包括如下步骤：
步骤一、根据光学遥感器遮光罩实际尺寸以及可用太阳模拟器有效覆盖范围制作缩比遮光罩，将缩比遮光罩置于真空环境模拟室内太阳模拟器光斑范围内，真空低温环境下，开启太阳模拟器为一个太阳常数直至缩比遮光罩各个测温点均达到稳定，获得缩比遮光罩的温度场分布；
步骤二、建立缩比遮光罩的热仿真分析模型B1，所述热仿真分析模型B1中包括环境条件和轨道条件，环境条件与步骤一中相同，轨道条件与实际运行轨道条件相同，并保证太阳光与缩比遮光罩的光轴夹角与步骤一中遮光罩光轴与太阳光夹角相同；计算获得热仿真分析模型B1的温度场分布，修正热仿真分析模型B1使得热仿真分析模型B1的温度场与步骤一中获得的缩比遮光罩的温度场分布一致；
步骤三、计算热仿真分析模型B1遮光罩各部位吸收太阳辐射热流密度，根据热流密度分布规律对缩比遮光罩进行分区，计算各分区吸收的热流量；
步骤四、去除热仿真分析模型B1中的步骤二中轨道设置并保留环境条件，建立缩比遮光罩的热仿真分析模型B2，用热载荷的方式模拟电加热器的加载量，加载量与步骤三中获得的各分区吸收的热流量一致；计算获得热仿真分析模型B2温度场分布，通过调整分区和分区内相应电加热器的功耗，使得热仿真分析模型B2温度场分布与步骤二中获得的热仿真分析模型B1的温度场分布一致，获得分区及各分区内电加热器的功耗；
步骤五、去除热仿真分析模型B2中的环境条件，保留步骤四中各分区内电加热器的功耗，获得热仿真分析模型B3，计算获得热仿真分析模型B3的温度场分布；
步骤六、根据热仿真分析模型B3加载功耗的分区在缩比遮光罩外面粘贴热流模拟的电加热器，每个分区电加热器的功耗与步骤三中计算获得的各分区吸收的热流量一致；将缩比遮光罩以步骤一中的位置和角度置于真空环境模拟室内，进行基于电加热器分区的吸收式热流模拟真空热试验，获得缩比遮光罩的温度场分布并与步骤五中获得的热仿真分析模型B3温度场分布对比；
步骤七、根据缩比遮光罩热仿真分析模型B1建立遮光罩的热仿真分析模型B’，设置轨道参数，计算获得遮光罩的太阳辐射热流分布，并以缩比遮光罩热仿真分析模型B3的电加热器分区方法对遮光罩进行分区，并根据热仿真分析模型B’的热流分布结果计算各个分区总的辐射热量；
步骤八、根据步骤七中热仿真分析模型B’计算获得的电加热器分区以及功耗在遮光罩上进行电加热器粘贴和功耗加载，模拟遮光罩的外热流。
所述缩比遮光罩的直径d、长度l满足：l·sinα+d·cosα≤ψ、l/L＝d/D；其中，D为遮光罩的实际直径，L为遮光罩的实际长度，ψ为太阳模拟器有效覆盖范围直径；α为遮光罩光轴与太阳光夹角；缩比遮光罩的材料和热控措施与实际尺寸的遮光罩一致。
所述步骤一中真空低温环境指压力低于1×10-3Pa，温度低于100K。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用基于电加热器的吸收热流法代替了基于太阳模拟器的入射热流法，为大口径光学遥感器空间热流模拟提供一种经济、有效、可实现性高的模拟方法；采用电加热器模拟空间热流，电加热器可直接粘贴在有辐射热流的部件上，可满足不同口径光学遥感器的需求，不受太阳模拟器光斑尺寸以及真空环境模拟室尺寸的限制。
(2)本发明采用缩比遮光罩，将入射热流法结果与吸收热流法结果从仿真模型与真空试验两个角度进行对标，以试验验证模型，一方面确保仿真模型充分考虑了复杂的遮挡关系与太阳辐射能量黑洞现象的影响，验证了仿真模型的正确性；另一方面确保了吸收热流法电加热器分区和功耗加载的正确性，大大提高了吸收热流法模拟空间热流的精度。
(3)本发明采用电加热器模拟空间热流，可实现复杂遥感器构型的热流模拟需求，且模拟热流的电加热器粘贴于遥感器表面，对遥感器光路无遮挡，不影响遥感器地面性能测试。
附图说明
图1为入射热流法转换吸收热流法的逻辑关系图；
图2为入射热流法转换吸收热流法的流程图；
图3为缩比遮光罩试验系统示意图。图中1-真空环境模拟室，2-太阳模拟器反射镜，3-太阳模拟器光源入口，4-缩比遮光罩，5-电加热器。
具体实施方式
下面结合具体实例以及附图说明本发明的实施方式。
如图3所示，缩比遮光罩试验系统包括真空环境模拟室1、太阳模拟器反射镜2、太阳模拟器光源入口3、缩比遮光罩4、电加热器5；太阳模拟器反射镜2和太阳模拟器光源入口3位于真空环境模拟室1壁面上，电加热器5粘贴于缩比遮光罩4表面，缩比遮光罩4固定在真空环境模拟室1内试验平台上并保证缩比遮光罩4位于太阳模拟器光斑范围内，同时需远离太阳模拟器反射镜2以及太阳模拟器光源入口3。
如图1、图2所示，一种高轨大口径光学遥感器入光口外热流模拟方法，包括如下步骤：
(1)根据光学遥感器遮光罩实际尺寸以及可用太阳模拟器有效覆盖范围设计缩比遮光罩4，实际遮光罩直径为D，长度为L，太阳模拟器有效覆盖范围为直径ψ，遮光罩光轴与太阳光夹角为α，则缩比遮光罩4的尺寸(直径为d，长度为l，)应满足：l·sinα+d·cosα≤ψ、l/L＝d/D；
缩比遮光罩4的材料和热控措施与实际尺寸的遮光罩一致。在缩比遮光罩4上均布若干个测温点(测点要保证沿周向均布，沿轴向均布)，将缩比遮光罩4置于真空环境模拟室内太阳模拟器光斑范围内，真空环境模拟室内压力低于1×10-3Pa，温度低于100K，开启太阳模拟器为一个太阳常数，直至缩比遮光罩4各个测温点均达到稳定，至此完成热试验A，获得缩比遮光罩4温度分布。
(2)建立缩比遮光罩4的热仿真分析模型B1，建立与热试验A状态完全一致的环境条件(包含安装温度边界，真空环境模拟室温度边界，太阳模拟器及其反射镜位置以及温度边界)，建立计算轨道保证太阳光与光轴夹角与试验A相同，采用轨道热仿真分析软件计算获得缩比遮光罩4的温度场分布，对比热试验A中温度测点位置的温度，通过修正模型B1，使得仿真分析结果温度结果与试验A温度结果一致。
(3)采用轨道热仿真分析软件计算热仿真分析模型B1缩比遮光罩4各部位吸收太阳辐射热流密度，根据热流密度分布规律(热流密度值相近或相等)对缩比遮光罩4进行分区，计算各个分区吸收的热流量；
(4)去除模型B1中的轨道设置，保留环境条件，建立热分析模型B2，用热载荷的方式模拟电加热器5加载通过模型B1获得的每个分区的太阳辐射能量，采用轨道热仿真分析软件计算获得模型B2温度场，与模型B1的温度场分布对比；若温度场不一致，重复步骤(3)，减小分区面积重新分区并计算功耗，直至模型B1和模型B2温度场分布一致，最终获得合理的电加热器5分区。
(5)去除模型B2中的环境条件，保留模拟电加热器5的热载荷，获得热分析模型B3，采用轨道热仿真分析软件计算，获得模型B3的温度场分布。
(6)根据热仿真分析模型B3的分区在缩比遮光罩4外表面粘贴电机热器，每个分区为一个回路，回路功耗与步骤(5)中各分区吸收的热流量一致。将缩比遮光罩4以试验A的位置和角度置于真空环境模拟室内，开展基于电加热器5分区的吸收式热流模拟真空热试验C，获得温度场分布；将试验C温度场分布与模型B3温度场分布对比，进一步验证模型的正确性。
至此，完成缩比遮光罩4仿真与试验研究，逻辑关系如图1(缩比遮光罩4部分)所示，B1与A对标可验证B1模型的正确性；B2与B1对标可完成入射热流法向吸收热流法的转换，并验证吸收热流法分区和加载的正确性；B2到B3可去除试验中环境边界的影响；B3与C对标进一步验证模型的正确性。考虑遮光罩温度对光学系统温度的影响，当步骤(2)(3)(5)三步对标中温度结果相差5℃以内时，认为试验C外热流模拟方法得到的温度场对光学系统的温度影响与试验A模拟方法相当，即试验C电加热器5分区方法与功率加载数值的吸收热流法可替代试验A太阳模拟器的入射热流法。
(7)根据缩比遮光罩4模型B1建立遮光罩的热分析模型B’，设置轨道参数，采用轨道热仿真分析软件计算获得遮光罩太阳辐射热流分布，并以缩比遮光罩4模型B3的电加热器5分区方法对遮光罩进行分区，并根据B’模型的热流分布结果计算各个分区总的辐射热量。
(8)根据模型B’计算获得的电加热器5分区以及功耗进行电加热器5粘贴和功耗加载，采用吸收式热流模拟方法进行遮光罩的真空热环境试验。根据缩比模型吸收式热流模拟与入射式热流模拟相当，可以推断相机模型可以采用吸收式热流模拟代替入射式热流模拟。
实施例
某地球静止轨道光学遥感器入光口直径为800mm，国内可用太阳模拟器有效光斑直径为600mm，因此无法采用入射式热流模拟方式来模拟在轨太阳辐射热流，需经过一定的等效与验证选择合适的吸收热流模拟方法代替入射热流法。
该光学遥感器在轨运行中通过姿态调整保证入光口方向上太阳辐射热流最深能照射到遮光罩根部，因此入光口方向上外热流的模拟可仅考虑遮光罩外热流模拟。具体步骤如下：
步骤一、根据光学遥感器的口径以及国内可用太阳模拟器的光斑直径，确定采用1:2的缩比遮光罩4模型进行缩比试验A，缩比遮光罩4材料与遮光罩完全一致，直径以及长度均按1:2缩小。试验系统示意图见图3，将缩比遮光罩4固定于真空环境模拟室内，调整遮光罩角度，使太阳模拟器光线可以照射到缩比遮光罩4内壁根部。在缩比遮光罩4表面粘贴测温点，以在试验中监测遮光罩温度分布。
步骤二、建立缩比遮光罩4热仿真分析模型B1，并根据步骤一试验A结果修正模型B1的网格尺寸、热耦合等，确保模型能够充分考虑光栏等复杂结构的相互遮挡关系。其中，为确保模型B1与试验A具有相同的边界条件，根据试验A实测结果，将模型B1中太阳模拟器光源入口与反射镜温度设置为20℃。模型B1计算结果与试验A测试结果对比情况如表1所示，所有点温度相差在4.9℃以内，验证了模型B1的正确性。
步骤三、根据热仿真分析模型B1的外热流分析结果划分电加热器5分区，并计算电加热器5加载功耗；
步骤四、去除模型B1轨道，以电加热器5分区加载外热流的形式建立模型B2，实现入射热流法向吸收热流法的转换，不断细化调整电加热器5分区与相应功耗，直至B2仿真分析结果与B1分析结果一致。其中，模型B2与模型B1边界条件相同，即太阳模拟器光源入口与反射镜温度设为20℃。模型B2计算结果与模型B1计算结果对比情况如表2所示，所有点温度相差在5℃以内，验证了模型B2加热回路分区和功耗加载的正确性。
步骤五、根据模型B2，将太阳模拟器光源入口与反射镜温度设为真空环境模拟室壁面温度，去除试验A边界条件对遮光罩温度场的影响，建立电加热器5模拟外热流的热仿真分析模型B3，获取仿真计算结果。
步骤六、根据模型B3的电加热器5分区情况在缩比遮光罩4模型外表面粘贴模拟外热流电加热器5，将粘贴电加热器5的缩比遮光罩4以试验A的位置和角度置于真空环境模拟室内，开展吸收式热流模拟真空热试验C。模型B2计算结果与试验C测试结果对比情况如表2所示，所有点温度相差在3.4℃以内。
步骤七、根据缩比遮光罩4模型B1建立遮光罩热仿真分析模型B’，进行轨道热仿真分析，并以缩比遮光罩4模型B3的电加热器5分区方法对遮光罩进行分区，计算电加热器5加载功耗。
步骤八、根据模型B’计算获得的电加热器5分区以及功耗采用吸收式热流模拟方法进行遮光罩的热环境试验C’。根据缩比遮光罩4吸收式热流模拟C与入射式热流模拟A相当，可以推断遮光罩可以采用吸收式热流模拟C’代替入射式热流模拟A’。
至此，完成了遮光罩吸收式热流的模拟。
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 (2)

1.一种高轨大口径光学遥感器入光口外热流模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、根据光学遥感器遮光罩实际尺寸以及可用太阳模拟器有效覆盖范围制作缩比遮光罩(4)，将缩比遮光罩(4)置于真空环境模拟室(1)内太阳模拟器光斑范围内，真空低温环境下，开启太阳模拟器为一个太阳常数直至缩比遮光罩(4)各个测温点均达到稳定，获得缩比遮光罩(4)的温度场分布；
所述步骤一中真空低温环境指压力低于1×10-3Pa，温度低于100K；
步骤二、建立缩比遮光罩(4)的热仿真分析模型B1，所述热仿真分析模型B1中包括环境条件和轨道条件，环境条件与步骤一中相同，轨道条件与实际运行轨道条件相同，并保证太阳光与缩比遮光罩(4)的光轴夹角与遮光罩光轴与太阳光夹角α相同；计算获得热仿真分析模型B1的温度场分布，修正热仿真分析模型B1使得热仿真分析模型B1的温度场与步骤一中获得的缩比遮光罩(4)的温度场分布一致；
步骤三、计算热仿真分析模型B1遮光罩各部位吸收太阳辐射热流密度，根据热流密度分布规律对缩比遮光罩(4)进行分区，计算各分区吸收的热流量；
步骤四、去除热仿真分析模型B1中的步骤二中轨道设置并保留环境条件，建立缩比遮光罩(4)的热仿真分析模型B2，用热载荷的方式模拟电加热器(5)的加载量，加载量与步骤三中获得的各分区吸收的热流量一致；计算获得热仿真分析模型B2温度场分布，通过调整分区和分区内相应电加热器(5)的功耗，使得热仿真分析模型B2温度场分布与步骤二中获得的热仿真分析模型B1的温度场分布一致，获得分区及各分区内电加热器(5)的功耗；
步骤五、去除热仿真分析模型B2中的环境条件，保留步骤四中各分区内电加热器(5)的功耗，获得热仿真分析模型B3，计算获得热仿真分析模型B3的温度场分布；
步骤六、根据热仿真分析模型B3加载功耗的分区在缩比遮光罩(4)外面粘贴热流模拟的电加热器(5)，每个分区电加热器(5)的功耗与步骤三中计算获得的各分区吸收的热流量一致；将缩比遮光罩(4)以步骤一中的位置和角度置于真空环境模拟室(1)内，进行基于电加热器(5)分区的吸收式热流模拟真空热试验，获得缩比遮光罩(4)的温度场分布并与步骤五中获得的热仿真分析模型B3温度场分布对比；
步骤七、根据缩比遮光罩(4)热仿真分析模型B1建立遮光罩的热仿真分析模型B’，设置轨道参数，计算获得遮光罩的太阳辐射热流分布，并以缩比遮光罩(4)热仿真分析模型B3的电加热器(5)分区方法对遮光罩进行分区，并根据热仿真分析模型B’的热流分布结果计算各个分区总的辐射热量；
步骤八、根据步骤七中热仿真分析模型B’计算获得的电加热器(5)分区以及功耗在遮光罩上进行电加热器(5)粘贴和功耗加载，模拟遮光罩的外热流。
2.根据权利要求1所述的一种高轨大口径光学遥感器入光口外热流模拟方法，其特征在于：所述缩比遮光罩(4)的直径d、长度l满足：l·sinα+d·cosα≤ψ、l/L＝d/D；其中，D为遮光罩的实际直径，L为遮光罩的实际长度，ψ为太阳模拟器有效覆盖范围直径；α为遮光罩光轴与太阳光夹角；缩比遮光罩(4)的材料和热控措施与实际尺寸的遮光罩一致。
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