CN107844631B

CN107844631B - 一种遥感器全寿命周期轨道外热流极端工况精确确定方法

Info

Publication number: CN107844631B
Application number: CN201710911102.2A
Authority: CN
Inventors: 于波; 刘义良; 郭楠; 徐娜娜; 高长春; 行麦玲
Original assignee: Beijing Institute of Space Research Mechanical and Electricity
Current assignee: Beijing Institute of Space Research Mechanical and Electricity
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2021-02-09
Anticipated expiration: 2037-09-29
Also published as: CN107844631A

Abstract

本发明公开了一种遥感器全寿命周期轨道外热流极端工况精确确定方法，属于空间光学遥感器精密热控技术领域。具体为：1)、选取卫星上对遥感器入光口外热流存在遮挡的部件、遥感器内部与光学镜头存在辐射换热的部件，忽略光学镜头背面辐射、热容和导热系数，建立遥感器有限元热模型；(2)、采用热分析软件，按照预设轨道，计算遥感器有限元热模型所有有限元节点全寿命周期的温度，从中提取出遥感器光学镜头每个有限元节点全寿命周期的温度；(3)、根据遥感器光学镜头全寿命周期的温度，计算遥感器光学镜头每个有限元节点全寿命周期吸收的外热流，选取外热流极值确定遥感器全寿命周期轨道外热流极端工况。该方法计算全面、效率高、精度高。

Description

一种遥感器全寿命周期轨道外热流极端工况精确确定方法

技术领域

本发明涉及一种遥感器全寿命周期轨道外热流极端工况精确确定方法，适用于大口径光学遥感器、低温光学遥感器等对外热流波动十分敏感的空间光学相机，属于空间光学遥感器精密热控技术领域。

背景技术

随着对航天光学遥感器分辨率和成像质量要求的不断提高，遥感器有逐渐向长焦距、大口径发展的趋势。然而长焦距、大口径的光学系统成像质量对外热流变化更加敏感，需要热控设计提供准确的在轨外热流分析。外热流分析中，一般根据卫星轨道、姿态等参数进行外热流分析，并确定遥感器外热流最大的极端高温工况，与外热流最小的极端低温工况，作为热控设计的依据。

以往外热流极端工况的确定，往往是通过分析卫星各外表面入射的外热流大小近似作为遥感器入光口或散热面的极端高、低温工况。但对于光学遥感相机来说，入光口平面外热流极大极小不一定能代表内部光学镜头极端高温、低温。特别是对于高轨红外光学相机，光学镜头温度除了受外热流直接影响外，还受遮光罩等部件的红外热影响。而高轨遮光罩(外表面一般喷涂白漆以降低温度)温度不仅受入光口平面外热流影响，还受周围各方向的外热流影响。因此，简单的以入光口平面外热流极大极小作为遥感相机的极端高低温工况存在设计偏差。

另外，以往外热流极端工况一般简单认为发生在β角(阳光与轨道面之间的夹角)最大最小，太阳常数最大最小等特殊时刻。该方法对于在轨姿态调整简单、散热面单一的遥感器是有效的。但对于姿态调整复杂或者散热面与其它结构之间存在遮挡的卫星，极端外热流的大小以及发生时刻往往与上述方式计算存在一定偏差。

再者，对于大口径光学遥感器或低温光学遥感相机，往往需要考虑一段时间内(几个月或者几年内)外热流变化趋势对相机成像质量的影响规律，以此作为自适应光学或调焦设计的依据。因此，开展全寿命周期外热流极端工况筛选是十分必要的，但目前公开文献鲜有该方面研究。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对目前遥感相机轨道极端外热流分析的不足，提出了一种遥感器全寿命周期轨道外热流极端工况精确确定方法，将遥感器光学镜头极端外热流确定转换为其极端温度的确定，得到遥感器精确的极端外热流工况。

本发明的技术方案是：一种遥感器全寿命周期轨道外热流极端工况精确确定方法，该方法包括如下步骤：

(1)、选取卫星上对遥感器入光口外热流存在遮挡的部件、遥感器内部与光学镜头存在辐射换热的部件，根据所选部件之间的几何位置关系、接触关系，各部件的材料属性、表面辐射属性，忽略光学镜头背面辐射、热容和导热系数，建立包含光学镜头的遥感器有限元热模型；

(2)、根据卫星全寿命周期内的轨道变化，设置卫星全生命周期的轨道参数，根据外部输入设置卫星全生命周期的姿态变化，采用热分析软件，计算按照预设的轨道运行情况下，遥感器有限元热模型所有有限元节点全寿命周期的温度，从中提取出遥感器光学镜头每个有限元节点全寿命周期的温度；

(3)、根据遥感器光学镜头全寿命周期的温度，计算遥感器光学镜头每个有限元节点全寿命周期吸收的外热流，选取外热流极值确定遥感器全寿命周期轨道外热流极端工况。

所述步骤(3)根据遥感器光学镜头温度，计算遥感器光学镜头的吸收的外热流的计算公式为：

Q_外＝εσT⁴

ε为遥感器光学镜头表面的红外发射率，T为遥感器光学镜头瞬态计算温度，σ为斯特潘-波尔兹曼常数

所述热分析软件为Thermal Desktop。

所述卫星全生命周期的轨道参数包括太阳常数、升交点赤经、太阳赤经、轨道高度。

所述卫星全生命周期的轨道参数采用以时间为自变量的函数表示。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明考虑光学镜头的温度稳定性对遥感器成像的质量的关键性影响，通过建立光学镜头、遮光罩、卫星表面等部件的热模型，并忽略研究对象热容、背面辐射、导热系数，将极端外热流筛选转换为研究目标极端温度的筛选，该极端温度不仅反映了外热流的大小，还包含了遮光罩等周围部件对光学镜头的红外热影响，相比于以往极端外热流分析方法更精确。

(2)、本发明相比于传统外热流分析中，仅仅分析一些特殊时刻或工作模式的方法，将卫星全生命周期的轨道参数采用以时间为自变量的函数表示，实现软件自动计算，可以快速计算出全寿命周期外热流的变化趋势，因此分析结果更全面，可为大口径光学遥感器或低温光学相机自适应光学设计提供可靠的输入；

(3)、本发明忽略光学镜头背面辐射、热容，建立包含光学镜头的遥感器有限元热模型，剥离了光学镜头背面设备热交换，温度的计算结果准确反映了外热流的变化，提高了外热流的计算精度。

(4)、本发明忽略导热系数，准确地反映光学镜头镜面上的外热流分布，提高了外热流的计算精度。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明实施例红外光学相机示意图；

图3为本发明实施例太阳常数随一年内不同日期的变化曲线；

图4为某大椭圆轨道相机入光口透镜在某年12月内瞬态外热流变化趋势；

图5为某太阳同步轨道遥感器入光口一年内周期平均外热流变化趋势；

图6为某地球静止轨道遥感器入光口一年内周期平均外热流变化趋势。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明考虑光学镜头的温度稳定性对遥感器成像的质量十分关键，以光学镜头的外热流极端工况作为遥感器全寿命周期轨道外热流极端工况，提出了一种遥感器全寿命周期轨道外热流极端工况精确筛选方法。如图1所示，该方法的具体步骤为：

下面以图2所示的某红外光学相机为例，对本步骤进行详细说明。该红外相机主要包括遮光罩、反射镜、透镜组、镜筒、冷屏、探测器等部件。相机工作时，光线从入光口照射到反射镜上，然后反射到透镜组(包含透镜1～透镜6)，经过透镜透射，光线最终到达探测器。遮光罩、卫星天线、太阳帆板等(本图未给出)为对遥感器入光口对外热流存在遮挡的部件，反射镜即为遥感器内部与光学镜头存在辐射换热的部件。

由于光学镜头透镜1的温度稳定性对遥感器成像的质量的关键性影响，因此，本实施例中以光学镜头透镜1作为研究对象用于遥感器外热流分析。首先，建立研究对象透镜1的热仿真模型：建立透镜1的热网格模型，并将镜头1入光口表面根据物理实际设定相应的辐射属性，而透镜1背面的热辐射属性则关闭，即不考虑透镜1与后面透镜、镜筒等部件的换热；其次将透镜1网格设定为具有零热容的算术节点，对于算术节点，其吸收的外热流实时等于辐射至外太空的热流。其次，建立周围环境的热仿真模型，主要包含两部分，一部分为与研究目标存在红外辐射的部件，一部分为遮挡外热流部件。本实施例中，需要建立遮光罩、反射镜等对透镜1有红外热辐射部件的热模型，并根据物理实际设定相应的辐射属性以及热物理属性；根据卫星具体结构形式，建立遥感器或卫星的外表面热模型。对外热流存在遮挡的部件也建立其热模型，例如太阳帆板。

(2)、根据卫星全寿命周期内的轨道变化，设置卫星全生命周期的轨道参数，所述卫星全生命周期的轨道参数包括太阳常数、升交点赤经、太阳赤经、轨道高度，根据外部输入设置卫星全生命周期的姿态变化，采用热分析软件，如Thermal Desktop，计算按照预设的轨迹运行情况下，遥感器有限元热模型所有有限元节点全寿命周期的温度，从中提取出遥感器光学镜头每个有限元节点全寿命周期的温度。

对于轨道参数及卫星姿态存在明显周期变化的遥感器，可只计算某一周期内的外热流，但对于轨道或卫星姿态复杂而无明显周期规律者，则需要计算全寿命周期内外热流。

计算全寿命期间或一个回归周期内温度。首先将变量参数化，变量参数化是实现软件自动计算的基础，其主要包括日期参数化以及轨道参数化。其中，轨道参数化是将太阳常数、升交点赤经等随日期而发生改变的参数采用以时间为自变量的函数表示，在软件计算时调用。

图3所示为太阳常数在某一年内随日期DAY的变化曲线，可以通过拟合获得太阳常数采用以时间为自变量的函数表达式。其中DAY＝1代表1月1日。

对于太阳同步轨道，升交点赤经也是日期变化的函数。根据升交点赤经的定义，其应该满足：

其中，Ω₀为春分时刻的升交点赤经，其与升交点地方时RA_hour的换算关系为：

对于太阳赤经RA_solar，其一年内变化近似满足以下线性关系：

RA_solar＝0.98DAY-78.74

其次，在热分析软件Thermal Desktop，SINDA-OPERATION窗口基于FORTRAN语言编辑软件脚本程序，通过输入参数采用软件模拟，并且每计算一次，均对参数自动更新，并记录网格节点的温度。计算结束输出所网格节点温度在全寿命期间或一周期内的变化曲线。

(3)、根据遥感器光学镜头全寿命周期的温度，计算遥感器光学镜头每个有限元节点全寿命周期吸收的外热流，选取外热流极值确定遥感器全寿命周期轨道外热流极端工况，即：筛选极端高低温值以及相应的时刻，作为极端外热流工况。

忽略外太空2.7K的背景温度，计算遥感器光学镜头的吸收的外热流的计算公式为：

Q_外＝εσT⁴

ε为遥感器光学镜头表面的红外发射率，T为遥感器光学镜头瞬态计算温度，σ为斯特潘-波尔兹曼常数。由上式可知，基于ThermalDesktop软件温度T的变化代表了透镜吸收外热流的变化。

图4、图5、图6分别为上述红外光学相机所在卫星沿某大椭圆轨道、某典型太阳同步轨道和某典型地球静止轨道运转一周，红外光学相机的外热流计算结果。

首先计算了某大椭圆轨道，其近地点高度1500Km,远地点高度约39000Km，轨道倾角63.4°，近地点幅角270°，卫星采用可变双矢量姿态控制，确保卫星+X面不受太阳照射。图4给出了透镜1在某年12月份外热流变化曲线。由图，可看到12月份，透镜1极端外热流逐渐增大。

其次计算了某常见太阳同步轨道，如图5所示一典型的太阳同步轨道，降交点地方时上午8点，轨道高度500Km，偏心率0.001，倾角97.4°,透镜1周期平均外热流在一年内的变化曲线，其中出现外热流极大时刻为DAY＝50，与β角最大时刻3月20号十分吻合。

另外，计算了典型地球静止轨道，如图6所示，轨道高度约36000Km，轨道倾角0°，+Z面(入光口)周期平均外热流在一年内的变化曲线，其中DAY＝55、DAY＝103、DAY＝241、DAY＝290分别为外热流最大时刻；分别对应β角为-8.9°，8.5°，9°，-8.8°。DAY＝81、DAY＝175、DAY＝264、DAY＝353附近分别为外热流最小时刻，分别接近春分、夏至、秋分、冬至时刻。

以上是以光学镜头为代表计算遥感器外热流的计算结果。遥感器的其他部件(如散热面)也可以采用相同的方法进行极端工况分析。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims

1.一种遥感器全寿命周期轨道外热流极端工况精确确定方法，其特征在于包括如下步骤：

(3)、根据遥感器光学镜头全寿命周期的温度，计算遥感器光学镜头每个有限元节点全寿命周期吸收的外热流，选取外热流极值确定遥感器全寿命周期轨道外热流极端工况；

根据遥感器光学镜头温度，计算遥感器光学镜头的吸收的外热流的计算公式为：

Q_外＝εσT⁴

ε为遥感器光学镜头表面的红外发射率，T为遥感器光学镜头瞬态计算温度，σ为斯特潘-波尔兹曼常数。

2.根据权利要求1所述的一种遥感器全寿命周期轨道外热流极端工况精确确定方法，其特征在于：所述热分析软件为Thermal Desktop。

3.根据权利要求1所述的一种遥感器全寿命周期轨道外热流极端工况精确确定方法，其特征在于：所述卫星全生命周期的轨道参数包括太阳常数、升交点赤经、太阳赤经、轨道高度。

4.根据权利要求1所述的一种遥感器全寿命周期轨道外热流极端工况精确确定方法，其特征在于：所述卫星全生命周期的轨道参数采用以时间为自变量的函数表示。