CN115617096B - 大口径空间光学遥感器主反射镜的精密控温装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空间光学遥感器热控技术领域，提供一种大口径空间光学遥感器主反射镜的精密控温装置，包括：前端控温罩、中心控温罩、背部控温罩、后框架和承力筒；承力筒为顶部开口的空心圆柱一体结构，主反射镜的反射面朝外固定在承力筒的底部，主反射镜的反射面前设置有中心光阑结构；后框架与承力筒之间进行固定连接；前端控温罩为薄壁筒状结构，固定放置在承力筒内部的侧面；背部控温罩为片状圆环状结构，固定放置在主反射镜的背部与承力筒的底部之间；中心控温罩是对中心光阑结构的复用。本发明实现了针对反射镜的径向、周向及轴向温度直接控制，满足大尺寸反射镜高精度的热控指标要求。

Description

大口径空间光学遥感器主反射镜的精密控温装置

技术领域

本发明涉及空间光学遥感器热控技术领域，特别涉及一种大口径空间光学遥感器主反射镜的精密控温装置。

背景技术

从“哈勃空间望远镜”到“詹姆斯韦伯空间望远镜”的技术发展，说明国际上高分辨率光学成像侦察有效载荷向高分辨、大视场发展；光学系统的通光口径与系统的角分辨率成反比，集光能量与口径的平方成正比，因此增加光学遥感器的口径对提高分辨率及暗弱目标的识别至关重要，空间光学遥感器功能多样化、高分辨、大视场的发展方向，对大口径反射镜的热控提出了更高要求。

在2015年4月15日公开的中国发明专利：反射镜夹层式精密控温装置（申请号：201410788389.0）：包括内层控温装置、外层控温装置和反射镜支撑结构；所述反射镜内层控温装置和外层控温装置结构相同，反射镜支撑结构在内层控温装置和外层控温装置之间，反射镜在内层控温装置内，通过内辐射器的温度来控制反射镜的温度；通过控制外辐射器的温度来控制支撑结构的温度，有效保证反射镜和支撑结构温度的一致性。

在2014年6月18日公开的中国发明专利：一种用于高分辨率光学遥感器精密控温的间接热控装置（申请号201410119879.1）：包括热罩结构、薄膜电加热器、测温元件、多层隔热组件和控温仪器电路；热罩结构隔热安装于被控对象周围，在热罩结构上粘贴薄膜电加热器及测温元件，通过仪器判读测温元件的温度读数，利用控温回路实现对热罩结构的主动控温；同时在热罩结构上包覆多层隔热组件，减低环境温度波动对热罩结构的温度影响，保证热罩结构的温度在控温阈值内波动。通过热罩结构的表面与被控结构的辐射换热，达到被控对象的温度控制。

通常大口径主反射镜其镜面要正对入光口，入光口为4K冷黑环境，镜面热量损失大。上述发明专利201410788389.0通过设置夹层式结构控温罩对反射镜的侧面及背部进行辐射加热，对于镜面的热补偿不足，对于直径大于2m的反射镜，按照此方法控温反射镜会产生明显的径向温差和轴向温差；上述两个发明专利的温度传感器均粘贴于控温罩上，是对控温罩进行控温，通过控温罩结构的表面与被控反射镜表面的辐射换热，达到对反射镜的温度控制；控温罩的平衡温度一般高于反射镜的平衡温度0.5℃~2℃(与反射镜自身的辐射和传导边界相关)，无法根据反射镜的控温目标直接确定控温罩的控温目标，需要根据热平衡试验结果进行修正。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提出一种大口径空间光学遥感器主反射镜的精密控温装置，通过设置反射镜前端控温罩、中心控温罩(主镜中心光阑复用)和背部控温罩，温度传感器直接粘贴于代表反射镜轴向、径向、周向温差的典型位置，控温仪电路直接根据反射镜上的温度传感器反馈进行控温，实现了针对反射镜的径向、周向及轴向温度直接控制，满足大尺寸反射镜高精度的热控指标要求。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供一种大口径空间光学遥感器主反射镜的精密控温装置，包括：前端控温罩、中心控温罩、背部控温罩、后框架和承力筒；

所述承力筒为顶部开口的空心圆柱一体结构，主反射镜的反射面朝外固定在所述承力筒的底部，所述主反射镜的反射面前设置有中心光阑结构；所述后框架与所述承力筒之间进行固定连接；

所述前端控温罩为薄壁筒状结构，固定放置在所述承力筒内部的侧面；

所述背部控温罩为片状圆环状结构，固定放置在所述主反射镜的背部与所述承力筒的底部之间；

所述中心控温罩是对所述中心光阑结构的复用。

优选地，前端控温罩包括：前端辐射器、前端多层隔热组件、隔热连接座和前端闭环控温回路；

所述前端闭环控温回路包括：前端电加热器、N个第一控温传感器、N个第二控温传感器；

将所述前端电加热器的加热区域分为前端前部加热区和前端后部加热区，所述前端前部加热区和前端后部加热区分别均分为N个子加热区；

所述前端前部加热区的N个子加热区与所述N个第一控温传感器组成N个闭环控温回路，即形成N个前端前部控温区；

所述前端后部加热区的N个子加热区与所述N个第二控温传感器组成N个闭环控温回路，即形成N个前端后部控温区；

所述前端辐射器位于所述前端控温罩的最内侧，所述前端电加热器包覆在所述前端辐射器的外表面，所述前端多层隔热组件通过尼龙搭扣包覆在所述前端电加热器的外表面，所述前端多层隔热组件通过所述隔热连接座与所述承力筒的内壁进行接触固定。

优选地，背部控温罩包括：背部辐射器、背部多层隔热组件、隔热垫和背部闭环控温回路；

所述背部闭环控温回路包括：背部加热器、P个第四控温传感器、Q个第五控温传感器；

所述背部加热器的加热区域被分为背部内环加热区和背部外环加热区；所述背部内环加热区被分为P个背部内环子加热区，所述背部外环加热区被分为Q个背部外环子加热区；

所述背部内环加热区的P个背部内环子加热区与所述P个第四控温传感器组成P个闭环控温回路，即形成背部内环控温区；

所述背部内环加热区的Q个背部外环子加热区与所述Q个第五控温传感器组成Q个闭环控温回路，即形成背部外环控温区；

所述背部辐射器通过环氧胶和所述隔热垫固定连接在所述后框架上；所述背部加热器包覆在所述背部辐射器的外侧，所述背部多层隔热组件通过尼龙搭扣包覆在所述背部加热器的外表面。

优选地，中心控温罩包括：中心光阑加热器、M个第三控温传感器；

所述中心光阑加热器包覆在所述中心光阑结构的外表面，所述中心光阑加热器的加热区域被分为M个子加热区，与所述M个控温传感器组成M个闭环控温回路，即形成中心控温区。

优选地，通过对本发明提供装置进行局部灵敏度分析后得到：

所述前端控温罩长度L与反射镜直径D之间的关系为：2L≥D；

所述背部控温罩与反射镜直径D之间的关系为：R1+R2+R3≥D；

其中，R1为所述中心光阑半径；R2为所述背部控温罩内环宽度；R3为所述背部控温罩外环宽度。

优选地，背部辐射器的内表面附有高发射率涂层，发射率ε₁≥0.9；所述前端辐射器的内表面附有高发射率涂层，发射率ε₂≥0.9。

优选地，中心光阑的外表面附有高发射率涂层，发射率ε₃≥0.9。

与现有的技术相比，本发明通过设置反射镜前端控温罩、中心控温罩(主镜中心光阑复用)和背部控温罩，温度传感器直接粘贴于代表反射镜轴向、径向、周向温差的典型位置，控温仪电路直接根据反射镜上的温度传感器反馈进行控温，实现了针对反射镜的径向、周向及轴向温度直接控制，满足大尺寸反射镜高精度的热控指标要求。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的大口径空间光学遥感器主反射镜的精密控温装置立体图。

图2是根据本发明实施例提供的大口径空间光学遥感器主反射镜的精密控温装置剖视图。

图3是根据本发明实施例提供的大口径空间光学遥感器主反射镜的精密控温装置的结构示意图。

图4是根据本发明实施例提供的大口径空间光学遥感器主反射镜的精密控温装置前端加热分区的结构示意图。

图5是根据本发明实施例提供的大口径空间光学遥感器主反射镜的精密控温装置后端加热分区的结构示意图。

图6是根据本发明实施例提供的大口径空间光学遥感器主反射镜的精密控温装置的局部灵敏度分析示意图。

其中的附图标记包括：前端辐射器1、前端电加热器2、前端多层隔热组件3、隔热连接座4、第一控温传感器5、第二控温传感器6、中心光阑结构7、中心光阑加热器8、第三控温传感器9、背部辐射器10、背部加热器11、背部多层隔热组件12、隔热垫13、第四控温传感器14、第五控温传感器15、后框架16、承力筒17、主反射镜18、主反射镜反射区域181、背部内环控温区19、背部外环控温区20、前端前部控温区21、前端前部第一子控温区21-1、前端前部第二子控温区21-2、前端后部控温区22、前端后部第一子控温区22-1、前端后部第二子控温区22-2。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

图1示出了根据本发明实施例提供的大口径空间光学遥感器主反射镜的精密控温装置立体图。

图2示出了根据本发明实施例提供的大口径空间光学遥感器主反射镜的精密控温装置剖视图。

图3示出了根据本发明实施例提供的大口径空间光学遥感器主反射镜的精密控温装置的结构示意图。

如图1-3所示，本发明实施例提供的大口径空间光学遥感器主反射镜的精密控温装置包括：前端控温罩、中心控温罩、背部控温罩、后框架16和承力筒17。

承力筒17为顶部开口的空心圆柱一体结构，主反射镜18的反射面朝外固定在承力筒17的底部，主反射镜18的反射面前设置有中心光阑结构7。后框架16与承力筒17之间进行固定连接。

前端控温罩为薄壁筒状结构，固定放置在承力筒17内部的侧面

背部控温罩为片状圆环状结构，固定放置在主反射镜18的背部与承力筒17的底部之间；

中心控温罩安装在上述中心光阑结构7的外侧。

前端控温罩包括：前端辐射器1、前端多层隔热组件3、隔热连接座4和前端闭环控温回路。

前端闭环控温回路包括：前端电加热器2、N个第一控温传感器5、N个第二控温传感器6。

图4示出了根据本发明实施例提供的大口径空间光学遥感器主反射镜的精密控温装置前端加热分区的结构示意图。

如图4所示，根据主镜位置按轴向将前端电加热器2的加热区域分为前端前部加热区和前端后部加热区，前端前部加热区和前端后部加热区按周向分别均分为N个子加热区。

前端前部加热区的N个子加热区与N个第一控温传感器5组成N个闭环控温回路，即形成N个前端前部控温区21（在本发明的一个实施例中：前端前部控温区21至少包括前端前部第一子控温区21-1和前端前部第二子控温区21-2）；

前端后部加热区的N个子加热区与N个第二控温传感器6组成N个闭环控温回路，即形成N个前端后部控温区22（在本发明的一个实施例中：前端后部控温区22至少包括前端后部第一子控温区22-1和前端后部第二子控温区22-2）。

前端辐射器1的内表面附有高发射率涂层(ε₂≥0.9)，位于前端控温罩的最内侧，前端电加热器2包覆在前端辐射器1的外表面，前端多层隔热组件3通过尼龙搭扣包覆在前端电加热器2的外表面，降低承力筒对前端辐射器的热扰动，前端多层隔热组件3通过隔热连接座4与承力筒17的内壁进行接触固定。

背部控温罩包括：背部辐射器10、背部多层隔热组件12、隔热垫13和背部闭环控温回路。

背部闭环控温回路包括：背部加热器11、P个第四控温传感器14、Q个第五控温传感器15。

图5示出了根据本发明实施例提供的大口径空间光学遥感器主反射镜的精密控温装置后端加热分区的结构示意图。

如图5所示，背部加热器11的加热区域被分为背部内环加热区和背部外环加热区。背部内环加热区被分为P个背部内环子加热区，背部外环加热区被分为Q个背部外环子加热区。

背部内环加热区的P个背部内环子加热区与P个第四控温传感器14组成P个闭环控温回路，即形成背部内环控温区19；

背部内环控温区19包括第一背部内环子控温区19-1、第二背部内环子控温区19-2、第三背部内环子控温区19-3…第N背部内环子控温区19-P。

背部内环加热区的Q个背部外环子加热区与Q个第五控温传感器15组成Q个闭环控温回路，即形成背部外环控温区20。

背部外环控温区20包括第一背部外环子控温区20-1、第二背部外环子控温区20-2、第三背部外环子控温区20-3…第N背部外环子控温区20-Q。

背部辐射器10的内表面附有高发射率涂层(ε₁≥0.9)，通过环氧胶和隔热垫13固定连接在后框架上。背部加热器11包覆在背部辐射器10的外侧，背部多层隔热组件12通过尼龙搭扣包覆在背部加热器11的外表面上。

中心控温罩包括：中心光阑加热器8、M个第三控温传感器9。

中心光阑加热器8包覆在中心光阑结构7即中心辐射器的外表面，加热区域被分为M个周向尺寸一致的子加热区，与临近中心位置的M个控温传感器9组成M个闭环控温回路，即形成中心控温区。

中心光阑结构7即中心辐射器的外表面附有高发射率涂层 (ε₃≥0.9)。

图6示出了本发明实施例提供的大口径空间光学遥感器主反射镜的精密控温装置利用局部灵敏度分析示意图。

如图6所示，本发明利用局部灵敏度分析方法，得出加热装置较佳的尺寸约束：

前端控温罩长度L与反射镜直径D之间的关系为：2L≥D；

背部控温罩与反射镜直径D之间的关系为：R1+R2+R3≥D；

其中，R1为中心光阑半径；R2为背部控温罩内环宽度；R3为背部控温罩外环宽度。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种大口径空间光学遥感器主反射镜的精密控温装置，其特征在于，包括：前端控温罩、中心控温罩、背部控温罩、后框架和承力筒；

所述承力筒为顶部开口的空心圆柱一体结构，主反射镜的反射面朝外固定在所述承力筒的底部，所述主反射镜的反射面前设置有中心光阑结构；所述后框架与所述承力筒之间进行固定连接；

所述前端控温罩为薄壁筒状结构，固定放置在所述承力筒内部的侧面；

所述背部控温罩为片状圆环状结构，固定放置在所述主反射镜的背部与所述承力筒的底部之间；

所述中心控温罩是对所述中心光阑结构的复用；

所述前端控温罩包括：前端辐射器、前端多层隔热组件、隔热连接座和前端闭环控温回路；

所述前端闭环控温回路包括：前端电加热器、N个第一控温传感器、N个第二控温传感器；

将所述前端电加热器的加热区域分为前端前部加热区和前端后部加热区，所述前端前部加热区和前端后部加热区分别均分为N个子加热区；

所述前端前部加热区的N个子加热区与所述N个第一控温传感器组成N个闭环控温回路，即形成N个前端前部控温区；所述N个第一控温传感器粘贴在所述主反射镜上；

所述前端后部加热区的N个子加热区与所述N个第二控温传感器组成N个闭环控温回路，即形成N个前端后部控温区；所述N个第二控温传感器粘贴在所述主反射镜上；

所述前端辐射器位于所述前端控温罩的最内侧，所述前端电加热器包覆在所述前端辐射器的外表面，所述前端多层隔热组件通过尼龙搭扣包覆在所述前端电加热器的外表面，所述前端多层隔热组件通过所述隔热连接座与所述承力筒的内壁进行接触固定;

所述背部控温罩包括：背部辐射器、背部多层隔热组件、隔热垫和背部闭环控温回路；

所述背部闭环控温回路包括：背部加热器、P个第四控温传感器、Q个第五控温传感器；

所述背部加热器的加热区域被分为背部内环加热区和背部外环加热区；所述背部内环加热区被分为P个背部内环子加热区，所述背部外环加热区被分为Q个背部外环子加热区；

所述背部内环加热区的P个背部内环子加热区与所述P个第四控温传感器组成P个闭环控温回路，即形成背部内环控温区；所述P个第四控温传感器粘贴在所述主反射镜上；

所述背部内环加热区的Q个背部外环子加热区与所述Q个第五控温传感器组成Q个闭环控温回路，即形成背部外环控温区；所述Q个第五控温传感器粘贴在所述主反射镜上；

所述背部辐射器通过环氧胶和所述隔热垫固定连接在所述后框架上；所述背部加热器包覆在所述背部辐射器的外侧，所述背部多层隔热组件通过尼龙搭扣包覆在所述背部加热器的外表面；

所述中心控温罩包括：中心光阑加热器、M个第三控温传感器；

所述中心光阑加热器包覆在所述中心光阑结构的外表面，所述中心光阑加热器的加热区域被分为M个子加热区，与所述M个控温传感器组成M个闭环控温回路，即形成中心控温区。

2.根据权利要求1所述的大口径空间光学遥感器主反射镜的精密控温装置，其特征在于，通过对本发明提供装置进行局部灵敏度分析后得到：

所述前端控温罩长度L与反射镜直径D之间的关系为：2L≥D；

所述背部控温罩与反射镜直径D之间的关系为：R1+R2+R3≥D；

其中，R1为所述中心光阑半径；R2为所述背部控温罩内环宽度；R3为所述背部控温罩外环宽度。

3.根据权利要求2所述的大口径空间光学遥感器主反射镜的精密控温装置，其特征在于，所述背部辐射器的内表面附有高发射率涂层，发射率ε₁≥0.9；所述前端辐射器的内表面附有高发射率涂层，发射率ε₂≥0.9。

4.根据权利要求3所述的大口径空间光学遥感器主反射镜的精密控温装置，其特征在于，所述中心光阑的外表面附有高发射率涂层，发射率ε₃≥0.9。

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