敏捷型遥感卫星相机热防护门应用研究

窦强 李劲东

（1 航天东方红卫星有限公司，北京 100094）（2 中国空间技术研究院，北京 100094）

1 引言

具有快速姿态机动能力的遥感卫星被称为敏捷型遥感卫星，其突出特点是高分辨率和快速精确的定位，可同时实现高空间分辨率、高时间分辨率对地观测。自20世纪90年代开始，国外许多高分辨率遥感卫星都具备了快速姿态机动与快速稳定的敏捷性能，如“艾科诺斯”（IKONOS）、“快鸟”（Quick-Bird）等卫星，具有快速侧摆成像、同轨多条带成像、同轨立体成像的功能，提高了卫星对地观测的时间分辨率，扩大了观测区域，兼具侦察与测绘能力。由于任务覆盖面广，能满足多种探测需求，敏捷型遥感卫星也成为中国对地观测卫星的重要发展方向之一。

敏捷型遥感卫星姿态频繁机动，导致其空间外热流变化迅速，相机漏热严重。对于固定太阳翼的敏捷型遥感卫星，在无成像要求的日照区域（如两极上空），为保证星上电能供应，卫星蓄电池一般采用太阳翼对日工作模式进行充电。在这种飞行姿态下，相机镜头指向深冷空间，对地球辐射换热角系数较小，入射外热流几乎为零。为保证相机整体的温度稳定，要在相机关键部位粘贴大功率电加热片，对漏热进行补偿。国外部分敏捷型遥感卫星，采用在相机遮光罩外沿加设热防护门（简称热门）的方式进行漏热保护［1-3］。然而，加设热门的相机在打开热门进行成像时，要面对数百瓦的地球反照热流及地球红外热流的热冲击，可能导致相机部件温度快速升高，无法长时间稳定成像。针对上述问题，本文对敏捷型遥感卫星相机在轨运行时的温度变化情况进行仿真，分析了相机热门的使用对相机温度稳定性的影响。

2 相机空间热物理模型

本文研究的敏捷型遥感卫星，运行在高度为500km 的太阳同步轨道，降交点地方时为10：30。卫星采用固定太阳翼六棱柱构型，＋Z轴为相机镜头指向方向。相机采用三反同轴光学系统，通光口径为0．6m。选取敏捷型遥感卫星常规的工作模式建模，即卫星在进出地影区和进出成像区时有大幅度姿态机动；而在其他时段，保持＋Z轴对地定向，或者太阳翼对日定向，成像过程中不出现大幅侧摆。卫星轨道周期约为98 min，其中在地影区时间为26min，在北极上空时间为24 min，在成像区时间为32min，在南极上空时间为16min。如图1所示，卫星在A 时刻进入成像区，采用对地推扫成像模式；在B 时刻出成像区，切换为太阳翼对日定向；在C时刻进入地影区，切换为＋Z轴对地；D 时刻出地影区，切换为太阳翼对日模式。相机在成像阶段打开热门，其余时刻关闭。

图1 卫星的运行模式和本体坐标系Fig．1 Satellite operating mode and coordinate system

相机在轨受太阳直射辐射热流、地球反照辐射热流和地球红外热流影响。美国国家航天局（NASA）根据高空平台测得的结果推算出：太阳辐射热流全年平均值为1367 W／m2；在轨计算过程中地球表面对太阳光的反照系数取平均值0．3；地球红外辐射取固定值227 W／m2；空间背景辐射温度为4K［4］。

相机与外部环境的换热主要通过辐射换热和导热两种方式进行。相机与卫星本体的连接处存在导热，为减小两者之间的导热耦合，连接处作隔热处理。本文设定相机和卫星本体有三类导热连接关系，如图2所示。

图2 导热边界条件Fig．2 Boundary condition of heat conduction

相机辐射边界条件主要由空间辐射和舱内辐射两个部分组成。其中：空间辐射包括太阳辐射、地球红外辐射、地球反照辐射和空间背景辐射；舱内辐射包括主镜筒、相机外小舱的多层隔热材料和卫星舱板外表面的辐射，以及相机后镜筒、承力筒内表面和肼瓶外表面之间的辐射。辐射换热边界条件如图3所示。

图3 辐射换热边界条件Fig．3 Boundary condition of heat radiation

3 热门对相机补偿加热功率的影响分析

相机通过主动电加热措施控制内部的热平衡关系，热门的应用直接影响相机接收外界辐射能量和自身漏热量的大小，因此，是否使用热门可能对主动加热功率造成较大的影响。本节对有、无热门两种情况下的相机补偿电加热功率进行比较分析，分析过程中对模型进行如下简化。

（1）卫星热门开关所用时间很短，假设热门开关瞬时完成，忽略其中间过程。

（2）卫星运行过程中，相机须保持在（19±2）℃的温度范围内，其温度由电加热系统控制，假定在运行过程中相机自身，以及相机与卫星本体的接口位置控温要求为（19±2）℃。

（3）相机与卫星本体接触面积小，并安置隔热垫片，两者之间的导热与辐射换热相比为高阶小量。

（4）卫星运行过程中，相机镜头不出现对日的情况。

无热门情况下，相机光学系统热模型简化如图4所示。

图4 无热门情况下相机光学系统热交换简图Fig．4 Optical system heat transform without thermal door

根据相机热平衡关系，对该模型可建立如下方程［5-6］。

式中：qpower为相机的电加热功率；qinf为相机吸收的地球红外热量；qalbe为相机吸收的太阳反照热量；qrad为相机的对外辐射热量；ε为入光口等效红外发射率；σ为波尔兹曼常数；A为相机入光口面积；T为相机入光口等效辐射温度；T0为空间环境背景温度；α为入光口对地球红外热流的等效吸收比；ρ为地球对太阳光的平均反照系数；S为太阳辐照强度；X为相机入光口对地面的红外辐射角系数；αs为入光口对太阳光的等效吸收比；φ为相角，即地球-卫星连线与太阳光线之间的夹角。

有热门情况下，相机光学系统热模型简化如图5所示。

图5 有热门情况下相机光学系统热交换简图Fig．5 Optical system heat transform with thermal door

根据带热门情况下的热平衡关系，对该模型可建立如下方程。

式中：q′power为有热门时相机的电加热功率；q′inf为有热门时相机吸收的地球红外热量；qalbe′为有热门时相机吸收的太阳反照热量；q′rad为有热门时相机的对外辐射热量；ε′为热门外表面红外发射率；Tout为热门的外表面温度；λ为热门内外表面间的等效导热系数；δ为热门厚度；Tin为热门的内表面温度；α′为热门外表面对地球红外热流的吸收比；α′s为热门外表面对太阳光的吸收比。

根据卫星在轨实际运行情况，可对相机外热流及补偿加热功率求解。相机入光口对地面的角系数，可根据卫星姿态变化求出；相机全光谱吸收率及红外发射率由卫星使用材料的实际参数得出。以卫星成像完毕进入对日定向充电区域为周期起点，每运行10°，对镜头与地球的角系数进行一次求解，得出全周期各个阶段光学系统的漏热量、红外吸收热量、地球反照热量及电加热功耗。

根据卫星运行时姿态变化情况，取太阳直射赤道时的工况进行分析，全周期地球红外辐射角系数及地球反照热流角系数如图6所示。到达相机镜头处的空间外热流如图7所示。轨道倾角为98°，地球平均反照系数ρ取0．3。通过角系数和外热流计算结果，可计算出有热门和无热门情况下全周期各个阶段补偿电加热功率分布，如图8所示。

图6 相机入光口对地面的地球红外辐射角系数和地球反照辐射角系数Fig．6 Radiation angle factors of earth infrared and albedo radiation of camera lens

图7 相机入光口的地球红外热流与地球反照热流Fig．7 Heat flux of infrared and albedo radiation of camera lens

图8 有热门和无热门时的电加热补偿功率Fig．8 Heating power with and without thermal door

经分析计算，无热门和有热门时的周期平均补偿电加热功率分别为90．7 W 和33．4 W。因此，在保证光学系统温度稳定的前提下，有热门所需要的电加热补偿功率远低于无热门的情况。

本节通过对同一个相机模型是否加装热门的两种情况进行了分析，得出如下结论。

（1）敏捷型遥感卫星在成像时接收的外热流最大，运行到地球两极附近时，由于太阳翼对日充电，造成镜头对着深冷空间，空间外热流值达到最低，漏热严重。

（2）加装热门之后，能够保证原有温度的稳定性，所需要的周期平均补偿加热功率仅为不加装热门时的37%，节省了星上能源。

4 热门开启对相机内部温度的影响分析

4．1 温度波动分析

加装热门后，相机可以在热设计环节大量节省星上能源，但是会出现另外的热问题。在打开热门成像阶段，相机镜头入射热流会明显增加，导致相机内部温度升高。部分器件温度升高到一定程度，相机将无法成像。采用Thermal Desktop［7-8］软件仿真，温度波动结果如图9所示。

相机的不同位置在单位时间内的温度变化不一致，对相机成像质量的影响也不一致。表1总结了热门打开期间相机温度的变化情况。

图9 热门打开对相机主要组件温度变化的影响Fig．9 Temperature distribution of camera main components affected by opening thermal door

表1 热门打开期间相机温度变化情况Table 1 Temperature changes affected by opening thermal door

从表1可以看出，热门开启6min左右，次镜支撑组件温度变化幅度将超出相机设计标准。因此，采用热门的热控方式还要解决热门打开后相机内部温度升高的问题。

4．2 解决方法

由上文分析可知，有热门的情况下，相机绝大多数部件均可满足热光学设计要求，只有次镜支撑组件受地球反照和红外热流影响，温度迅速升高，在热门打开6min后超出热光学设计要求。对次镜支撑组件包覆多层隔热材料，可有效阻止热门开启后外热流的影响，仿真结果如图10所示。可见，加装多层隔热材料，可有效缓解热门打开后温度升高的问题，使次镜组件温度稳定在（19±0．2）℃附近。

图10 加装多层隔热材料后次镜安装板温度变化情况Fig．10 Temperature change of second mirror mounting panel after covering multi-layer material

5 结束语

对于固定太阳翼敏捷型遥感卫星，相机的热门设计可大幅减少非成像期间的漏热量，使相机的主动加热功率减少60%，节省星上能源，同时能简化主动加热回路设计，降低工程难度。不过，采用热门设计后，成像期间热门打开会造成局部热流增加过快，引起部分组件温度过快升高，超出设计要求。其中，相机次镜支撑组件由于距离相机入光口最近，温度上升最快，热门打开约6min后，相机成像质量将受到影响，在次镜支撑组件上包覆多层隔热材料，可有效解决组件的温度升高问题。

热门的优点明显，但由于该部件为活动部件，可靠性要求更高，因此在固定太阳翼敏捷型遥感卫星相机的热设计过程中，要充分考虑使用热门带来的利和弊，综合任务需求、使用价值及使用风险等多方面因素，以决定是否安装热门。

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