高轨卫星大型光学载荷真空热试验设备研制

张世一，刘瑞芳，李成伟，齐晓军，陈 丽，彭光东，李宏宇，艾 卓，王根源

（1.上海卫星装备研究所，上海 200240；2.中国商飞上海飞机客户服务有限公司，上海 200240）

0 引言

对于高轨卫星的大型星外载荷（如大型相机），来自太阳辐射外热流的变化十分剧烈，尤其是太阳光直射进仪器时的极端工况，受遮阳板效应（也称自遮蔽效应）影响[1]，热分析和常规的红外热流模拟手段均难以准确反映其热条件状况，必须采用太阳模拟器进行热平衡试验才能获得热试验的有效数据。基于此，为满足某型号大型载荷热平衡试验及真空定标试验需求，上海卫星装备研究所研制了一套大型真空热试验设备，代号Y1H。该设备配有有效光束直径达到2 m的太阳模拟器，与北京航天城的2 m太阳模拟器并列为我国目前已建成的空间环境下最大的准直型太阳模拟器[2-8]。

Y1H容器部分（含真空容器、液氮罐等）于2015年建设完成并投入使用，太阳模拟器、运动模拟器于2017年建设完成。Y1H设备建成后，已先后圆满完成了多次航天器系统级真空热试验及光学有效载荷试验，设备状态优良。本文对该设备的研制方案及特点进行总结。

1 Y1H概况

Y1H主要由真空容器、热沉、真空抽气系统、氮系统、太阳模拟器、运动模拟器、中央控制系统等组成，如图1所示。设备主体为卧式组合体结构，分为φ6.5 m×6.5 m的卧式主容器和φ3.8 m×6.5 m的卧式辅容器，主容器用于提供试验空间，辅容器用于提供太阳模拟器光路所需空间。太阳模拟器为离轴准直型，有效光束直径为2 m，配合二维转台实现载荷相对太阳方位变化的太阳辐照模拟。

图1 Y1H实物图Fig.1 Photo of Y1H

Y1H设备主要指标如下：

（1）容器结构：卧式主容器+卧式辅容器组合体结构；

（2）容器有效尺寸，主容器：φ6.5 m（直径）×6.5 m（长）；辅容器：φ3.8 m（直径）×6.5 m（长）；

（3）热沉有效尺寸：φ6 m（直径）×6.5 m（长）；（4）热沉温度：低于100 K；

（5）极限真空度：优于3×10-5Pa；

（6）太阳模拟器有效光束直径：2 m；太阳辐照度：500～1 760 W/m2；光束准直角：±1.5°；光斑均匀性：优于±5%；

（7）运动模拟器承载能力：≥4 t；转动范围：方位转动、俯仰转动及耦合运动。

2 设备主要部件及特点

2.1 大型水平离轴准直太阳模拟器

太阳模拟器用于模拟太空中的太阳辐照。按光学系统结构特点，太阳模拟器主要可分为同轴系统和离轴系统。同轴系统多用于小型太阳模拟器，对于大尺寸的辐照面积，其很难获得优于±10%的辐照不均匀度。离轴系统相对复杂，但其辐照不均匀度相对较小。基于此，为保证模拟精度，Y1H采用离轴系统。

Y1H太阳模拟器为水平方向离轴准直式光学系统，通过采用国际主流的全封闭换热技术、大型准直镜拼接技术及关键参量在线监控技术，实现了有效光束直径达到2 m，辐照度在500～1 760 W/m2连续可调，均匀性优于±5%的技术要求。

使用13个灯单元组成聚光镜阵列，光源为高可靠10 kW氙灯，能够保证太阳模拟器无故障连续工作500 h，使用高稳定开关电源，能够保证辐照不稳定度优于±1%/h。通过精密装校使得光轴与罐体中心轴线夹角在±0.5°以内。

为模拟太阳光束的均匀性，积分镜的投影镜和场镜分别由31个圆形元素镜组成，投影镜位于准直镜焦点位置，场镜位于聚光镜第二焦点位置，投影镜的小透镜将场镜各小透镜经准直物镜成像到最佳辐照面，所有小透镜的像在被照面上重叠在一起，实现最佳辐照面的均匀照明，如图2所示。

为模拟太阳光束的准直性，太阳模拟器的光束准直角设计小于2°，根据准直角光阑φ、球面准直镜焦距L和准直角α之间的关系：α=arctg(φ/2/L)，积分镜控制在φ400 mm，承受瞬时辐照强度最高达60 kW/m2，同时采用风冷和水冷为积分镜镜面和框架制冷，以保证镜片及框架的形变在可控范围。

准直镜组件由19套准直镜单元、准直镜框架以及框架与容器的6个支撑机构组成，安装在Y1H辅容器后部，如图3所示。19套准直镜单元通过螺接固定在准直镜框架上，拼接成有效口径为φ2 710 mm，曲率半径R为13 280 mm的球面反射镜。Y1H小门上安装有热沉，用于准直镜组件的冷却。

图2 积分镜图Fig.2 Integrating Mirror

图3 准直镜图Fi.3 Collimating Mirror

2.2 大承载二维运动模拟器

运动模拟器用于配合太阳模拟器，模拟载荷相对太阳的方位变化，进行精确外热流模拟。本运动模拟器为二维转台，可进行方位转动、俯仰转动及耦合运动，承载能力为4 000 kg。运动模拟器由方位机构、俯仰机构及小车三部分组成，小车为方位机构、俯仰机构的装载及运输工具。由方位机构、俯仰机构实现自旋轴、俯仰轴二个运动维系的运动，每个机构均由电机、减速器、控制器等组成，电机为进口伺服电机，减速器为精密直角减速器，经过特殊处理并配合温控措施，均可适应真空低温环境。运动模拟器通过光栅实现方位、俯仰角度的测量及读取，并设计软件限位、电气限位的双重限位功能，确保安全。

2.3 新型同轴组合卧式筒体结构

由于离轴准直式太阳模拟器二次反射区及准直镜相对孔径的限制，容器需留出一定的空间用于光线准直，卧式容器通常采用加长容器的方式来提供空间（如图4所示），对于本系统，该空间长度接近7 m。从经济高效的角度出发，笔者创新性的提出新型同轴组合式卧式筒体结构，将光线准直部分容器直径缩小，最终容器结构设计为同轴型的卧式主容器+卧式辅容器，如图5所示。

图4 传统卧式容器结构示意图Fig.4 Traditional schematic diagram of horizontal chamber

主容器用于产品试验，辅容器为太阳模拟器光路服务，主容器和辅容器同轴，通过焊接形式连接。主容器内部有效尺寸为φ6.5 m×6.5 m，以φ6.5 m端盖作为大门，用于试验产品及工装进出，大门通过顶部龙门架实现电动平移开启、关闭。主容器另一端面开φ3.8 m洞，用于连接辅容器。辅容器内部有效尺寸为φ3.8 m×6.5 m，侧面装有喇叭型通光孔（锥筒），通光孔开孔长达3.2 m，离轴角为38°。辅容器以φ3.8 m的端盖为小门，通过电动平移开启，用于准直镜的安装和检修。

图5 Y1H结构示意图Fig.5 Schematic diagram of Y1H

Y1H容器强度（应力分布）、稳定性（屈曲波形）有限元分析如图6、图7所示（施加载荷为1.01×105Pa的外压+设备自重），最大应力为102 MPa，屈曲载荷因子为11.8，均满足要求。

图6 容器整体应力分布图Fig.6 Stress distribution of chamber

图7 容器整体屈曲波形图Fig.7 Bucking wave of chamber

2.4 大型低温可移动光阑

为确保有效通光、并实现瞬态热流模拟，以及在太阳模拟器不工作时或非太阳直射工况时热沉覆盖率大于95%，在主容器与辅容器交界处设置大型低温可移动光阑，如图8所示。可移动光阑包络直径3 m，表面温度低于100 K，分为左右对称的两片，通过两根门轴固定在辅容器筒体热沉支架上，门轴穿过辅容器法兰与外部伺服电机连接，采用磁流体密封技术实现门轴与穿罐法兰的密封。通过控制伺服电机可实现开、关的动作，关门时，可以实现对辅容器的完全遮挡，开门时，对太阳模拟器光路无遮挡。

图8 封头冷板图Fig.8 Cryo-panels of head

3 设备试验运行结果

自建成以来，Y1H圆满完成了多次航天器系统级真空热试验及光学有效载荷试验。下面以某次试验为例对设备实际性能情况进行说明。

容器真空度数据如图9所示，容器可在1.5 h内达到5 Pa以下，常温环境下20 h内真空度可达5×10-4Pa，通液氮2d后真空度可达3×10-5Pa。热沉温度如图10所示，液氮泵启动0.5 h后设备进入稳定状态，热沉温度均低于95 K。

太阳模拟器常温常压下的照射效果如图11所示。真空低温环境下，辐照强度为1个太阳常数时的均匀性测试结果如图12所示，不均匀度为3.60%。

图9 容器真空度曲线Fig.9 Pressure curve of chamber

图10 热沉温度曲线Fig.10 Temperature curve of thermal shroud

图11 太阳模拟器照射效果图Fig.11 Photo of solar simulator

图12 均匀性测试结果图Fig.12 Uniformity of solar simulator

4 结论

Y1H采用新型同轴卧式组合体结构，配置目前国内空间环境下最大的准直型太阳模拟器，指标先进，试验功能多样、适用面广，有效降低了试验设备的研制费用。自建成以来，Y1H已圆满完成了多次整星及载荷试验。试验期间，各分系统工作稳定，性能优良，真空度（普遍优于3×10-5Pa）、热沉温度（稳定在85～95 K）、太模均匀性（优于±5%）等各项指标均满足要求。