高灵敏度光学探测模块热设计

金永伟,刘春龙

(1. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033;2. 中国科学院大学,北京 100049)

1 引言

空间光学遥感器近年来取得了快速的发展,目前已广泛应用于资源勘查、对地监测以及国土测绘领域[1]。空间光学遥感技术的发展牵动着一个国家科技实力、经济实力、国防实力的提升,对一个国家综合实力的发展有着不可替代的重要意义[2]。 随着空间光学遥感器的快速发展,同时,相应配套设备的布局也越发紧凑,热秏也越来越高,散热问题更加突出,从而使得热控设计难度不断升高。针对这些问题,国内外越来越多的研究学者进行了相关方面的研究。为满足长焦距航拍相机的热指标要求,LiuWeiyi等分析了传导、对流和辐射三种传热方式,并基于此分析进行了该相机的主要光学系统组件设计,最后进行热平衡实验,系统满足相机的热控指标[3]。张翔等进行多次分析、试验提出了多层隔热材料影响下在轨卫星温度场计算,为后期相关研究提供了技术支持[4]。Wang R J等着重研究了正温度系数材料在可变环境温度下具有更好的热控制性能,研究了热导率、热容量和接触热阻对 PTC 材料热控制的影响,丰富了相关的研究[5]。刘春龙等针对空间机械臂关节内部功耗大,散热路径复杂,工作时间长,工作姿态复杂多变的热特点,对空间机械臂关节进行了详细热控设计,并进行了低温工况和4种高温工况下的热分析,使得其在极端恶劣的工况下满足了使用要求[6]。Lydzba D重点介绍等效各向同性微结构的概念,该微结构由在纵横比上具有一定分布的随机取向的扁球体形成,可产生与实际相同的有效热导率[7]。Yifan Li等则提出了基于多级隔热的分区控温方法,通过强化隔热措施、优化遮光罩设计降低外热流对相机温度的影响,并通过主动热控措施来提高相机的温度稳定性[8]。这些学者从不同的角度对空间遥感设备的热控进行了研究,为相关研究提供了技术方案和数据参考。

本文探讨的探测模块是一个大型空间光学遥感设备的核心模块。探测模块对空间分辨率和辐射分辨率要求极高,因此,对遥感器各光学元件温度变化值和温度梯度允差值的要求越来越苛刻。探测模块的关键器件探头,需要在低温条件下工作,以减少热噪声的影响。该模块选用杜瓦组件及压缩机单元为探头提供深冷环境,在制冷的过程中,杜瓦组件和压缩机单元要不断做功排出热量,其发热功率非常大,杜瓦组件工作时功率高达275W,压缩机单元工作时功率高达125W。如果组件温度过高,对设备的寿命、可靠性和制冷效果将产生严重的影响。探测模块安装在舱内,舱内温度控制在-30℃～20℃之间,而探测模块热负荷较高(整个模块工作时功率高达600W),工作温度要求严格控制在40℃以内,因此给热设计带来巨大的困难,必须采取一种有效的热设计方案来解决该技术难题。

本文以我国某探测模块为研究对象,结合轨道热环境和自身热特性进行热控方案的设计与有限元仿真分析,研究本体框架与各组件在极端工况条件下对复杂热环境的适应能力。

2 探测模块热设计

2.1 热环境条件

影响探测模块工作环境条件包括空间环境和内部热源。探测模块运行于低地球轨道,低地球轨道环境对热控材料抵抗空间环境的能力提出了更高的要求。低轨空间环境主要包括原子氧、紫外辐射、电离层、高真空、微流星体、空间碎片、高低温交变等,这些因素将对航天器材料造成严重的破坏。给热控系统的空间环境适应性带来了很大的挑战。其中原子氧是低轨空间环境最主要的影响因素,原子氧将对航天器表面材料产生严重的剥蚀和氧化作用,多年来,国内外许多学者通过实验和计算选择Beta布作为多层隔热组件的面膜[9]。

探测模块属舱内设备,外表面面对舱体框架多层隔热组件,舱体框架外表面为外用型阻燃布(Beta布),舱内温度范围为-30℃～+20℃。如图1所示。模块内部热源分布:杜瓦单元275W,压缩机单元125W,电箱1内热源61W,电箱2内热源94W,主动热控37W,其它8W。

图1 探测模块外部环境示意图

2.2 热控指标

根据工作需求,探测模块在轨运行期间,各组件热控指标如表1所示。其中杜瓦单元扩热板安装面平均温度不高于10℃,压缩机单元热管安装面平均温度不高于20℃。

表1 探测模块各组件热控指标

2.3 热设计

2.3.1 探测模块组成

探测模块的主体结构主要由主体框架、电箱1,电箱2,杜瓦及压缩机单元组成,探测模块结构组成见图2。

图2 探测模块组成简图

2.3.2 探测模块的散热路径规划

针对探测模块大功耗的特点,确定探测模块主要散热方式采用热管直接或间接将热量流向散热板,在通过接触导热传向环路热管蒸发器,最终散失到冷黑空间。探测模块内部各组件的散热路径如图3所示,红色箭头方向为热量从高温部分向低温部分散失的路径。

图3 探测模块散热路径示意图

2.3.3 探测模块单元热设计

根据探测模块的大功率(工作时功率高达600W)特点、各组件的安装位置以及模块的指标温度范围等因素,探测模块总体上采取主动热控(电加热方式)与被动热控(热控涂层、隔热和导热材料)相结合的热控手段进行热设计。整体设计使用了以下方法:

1)为避免探测模块主体框架因温度不均匀产生较大变形,从而影响整个模块的整体性能,所以各个组件与主体框架采用隔热设计,电箱1、电箱2、杜瓦、压缩机单元以及模块散热板安装时使用隔热垫。

2)为了增强各区域之间的辐射换热,提高温度的均匀性,各部件的非安装表面均采用黑色阳极氧化处理,保证表面发射率ε不低于0.85。

3)为了将探测模块内部杜瓦、压缩机单元、电箱1、电箱2工作时产生的大量的热量尽快散发出去,采用高效传热元件热管进行传热,同时,为了减少接触热阻,在热管安装面处填充导热硅脂。

4)在需要控制温差的区域(主体框架)内设置加热器回路进行加热。工作模式设计了5个加热回路,采用高精度热敏电阻控温。存储模式设置了一路主份,一路备份共两路加热回路,用温度继电器控温。

5)探测模块外部除蒸发器、入光口及安装点之外其余部位均用15单元多层包覆,考虑到低地球轨道原子氧对航天器表面材料有严重的剥蚀和氧化作用,多层隔热组件的外面膜采用防原子氧能力强的外用型阻燃布(Beta布)。

2.3.4 杜瓦单元及压缩机单元热设计

杜瓦单元工作功耗达275W,压缩机单元工作功耗达125W,发热量很大,散热困难。所以在热设计过程中杜瓦单元和压缩机单元分别采用6根热管和4根热管将热量直接导向散热板。为了降低热管安装面的接触热阻,安装时在热管安装面处涂导热硅脂。同时,压缩机单元温度低于-10℃时不能正常启动,所以探测模块由存储状态转为工作状态之前需要对压缩机单元通过电加热方式进行预热。

3 探测模块热分析

热分析在热控设计中占有非常重要的地位,大部分的热控方案都需要通过热分析得到验证后才可转入下步工作, 热分析有着热试验无法比拟的高效、灵活和经济的优点。本文采用有限元仿真分析软件对模块进行了热分析。首先建立了热分析的有限元模型,并根据材料的实际特性对模块进行赋值。接着在多种实际工况条件下(高温工况1,高温工况2,低温工况1,低温工况2以及存储状态)进行热分析,切实对应了探测模块的实际工作工况。通过热分析,得到了响应的结果,并对结果进行了详细分析,从而验证了探测器模块热设计的合理性。并且该仿真平台已在多个热设计项目中得到工程应用,文献[1-3] 通过有限元仿真分析结果与实验结果对比分析,能够确定仿真分析结果与试验结果很相近,从而进一步验证了论文方法的科学合理性。

3.1 热分析模型建立

为了验证探测模块热设计的合理性,利用有限元热分析软件建立了热分析的有限元模型,模型如图4所示。模块共手动划分了9735个网格单元,一共建立了149个热耦合。零件之间的热耦合主要考虑界面的接触热阻,计算接触热阻的经验公式为

图4 探测模块有限元热分析模型

(1)

式中,R为接触面的接触热阻;K为接触导热系数,接触面之间为金属干接触时,接触导热系数K取500W/(m2·K),接触面之间涂导热硅脂时,接触导热系数K取1500W/(m2·K);A为接触面积。

探测模块杜瓦单元采用合金钢,隔热垫采用钛合金,热管为铝氨材料,其余各组件均为路合金,探测模块各组件的材料属性如表2所示。

表2 探测模块各组件材料主要参数

3.2 热分析工况定义

根据光学设施的轨道特点、模块的工作模式、热控涂层性能以及各部件的温度要求等影响因素,考虑各部件的高温极限和低温极限,分析计算中,选用高温工况(边界温度取10℃和边界温度取20℃)、低温工况(边界温度取-30℃和边界温度取-20℃)和存储工况,共计5个工况(高温2个、低温2个、存储状态1个)进行计算。各个工况参数设置如下所示。

高温工况1:

1) 舱体多层表面温度10℃,模块盖板温度10℃;

2) 多层面膜寿命末期,性能参数αs/ε=0.30/0.84;

3) 蒸发器散热接口温度-15℃;

4) 所有组件均工作,总散热功耗600W。

高温工况2:

1) 舱体多层表面温度20℃,模块盖板温度20℃;

2) 多层面膜寿命末期,性能参数αs/ε=0.30/0.84;

3) 蒸发器散热接口温度-15℃;

4) 所有组件均工作,总散热功耗600W。

低温工况1:

1) 舱体多层表面温度-30℃,模块盖板温度-30℃;

2) 多层面膜寿命初期,性能参数αs/ε=0.22/0.84;

3) 蒸发器散热接口温度-15℃;

4) 所有组件均工作,总散热功耗600W。

低温工况2:

1) 舱体多层表面温度-20℃,模块盖板温度-20℃;

2) 多层面膜寿命初期,性能参数αs/ε=0.22/0.84;

3) 蒸发器散热接口温度-15℃;

4) 所有组件均工作,总散热功耗600W。

存储状态:

1) 舱体多层表面温度-30℃,模块盖板温度-30℃;

2) 蒸发器散热接口断开;

3) 所有组件不工作,仅主动加热回路供电,总功耗25W。

3.3 热分析结果

根据定义的热工况进行瞬态热分析,分析结果如下所示。

高温工况1(10℃)分析结果:电箱1平均温度为5.75℃,压缩机单元平均温度为5.44℃,杜瓦平均温度为6.24℃,电箱2平均温度为2.35℃。所有组件均满足热控指标要求,温度范围如图5所示。

图5 高温工况1模块各组件温度曲线图

高温工况2(20℃)分析结果:电箱1平均温度为5.80℃,压缩机单元平均温度为5.46℃,杜瓦平均温度为6.50℃,电箱2平均温度为2.37℃。所有组件均满足热控指标要求,温度范围如图6所示。

图6 高温工况2模块各组件温度曲线图

低温工况1(-30℃)分析结果:电箱1平均温度为5.53℃,压缩机单元平均温度为5.39℃,杜瓦平均温度为5.37℃,电箱2平均温度为2.27℃。所有组件均满足热控指标要求,温度范围如图7所示。

图7 低温工况1模块各组件温度曲线图

低温工况2(-20℃)分析结果:电箱1平均温度为5.57℃,压缩机单元平均温度为5.39℃,杜瓦平均温度为5.54℃,电箱2平均温度为2.28℃。所有组件均满足热控指标要求,温度范围如图8所示。

图8 低温工况2模块各组件温度曲线图

存储状态分析结果:电箱1平均温度为-14.7℃,压缩机单元平均温度为-15.2℃,杜瓦平均温度为-14.9℃,电箱2平均温度为-15.2℃。所有组件均满足热控指标要求,温度范围如图9所示。

图9 存储状态模块各组件温度曲线图

由图5～图9有限元仿真分析结果可知在-30℃～20℃范围之内各组件温度均能满足热控指标要求,因此能够证明探测模块的热设计是合理可行的。

4 结论

本文针对探测模块热控需求,首先对探测模块所处的空间环境及内热源进行了分析,然后确定了探测模块的传热路径,并采用了主动热控和被动热控相结合的热设计方法,最后通过有限元仿真分析得出探测模块各组件在环境温度为-30℃～20℃的范围内的温分布。分析结果表明本文所提出的探测模块热设计能够较好的控制模块的工作温度,从而验证了热设计的合理性。可为今后大功率模块热设计提供参考。