太阳同步轨道遥感卫星星敏感器热控设计

杨琦 王茹 江利锋 张传强 傅伟纯

(1 北京空间飞行器总体设计部 航天器热控全国重点实验室,北京 100094) (2 航天系统部装备部某局,北京 100094) (3 北京控制工程研究所,北京 100094)

对于高分辨率遥感卫星,星敏感器的测量精度直接决定了地面观测区域的准确性及长时间观测的连续性。然而,星敏感器热稳定性引发的测量误差占星敏感器总测量误差的40%,已成为制约星敏感器精度进一步提升的瓶颈。针对星敏感器的热控设计和实施尤为重要。

现有文献中关于星敏感器在卫星上应用的热控设计研究较多,研究内容和方法也各有亮点。文献[1]针对低轨遥感卫星多探头甚高精度星敏感器进行了热控设计和试验验证,采用低膨胀系数的隔热材料,并强化线路盒本体的均温散热能力,同时采用主动加热回路保障镜筒的温度稳定性和温度梯度指标;文献[2-4]提出集热冷板配合热管的方案,将多台星敏感器热量传导至独立散热面散出,温控效果良好;文献[5-6]提出了热-力-光联合仿真分析、基于开关+增量式比例积分(PI)控制算法的精密控温方案,仿真和地面试验结果表明有较好的精密控温效果;文献[7]针对典型地球同步轨道(GEO)宽温区使用的星敏感器散热需求,提出了辐射小舱式热控方案,通过建立辐射传热链路对星敏感器有效控温。

以上研究对星敏感器热控设计均提出了可行方案,本文在此基础上,以一台太阳同步轨道遥感卫星上的小型长寿命星敏感器为例,定量分解其太阳热流和环境红外辐射等环境影响因素,并完成热控设计方案和仿真验证工作。

1 星敏感器外热流和环境影响分析

星敏感器组件主要由遮光罩、线路盒外板和光学成像组件组成,如图1所示。其中,1为遮光罩,2为顶盖板,3为光学成像组件,4为底部法兰,5为中央处理器(CPU)侧板,6为集成电路(ASIC)侧板,7为接插件侧板,8为电源(Power)板侧板。星敏感器本身热耗为8W。

本文研究的遥感卫星运行在降交点为上午10:30的太阳同步轨道,星敏感器通过星敏感器支架安装于后承力框+Y桁架处(见图2),周边被载荷结构呈半包围状,如图2所示。此安装位置对星敏感器散热十分不利,星敏感器除了直接经受太阳外热流、地球红外和地球反照的外热流环境在一轨内剧烈交变以外,还要间接经受后承力框桁架结构表面、外板背部上热控多层表面的反照和红外辐射,周边热环境极为复杂。需要开展对星敏感器热环境的量化解析,针对性的进行热控设计,以满足星敏感器法兰温度波动不超过±3℃的指标要求。

图2 星敏感器的安装位置Fig.2 Installation location of the star sensor

1)太阳直照热流对星敏感器的影响

星敏感器受照面有遮光罩外侧、ASIC侧板外侧、CPU侧板外侧、接插件板外侧、电源板外侧和顶盖板外侧。通过太阳直照外热流分析,从表1数据可知:在β角极值变化范围内,遮光罩上外热流高无法用于散热;CPU侧板、电源板侧板和顶盖板侧板外热流也较高;ASIC侧板和接插件侧板上的外热流值较低(见图3)。

图3 各工况太阳辐射到达外热流Fig.3 External heat flux from solar radiation under different operating conditions

2)环境红外辐射影响分析

根据布局要求,星敏感器安装在载荷+Y侧板上,其位置离卫星+X板、载荷外板、载荷散热板均较近,这几块板将星敏感器包围在这一区域,星敏感器散热受周边环境影响比较复杂。这几块板的位置如图4中绿色所示。这些板外侧均布置了多层隔热组件,其对星敏感器线路盒ASIC侧板和接插件侧板的辐射角系数需要计算分析,并评估周边环境红外辐射对星敏感器的传热影响。

图4 环境红外辐射影响示意图Fig.4 Influence of environmental infrared radiation

星敏感器β角极值范围内,针对ASIC侧板,太阳辐射外热流在整轨内波动范围为32.1～93.5W/m2,周边环境红外辐射的波动范围为0～27.4W/m2;针对接插件侧板,太阳辐射外热流在整轨内波动范围为16.5～548.4W/m2,周边环境红外辐射的波动范围为0～54.7W/m2。通过数据可知:红外辐射的传热量比外热流小,但量级相当,其对星敏感器的热控设计的影响不容忽视(见图5)。

图5 太阳直射和环境红外辐射影响比较Fig.5 Comparison of the influence of direct solar radiation and environmental infrared radiation

对于本文星敏感器而言,太阳直照热流数值高且交变影响大,遮光罩受外热流影响明显,应和线路盒隔热设计,线路盒侧板中ASIC侧板和接插件侧板外热流较小。

相较于太阳直照热流,周边环境红外辐射也不可忽视。对于ASIC侧板而言,环境红外辐射占总热量的32%,接插件侧板该占比则达到了44%。若侧板开设为散热面,考虑到涂层红外发射率高的特点,环境红外辐射对星敏感器的热量输入是主要影响因素。因此在星敏感器热控设计时应充分考虑外热流和环境的综合影响。

2 星敏感器热控设计

基于星敏感器外热流的分析结果,可以确定遮光罩和星敏感器线路盒之间需要采用隔热设计。由于外热流和环境红外影响较大,遮光罩、CPU侧板、电源板侧板、顶盖板外侧均包覆多层隔热组件。

经分析,本文中星敏感器有效散热通道为底部法兰向外传热,因此可以考虑在法兰底部增设散热罩并导热安装连接,目的是将星敏感器热量导热扩散至散热罩上后,再通过散热罩本身散热面自行向外空间辐射排散,见图6。此方案的好处有:①星敏感器内部热量分布在电路板和成像(CMOS)芯片上,热量向底板传输的热阻较小,热量汇集到底部后散热罩能够起到面向扩热作用,防止热流集中造成法兰温度超标;②没有额外的焊接工艺等界面热阻,热量在散热罩上能快速传递至散热面有效向外辐射排散,且散热面可以根据需要调整大小,给设计带来便捷;③散热罩参考星敏感器支架的尺寸,设计时贴近支架的外尺寸包络,安装时可共用装配孔位,结构简单轻盈,外观简洁美观。此方案散热效果良好,代价小,可行性较高。

图6 星敏感器热流图Fig.6 Energy flow diagram of star sensor

3 仿真分析验证

星敏感器在轨运行过程中,主要受到如下因素的影响:整星在轨正常的对地成像姿态外有32°侧摆的工作姿态,在分析时需要考虑;另外,星敏感器在轨不开启制冷机,热控涂层在空间环境作用下,随着时间的推移,其表面光学性能会发生变化。因此涂层退化也是影响星敏温度场变化的一个因素。

综合分析以上因素,选择3种模式作为星敏感器在轨典型工况分别进行计算分析。通过散热罩上外热流分析(见图7),得出星敏感器典型工况见表2。

图7 散热罩外热流分析Fig.7 External heat flux analysis of heat dissipation hood

表2 计算工况列表Table 2 Simulation conditions

仿真结果如下。

1)制冷器不开启

各工况下星敏感器处于正常工作状态。星敏感器法兰随时间的温度变化曲线如图8所示(以高温工况1为例),星敏感器主要设备的温度水平见表3。由热分析计算结果可知:星敏感器所有组件温度均满足指标要求。经统计,低温工况下星敏感器安装法兰加热回路占空比为55%,平均加热功率为5.5W,满足控温回路要求。

表3 星敏感器主要设备温度水平Table 3 Temperatures of main components in star sensor

图8 星敏感器各部位随时间的温度变化曲线Fig.8 Temperature variation curve of various parts of the star sensor with time

2)制冷器开启

热分析和设计时,星敏感器上的制冷器处于关闭状态。本节探讨制冷器开启对星敏感器散热的影响。电源板模块热耗按照7.1W施加,分析了高温工况1下法兰的温度情况。计算得到法兰温度最高约为26℃,法兰温度波动最大为6.7℃。因此,在本文热控设计方案中,星敏感器内部的制冷器对温度影响是负面的。制冷器的开启在芯片附近造成新的热耗,不能有效降低温度水平,反而会使星敏感器温控进入恶性循环。如果想利用制冷器对芯片控温,需要介入星敏感器内部进行热控设计,在制冷器热端直接采取热管等高效导热手段,把热量传递到星敏感器外再通过辐射散热排出。通过从星敏感器内部优化导热链路,热控设计工作更加高效且占用资源代价更小,温控效果也会更好。

4 结束语

本文以太阳同步轨道下某低轨遥感卫星上的小型长寿命星敏感器作为研究对象,深入分析了星敏感器各部件外热流以及星敏感器受周边环境红外辐射的影响,并根据外热流分析结果完成了热控设计和仿真验证,结果良好。该方法可以推广应用于其他遥感卫星舱外单机在复杂环境下的热控设计。最后,分析探讨了星敏感器制冷器开启对温度波动的影响,对未来星敏感器的机电热优化设计提出了建议。