空间光学镜头可适应边界温度的CAE计算方法

提出了空间遥感器温度场的描述方法,建立了某空间遥感器光学镜头的热光学分析模型,计算得到了该空间光学遥感器温度水平和温差要求的热控指标。在对遥感器在轨运行热载荷状态进行假定描述的基础上,用有限元方法进行了温度场及热弹性变形分析,得出假定温度载荷作用下光学遥感器各光学表面的变形量及刚体位移量。利用Zernike多项式进行波前差拟合,得到Zernike多项式系数,代入光学系统,利用CODEV光学计算软件计算热载荷作用下光学镜头的传递函数(MTF)。通过迭代,得到光学系统满足传递函数指标＞0.4要求的各温度场临界值,完成了从光学指标到热控指标的转换,避免了热控设计的过设计或设计不足, 可以在设计方案阶段作为遥感器结构的热适应性设计的参考,同时为制定合理的热控设计指标提供数据依据。     

大型三反离轴相机热控设计及在轨飞行验证

遥感相机在轨运行过程中要面临复杂的空间热环境,为了保证相机的成像质量,必须对其进行有效的热设计。介绍了遥感相机热控设计的主要理论,分析了某大型三反离轴相机的特殊性对热设计的影响及对策。总结了相机的在轨温度情况,并采用热模型仿真的方法获取了无温度遥测位置的温度结果。在轨分析结果表明,相机关键部位的温度均在20℃±2℃的温度指标范围内,证明了相机热控设计的正确性。     

空间光谱成像仪热设计参数的灵敏度

针对空间光学遥感器在轨运行期间其热物理属性的实际参数与热设计参数之间存在一定的偏差,从而影响整机热设计的问题,本文基于系统灵敏度理论,对空间光学遥感器的热设计进行了分析,并建立了在轨条件下的热平衡方程组.通过分析热平衡方程组的设计变量,总结出影响整机温度分布的热设计参数.以某空间光谱成像仪热设计为例,分析了上述影响整机温度分布的设计参数的灵敏度.灵敏度分析结果表明:整机平均温度对太阳吸收系数的灵敏度几乎为零;对红外半球发射率的灵敏度为2.2～14.55℃;对内部热源的灵敏度为1.8～2℃/W;对导热率的灵敏度为2.25×10-3～4.39×10-2 m℃2/W:对接触导热系数的灵敏度为0～1.1×10-3 m2℃2/W.试验验证结果表明,基于灵敏度分析结果的热控设计方案有效且可行.     

空间光学遥感器的热响应分析及热控

空间光学遥感器的工作平台为空间微小卫星,它在轨运行期间受到各种空间热环境激扰的作用,本文利用有限元法对空间光学遥感器进行了空间热环境下温度响应的分析求解,并进一步采取热控措施使仪器的温度梯度满足要求。     

X射线掠入射聚焦型脉冲星探测器热控设计

为了保证X射线掠入射聚焦型脉冲星探测器在复杂的空间热环境中正常运行,对该探测器进行了热控设计。分析了仪器对热设计的特殊影响及相应热控措施,总结分析了仪器的在轨温度情况,并结合热设计模型获得非测温点的温度结果。在轨温度数据分析表明,除低温工况下的光学系统温度超出指标要求外,仪器关键部位的温度均在热控指标范围内,验证了仪器热控设计的正确性。低温工况下光学镜头热变形对探测器性能影响的分析表明,预测的结果与观测数据一致。     

二氧化碳探测仪的热控系统

根据二氧化碳探测仪所处的空间环境、结构特点和工作模式,采用被动热控和主动热控相结合的方法设计了它的热控系统。首先,介绍了探测仪结构及内热源,同时分析了探测仪的外热流,从而得到了热控任务难点。然后,对探测仪的各个部分进行了热设计,采用被动热控与主动热控相结合的方式进行了热隔离、热疏导和热补偿;根据探测仪所处的空间环境和采取的热控措施利用TMG软件进行了热分析。仿真分析结果表明,光学系统主体框架的温度为13.3~21.7℃,满足了设计要求。最后,通过真空条件下的热平衡试验对热设计进行了试验验证,试验结果显示光学系统主体框架的温度为13.0~20.3℃,试验值与计算值基本一致,满足热控指标要求。得到的数据表明提出的热设计方案合理可行。     

光谱成像仪CCD组件热分析及验证

某型光谱成像仪是一台集多光学通道和多探测器于一身的复杂的空间光学遥感器,其光机结构、安装方式和载荷分布均呈非对称形式,整机热控十分复杂。CCD组件作为成像的重要组成部分,同时也是整机热控的难点,其热设计的好坏直接关系到成像的质量。本文着重讨论分析了某型光谱成像仪CCD组件热设计的特点,给出了相应的热设计方案,应用IDEAS-TMG对此组件进行了仿真分析,达到了热控设计的指标要求,最后通过试验对热设计方案进行了验证。     

光谱成像仪CCD组件的热分析及验证

光谱成像仪是集多光学通道和多探测器于一身的复杂的空间光学遥感器,其成像器件CCD热设计的好坏直接关系成像的质量.本文根据CCD组件具有体积小、发热量高、升温速度快等特点,提出了CCD组件的热设计原则,解决了热设计中的关键问题,给出了相应的热设计方案.按照CCD器件的导热路径,通过简化的热阻分析模型,计算得出了CCD器件的沿程总热阻为1.291 ℃/W.应用IDEAS-TMG对此组件进行了仿真分析,分析显示其达到了热控设计的指标要求.最后对热设计方案进行了试验验证,结果表明,热设计中采用的热控方法有效控制了CCD组件工作过程中的温度过高及温升速率过快的缺点,其升温速率为0.6 ℃/min,两次试验中最高温度分别为33.6 ℃和26.2 ℃.     

基于蜂窝板铺层技术的某光学卫星有效载荷安装面的热变形优化

本文基于增强树脂碳纤维铺层优化设计的方法对某光学卫星的结构热变形进行了优化设计和试验验证。首先分析得到卫星所在太阳同步轨道的外热流数据,然后根据外热流数据及卫星热特性分析计算得到卫星各舱板的高温工况和低温工况的温度载荷分布情况。根据极端工况卫星平台的温度载荷,以铺层角度作为设计变量,分析求得卫星平台相机支腿安装平面的平面度、角度以及整星X/Y/Z 3个方向一阶频率的变化情况。分析数据表明,当θ=40°时相机安装板的蜂窝板面板铺层角度顺序为[90°,+40,0°,-40,-40,0°,+40,90°],载荷安装面热变形最小,整星基频满足运载火箭要求。经过热试验和振动试验验证,该设计方案在热载荷影响下,有效载荷安装面的平面度优于0.05,变化角度优于60″,X/Y/Z方向的一阶基频分别为22,18,49.8 Hz,满足光学相机安装精度及运载火箭对卫星基频的相关要求。     

小型光学遥感器主镜室的光机结构

设计了一种新的光机结构,以使超小型光学遥感器在宽温度范围及恶劣的动力学环境下能够良好成像。研究了该结构中的核心部件-主镜组件的支撑结构的设计原理和实现方法。通过对主镜室初始设计方案的力、热特性分析,说明了主镜传统支撑方式的局限性。然后,以挠性支撑原理为基础设计了一种新型的适用于小口径反射镜支撑的挠性反射镜支撑结构,对该支撑结构的温度适应性及组件的模态进行了有限元分析,说明了采用这种反射镜挠性支撑结构能够满足设计指标要求。最后,论证了小型光学遥感器主镜室的加工及具体实现方法。对装配后的主镜组件进行了热冲击试验和温度拉偏试验,结果表明:在-60℃~80℃进行热冲击试验后,主镜不会出现炸裂现象;而在-20℃~50℃温度下,反射镜面形精度RMS仍保持在0.025λ(λ=632.8nm)水平。得到的结果验证了主镜室的设计可以满足小型光学遥感器的应用环境要求。     

Hα和白光望远镜的热光学试验

Hα和白光望远镜(HWT)是中国空间太阳望远镜(SST)有效载荷之一,为研究HWT的光学性能受温度环境的影响,在进行地面观测工况下温度场测量和数值模拟的基础上,确定了热光学试验的温度控制工况,建立了一套热真空状态下的光学性能检测系统.该热光学试验系统由被测光学系统、真空系统、温度测量和控制系统以及波前检测系统组成.研究了系统中光楔镜结构、副镜结构、主镜结构、准直镜结构和成像镜结构这5个关键部位在不同温度控制工况下的光学性能.试验结果表明,在副镜结构温度不高(低于40 ℃)的情况下,HWT望远镜在地面观测工况下的光学性能约为λ/8,可以满足λ/6的设计要求.以HWT为研究对象,实施了Hα和白光望远镜的热光学试验过程,实现了对不同温度控制工况下的HWT系统进行光学性能检测,探索的热光学试验思路和方法也适用于其它太阳观测光学望远镜.     

空间摄像机热控系统设计

根据摄像机所处空间环境和结构特点,设计它的热控系统,同时进行了热平衡试验来验证热设计的合理性.首先,总结了摄像机热设计的准则,分析了摄像机所处的空间热环境.然后,对摄像机的各个部分进行了热设计;采用被动热控措施进行热隔离和热疏导,充分利用了摄像机所搭载的卫星平台的热容;采用主动热控措施将温度控制在热控指标范围之内.最后,根据摄像机的热环境和各种工作模式设计了4种极端试验工况,并进行了热平衡试验.试验结果表明,摄像机在存储工况时,其温度与安装面温度相差3℃左右,满足存储温度指标要求;低温工况和高温工况时,其整机温度为-3.1℃和45.7℃,镜头温度为-4.5℃和46.8℃,均满足热控指标要求.试验结果证实设计的空间摄像机热控系统合理可行.     

吉林一号轻型高分辨率遥感卫星光学成像技术

为了实现吉林一号光学遥感卫星轻量化设计与高分辨率多光谱多模式成像,采用星载一体化设计理念及敏捷多模式成像策略,完成了吉林一号卫星的指标、方案及关键技术的设计与在轨多模式光学成像。吉林一号整星的质量为450kg,有效载荷比高达40%,机动能力达2.1(°)/s,可实现大侧摆、同轨立体与条带拼接等多模式成像,结合星上800GB的FLASH存储能力和X波段双通道600 Mbps的数据传输能力,卫星每天可获取近150 000km~2的图像数据。吉林一号轻型高分辨率光学卫星于2015年发射入轨,运行在656km太阳同步轨道,地面全色和多光谱分辨率分别优于0.72m和2.88m,满足多行业应用及商业化运营的需求。     

基于吉林一号遥感图像的星载目标快速识别系统

针对传统遥感图像地面目标识别系统图像获取周期长,信息实时性差等问题,设计星载目标快速识别系统,用于卫星在轨快速识别,提出改进的基于快速视网膜关键点(FREAK)的特征匹配识别算法,解决遥感图像数据量大、背景复杂的问题。介绍了星载目标快速识别系统的工作原理,提出简化的FREAK特征提取模型,将原有算法的七层模型减少为四层,用于快速提取出遥感图像中目标特征;利用二进制量化空间将高维特征数据量化为二维数据,提高算法的准确度;最后通过匹配,快速识别出遥感目标。实验结果表明,识别算法的准确度平均提高2.3%,识别用时缩短约27.8%,满足遥感卫星在轨目标快速识别的要求。     

小卫星姿态控制飞轮系统热设计

为了满足小卫星姿态控制飞轮系统热设计的要求,对飞轮系统的热特性进行了分析和试验验证。根据飞轮运行工况,分别对飞轮系统机械损耗和电控损耗进行了理论计算,确定了系统主要热源点的分布情况。然后,依据系统拓扑结构,建立了整机的等效热网络模型;采用有限元法,分别对飞轮相关组件和整机在卫星连续侧摆工况下的热特性进行了分析。最后,研制了实验样机,并对样机进行了热真空试验。在经过8h卫星连续侧摆机动工况下的实验结果表明:当环境温度为45.0℃时,监测点最后平衡温度约为57.8℃,相对于有限元分析结果的53.2℃,误差为8.6%,表明热分析结果与试验结果吻合度较好,可为姿态控制飞轮系统的热设计提供重要参考。     

热控涂层性能在轨测试用辐射计原理样机的设计与仿真

为验证热控涂层性能退化地面模拟试验的有效性,提出了一种利用测热法实现热控涂层在轨测试的辐射计原理样机设计方案.通过对在轨辐射计所接收的外热流进行分析,应用能量守恒原理建立了其测试热控涂层太阳吸收率的数学模型,并在该测试模型的基础上设计辐射计的测热和隔热结构.利用ANSYS软件对辐射计结构的关键组成部分进行了热仿真,并在恒温测试环境下利用辐射计对SR107热控涂层进行了原理验证试验,试验测得的SR107热控涂层太阳吸收率值与该涂层的标定值差别在3%以内,通过分析计算辐射计具有4.2%的测试不确定度.仿真和试验结果表明:辐射计原理样机的设计满足热控涂层性能在轨测试的要求.     

同轴空间相机碳纤维复合材料桁架结构的研制

从某空间相机的任务需求出发,提出了采用基于碳纤维复合材料的高精密桁架作为主次镜间的支撑结构,完成了相关设计和工程分析,并在加工制造过程中,对相关工艺流程进行了探索.确定了相关结构的制造工艺流程,实现了该结构的高精密加工.最后,深入开展了相关振动、力学和温度稳定性试验,搭建了基于光学测量方法的自动测试平台,排除了人为因素的影响,实现了快速多次自动测量,从而提高了测试精度.分析和试验结果表明:所研制的大型碳纤维桁架质量仅为13 kg,基频达到119 Hz,在重力、10℃温升和4℃温差条件下的变形均小于4″,各组件φ864 mm安装接口的平面度优于8μm,同时实现了高度轻量化和高稳定性.该桁架已成功应用于某空间相机中,提出的设计、试验方案和工艺流程可以作为其它同型空间相机结构设计的技术参考.