地基大口径望远镜热控技术

温度是影响地基大口径光电望远镜性能的重要因素之一。望远镜系统的任一环节存在过大温差或者温度梯度,都会降低望远镜的成像精度和跟踪性能。为了提高望远镜系统在工作时的性能和稳定性,需要对其进行全面的热控分析和设计。从望远镜防护圆顶内的环境温度控制、跟踪架结构的温度控制以及望远镜主镜温度控制等多方面入手,对各个环节进行了热控方法的研究和论述。针对所有环节中各种不同的结构形式都给出了详细的热控设计方案。这些措施可以很好地保持望远镜系统温度与外界环境温度相平衡,解决温度对整个望远镜系统的影响。该研究结果对于大口径望远镜的热控设计有一定的参考价值。     

空间碎片探测与测距复合系统光学望远镜

针对空间碎片探测与测距复合系统地面验证演示实验中,工作环境10~30 ℃、光学基台的尺寸限制（不超过450 mm×400 mm）以及光学望远镜尾部安装导致重心远离安装面的问题,提出了空间碎片探测与测距复合系统光学望远镜的设计。使用ANSYS有限元分析软件对光学望远镜建立了有限元模型,针对环境温度10~30 ℃、尾部安装状态下、光轴方向和垂直光轴方向1 g （g=9.8 m/s2）重力加速度工况下进行了分析。分析结果表明:光学望远镜整机一阶模态为133 Hz动态刚度较好,重力为光轴方向时主次镜间距最大变化量0.01 mm,重力为垂直光轴方向时主次镜间距最大为0.007 mm,光学望远镜系统波像差RMS值为λ/15,次镜最大倾角1.93″,具有较好的力、热稳定性,可以满足光学天线装校、检测以及外场实验验证过程中的指标要求。在光学望远镜装校完成后,使用ZYGO干涉仪对其像质进行检测,在重力垂直于光轴方向、环境温度10、20、30 ℃条件下进行检测,结果显示:系统波像差RMS值分别为0.097λ、0.075λ及0.1λ,整机光学望远镜系统波像差RMS值在最低温与最高温度时均优于λ/10均满足系统使用要求。     

空间太阳望远镜热设计

针对空间太阳望远镜工作时间长、工作环境苛刻的热特点，在极端工况条件下对空间太阳望远镜本体框架和导行镜进行热设计。通过在高低温工况下进行有限元仿真分析与热平衡试验，对本体框架和导行镜热分析与热平衡试验结果进行了对比，其温度均控制在22 ℃，并且同一工况下各组件的温度波动均小于1 ℃，验证了热设计的正确性。同时本体框架与导行镜有限元仿真与热平衡试验在高温工况下的功耗差为1.2 W，低温工况下的功耗差为0.8 W，仿真分析和热平衡试验吻合，分析正确有效，保证了望远镜在复杂工作条件下的正常工作，为提高空间太阳望远镜本体模块与对日追踪光学系统的可靠性与热设计优化提供了理论依据。     

环境温度对中波热成像设备信号传递函数的影响研究

信号传递函数（SiTF）是评价热成像设备性能的重要指标,其与噪声之比为NETD,NETD可用于预测热成像设备的外场性能。根据红外成像测试理论,SiTF与环境温度相关,而外场环境温度变化范围大,在宽温度范围内SiTF变化很大,在预测热成像设备的外场性能时,应依据当前环境温度下的SiTF指标,但由于测试宽温度范围下SiTF指标的全军温红外整机测试系统并不普及,热成像设备在出厂时一般只测试室温SiTF值,用户不能获得宽温度范围内的SiTF值,因此当使用室温SiTF值预测设备在外场环境下的性能时由于外场温度与室温相差较大,导致预测结果偏差较大。本文通过分析SiTF随温度的变化规律,建立其随温度的变化关系,基于室温SiTF预测其他不同温度下的SiTF,从而解决采用室温SiTF预测外场环境下热成像设备外场性能时预测偏差较大的问题。     

Hα太阳空间望远镜热设计

Hα太阳空间望远镜具有对日光谱成像及全日面成像功能,具有多功能、高度集成化的特点。它位于卫星载荷舱内,在轨姿态多变,并且具有连续观测的工作模式,焦平面组件及电单机工作热环境苛刻,对热设计提出较高要求。通过星载一体化设计及相机结构合理布局,在卫星舱板靠近相机处预留辐射散热通道,合理设计散热面将工作热耗快速导出,保证各部组件温度满足指标要求。搭建热平衡试验平台,对高低温工况下的热分析和热平衡试验及在轨数据进行对比,同一工况下各电单机最大温差≤4℃,对热设计的正确性进行了验证。保证了Hα太阳空间望远镜在复杂空间环境下的正常工作,对此类空间太阳望远镜热控设计具有一定的借鉴意义。     

某型无人直升机航电舱热设计优化

利用Icepak软件对某型无人直升机的航电舱进行了环境级热仿真分析,评估了舱内环境温度及流场分布等情况,为舱内设备的空闻布局提供了优化方案,有效地降低了设备温度.     

基于温度水平的空间相机主动热控系统

为了让空间相机在适合的温度条件下工作,提出一种基于温度水平的主动热控系统。首先,分析相机达到温度平衡的条件,确定主动热控策略;其次,介绍热控系统的构成及工作原理;然后,将相机图像质量无本质影响作为条件,确定主动热控策略中的各项控温指标;最后,确定温度控制算法。相机在轨工作的实验结果表明:依据主动热控策略,系统能够控制相机温度达到平衡,主镜组件与基准温度的温差不大于1℃,主镜组件的周向温差不大于1℃,主镜与次镜组件的温差不大于2℃,主镜与三镜组件的温差不大于5℃,温度控制结果满足主动热控策略中的各项控温指标要求,满足相机工作时对温度的要求。     

高分辨率可见光航空相机的热设计及热分析

为了确保工作在复杂环境中的航空相机能顺利完成任务,对其热控制技术进行了研究。分析了相机的热环境,建立了其换热模型并给出了外热流的计算方法。针对航空相机所处的复杂飞行环境及所需的热控指标,详细阐述了相机的热设计方案,利用热分析软件IDEAS-TMG建立了相机的有限元模型并对相机的两个极端工况进行了仿真分析。仿真分析结果表明:在两个极端工况中,主镜筒温度水平18±1℃、主镜筒轴向温差不大于1.5℃和周向温差不大于1.85℃,均达到了热控指标要求,热设计方案合理可行。该研究方法对各类航空相机的热设计和热分析有一定的指导和借鉴作用。     

近地轨道高精度一体式星敏感器热设计及仿真验证

某型高精度一体式星敏感器指向精度高,对温度变化非常敏感。其所处近地轨道外热流复杂多变,一体式结构和内热源集中的综合因素不仅导致散热设计困难,而且镜头直接受到内热源发热影响难以保障指向精度。首先,结合轨道参数,安装布局获得星敏感器平均吸收外热流。然后,通过分析外热流与内热源工作情况,采用被动热控和主动热控相结合的热设计方法,并对星敏感器散热面的位置与大小进行设计与计算。最后,根据轨道环境和热控措施并利用热仿真软件进行热分析验证。仿真结果表明,安装法兰温度为19.82℃～20.10℃,镜头轴向温差小于2.23℃,周向温差小于0.48℃,电路盒温度为19.10℃～23.49℃,满足热控指标。通过合理的热控设计保证了极高精度星敏感器的稳定工作条件,星敏感器的热设计合理有效。     

空间观测设备热设计与热分析

以观测设备为研究对象,根据观测设备工作的环境和本身结构特点,选择了传导散热措施;在研究传导散热理论基础上,对大功耗元器件进行了传导散热设计。通过建立有限元模型,对散热片的厚度、散热片的接触面积与各功耗器件的稳态温度关系进行了分析和优化,得到散热片的最优传导面积。实验结果表明,进行了热设计的观测设备,在环境温度为-20～50℃的环境中,通电工作正常,且稳态温度不超过85℃,满足使用要求。     

多物理场下望远镜主次镜失调分析研究

为满足光电跟踪设备的设计精度要求,减小并评估主镜筒变形对主、次镜位置相对变化的影响,利用Ansys Workbench有限元分析软件对主镜筒进行了热稳态分析、静力学分析以及多物理场耦合分析。分析出了主镜与次镜的偏转角,对主镜筒结构提出了相关修改意见。通过仿真所得的结果可知,主镜筒因太阳照射不均而产生的弯曲变形对反射镜的偏转影响最大。为减小反射镜的偏转,将次镜由镜筒支撑改为由次镜支撑架支撑,并加固次镜与调焦机构间的支撑连接。再次对修改后的主镜筒进行了处于水平、上仰45°、上仰90°时的静力学分析,对主镜筒进行了温度场与重力场耦合的多物理场分析。仿真所得的反射镜偏转角度数据将为光电跟踪设备的实验标校提供一定的参考依据。     

A simulation of the thermal behaviour of the UK-NL millimeter wave telescope

To keep the thermally induced average telescope deformations within 15 μm, a thermal design goal has been set which limits the temperature difference between all locations in the panels, backing structure and subframe to 1°C. Temperature gradients are caused by non-homogeneous exposure and by difference in response to a changing exposure for elements with different time constants. Thermal model simulations are used to identify the critical elements in the thermal design of telescope and enclosure. It is shown that an enclosure with a highly reflective paint with high infrared emissivity on the outside surface and an inside zinc coating with low infrared emissivity works as a highly effective radiation shield. A sprayed aluminium coating on the telescope makes free convection the dominant heat transfer mechanism. An enclosure with louvres works as a chimney forcing the inside air temperature to follow the ambient temperature to within a few degrees. The resulting temperature stratification in the area where the telescope reflector is located does not exceed 1.5°C. Structural analysis shows that temperature gradients in the subframe cause reflector surface deformations with a regular pattern, like gravitational deformations, which means that an error budget summation based on independent rms values is not necessarily valid. Knowing the structural analysis coefficients for differential thermal expansion one can decide which time constants in backing structure and subframe have to be matched to achieve optimal performance.     

基于SiC材料的空间相机非球面反射镜结构设计

针对空间相机中优质轻型光学反射镜对材料提出的要求,详细讨论了设计基于SiC材料空间反射镜的一系列问题,包括径厚比的选择、支撑点数量、轻量化结构形式、材料特性匹配等,提出了一种背部半封闭、三角形孔的轻量化形式,并设计制造了 Φ600 mm轻量化SiC反射镜实验件。抛光后反射镜面形精度优于λ/20 rms。为验证重力变形的影响,将反射镜分别旋转了90°和180°,用Zygo干涉仪检验,3个方向检测结果误差均小于λ/100 rms。在此基础上设计完成了某空间相机中的SiC非球面主镜、次镜、第三镜,结果表明基于SiC材料的反射镜在重力变形、谐振频率、热变形等方面均能满足使用要求,而且与玻璃材料相比,在很大程度上降低了重量。     

大口径主镜热边界层热控对成像质量影响分析

随着望远镜口径的增大,主镜热惯性增大,主镜温度相对于环境温度的滞后性引起反射面热边界层形成热湍流波动,严重影响望远镜成像质量。介绍了一种基于CFD仿真和光程差累积的计算方法评估主镜反射面热边界层的湍流波动对成像质量的影响。以3.0 m口径的主镜为例,仿真计算了自然对流下和强迫对流下不同温升的反射面热边界层分布,将热边界层的流场参数转化成折射率场分布,采用光程差累积法得到反射面热边界层的成像质量。结果可以定量地描述反射面热边界层对成像质量的影响;验证了现有天文观测要求主镜反射面与环境温差小于2 K的合理性;同时证明了主镜反射面热控措施使得强迫对流下的光程差比自然对流下的下降了一个数量级,显著提高了主镜视宁度,进一步表明反射面热控措施对改善成像质量具有重要意义。     

超大口径在轨组装红外望远镜遮阳罩热设计

超大口径在轨组装红外望远镜体积大、工作温度低,各组装模块间存在相互干扰,传统热控手段不能完全满足其热控需求。为达到热控指标,分析、利用日地-L2点轨道外部热环境特性,设计了一个面向超大口径在轨组装红外望远镜的五层遮阳罩。使用UG软件建立了该望远镜有限元模型,并进行了仿真分析。结果显示:来自太阳的1 296 W/m2的热辐射经过遮阳罩的遮挡后,到达低温区的辐射强度降低到0.036 W/m2,望远镜在遮阳罩展开后约210天时通过辐射被动制冷降温至50 K以下,满足热控需求。该设计为未来我国建造超大口径空间望远镜进行了热控技术探索,具有一定的参考价值。     

衍射望远镜光学系统设计

当前对空间望远镜光学系统的要求是：在宽光谱范围内,系统具有分辨率高、质量轻等特点,衍射望远镜可以满足上述要求。利用Schupmann提出的消色差理论可实现系统宽光谱覆盖,采用平面衍射透镜做物镜可使系统轻量化,降低了成本。设计了一个物镜口径为1 000 mm,f/# =100,用离轴三反射镜做目镜的衍射望远镜。设计结果表明：系统在0.65~0.75 ?滋m波段,0.02°×0.035° 视场范围内,得到了消色差,接近衍射极限的成像质量。     

坦克动力舱热流场及红外辐射特性分析

为了更好地揭示坦克动力舱的热状态及红外辐射特性,提高坦克战场生存能力,以某型坦克为例,利用商业软件fluent建立了舱内空气与流动的CFD模型。对于动力舱内热边界条件,由汽车仿真分析软件GT-SUITE给出,装甲板的温度场计算采用流固耦合的方法,使其转化为系统内部的边界,并考虑了太阳辐射的影响。最后根据装甲板温度场建立红外辐射特性计算模型,得到了稳态工况下动力舱的热流场和装甲板红外辐射特性强度分布图,可为下一步动力舱内热流场优化和红外特性抑制提供依据。