三线阵相机在轨温度场分析

江利锋 傅伟纯

（中国空间技术研究院总体部，北京 100094）

1 引言

“资源三号”卫星是中国首颗民用高分辨率光学传输型立体测绘卫星，卫星集测绘和资源调查功能于一体，用于1∶50 000立体测图及更大比例尺基础地理信息产品的生产和更新，开展国土资源调查与监测。三线阵立体测绘相机是“资源三号”卫星的主要载荷，担负着高分辨率立体测绘的重任，其成像质量（quality）是判断卫星飞行任务成败的标准。

作为高分辨率空间相机，其任务性质与轨道寿命决定了相机必须在严酷的空间环境下具有可靠的光学性能。相机的光学性能除了取决于相机光学系统的设计之外，对温度的变化也非常敏感，相机各部件温度水平和温度不均匀性引起的零部件热变形的是影响相机光学性能的不可忽视的重要原因，因此相机的热控效果将直接关系到相机的光学成像效果[1-5]。

“资源三号”卫星于2012年1月9日发射入轨，3天后相机主体的温度场达到动态平衡。至今为止，相机已经进行了多次在轨成像，成像质量均达到了设计预期的效果，其良好的温度场分布是保证成像质量的重要因素之一。本文结合该相机的具体热设计状态，对相机在轨温度场分布进行了详细分析总结。

2 相机结构及温度指标

2.1 相机结构

三线阵相机由前视、后视、正视3台相机及一体化安装支架组成，每台相机单体包括遮光罩、窗口组件、透镜组件、主承力结构以及焦面箱等部分。一体化支架包括前视支架、后视支架、正视前支撑、正视后支撑以及相机底板。

3台相机互成夹角，分别安装在相应支架上，支架固定安装在相机底板，最终一体化安装在卫星载荷舱外表面，直接暴露于空间环境。相机的遮光罩及镜头部分指向地球，具体结构如图1所示。

2.2 温度指标

目前国内外多种高分辨率空间望远镜均采用均方根波像差（RMS值）来进行允差分配，通常分配给热控系统的允差占总允差预算的一半左右[1，4]。根据“资源三号”卫星三线阵相机热控允差需求，通过热光学分析，相机提出了较高的温度控制指标，具体见表1。

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3 相机热设计简介及在轨温度分析

相机在空间中的温度主要受空间辐射、卫星的导热及自身热容的影响。分析“资源三号”卫星三线阵相机在轨工作情况，热控的主要技术难点包括两个部分：复杂不均匀外热流条件下高温度指标要求的实现以及焦面高功率密度CCD器件的散热问题。结合相机热控难点的具体解决方法，对相机在轨温度场进行分析。

3.1 相机主结构温度

3.1.1复杂外热流条件下的相机热设计

三线阵相机直接暴露在空间环境中，相机所受到的外热流变化很大，相机自身结构复杂，3台相机之间、相机与支架、不同支架间的相互遮挡都较为厉害，导致相机及支架各部位的外热流极不均匀。为减小外热流对相机温度的影响，采用与空间环境的隔热设计，在相机外表面包覆多层隔热材料，多层的面膜用吸收发射比较小的F46镀银二次表面镜。

为减小部件与部件之间，尤其是温度波动较大的部件对温度稳定度要求高的部件的影响，相机各部件间采用隔热设计，使用玻璃钢隔热垫片增大相机部件间的热阻。

为保证相机各部温度均匀，且温度水平在要求的范围内，在相机外表面实施薄膜电加热器，根据相机各部位外热流的不同对加热器的阻值及功率密度进行精密设计、布置，采用高精度控温仪对相机进行精密控温。

3.1.2在轨温度水平

相机在轨温度达到平衡后，相机在轨一星期内的温度水平数据如表2所示，相机镜筒温度范围为（19.7～20.3）℃，支架的温度范围为（19.6～20.5）℃，均在指标范围内，且有较大的余量。图2至图4为单个轨道圈内，卫星过境12min内相机主结构典型部位温度变化曲线。

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3.1.3在轨温度均匀性

单个轨道圈卫星过境12min内，相机主结构的温度均匀性数据如表3所示，相机镜筒最大周向温差均在0.3℃以内，优于最大温差≤1℃的指标要求；轴向最大温差在0.65℃以内，优于＜1.5℃的指标要求。相机支架及底板的最大温差均在0.65℃以内。

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3.1.4在轨温度波动

表4为卫星在轨一圈，境内12min相机各部位的最大温度波动数据。分析表4及图2～4中数据可知，在轨过境12min时间内，相机镜筒的温度波动均在0.11℃以内，支架温度波动均在0.06℃以内，底板温度波动在0.25℃以内，说明相机在轨温度稳定度高。

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3.2 相机焦面CCD温度

3.2.1焦面高功率密度CCD器件热设计

相机焦面CCD器件功率密度高达2 000W/m2以上，由于相机焦面CCD的温度水平和温度均匀性直接影响成像质量，成像时为保证焦面CCD的温度维持在要求的温度水平且温度均匀，必须将焦面产生的热功耗及时排散出去。由于相机在轨调焦时CCD需要±3mm范围内移动，CCD的散热途径必须有一定的柔性。另外CCD器件的温度水平过高或温度波动过大会增大CCD的暗电流和热噪声，导致系统信噪比降低，影响成像质量[6-10]，需尽可能将CCD温度控制在指标下限附近。

为实现相机高功率密度CCD器件的散热和在轨调焦需求，在焦面内部安装热管、导热索等高导热能力的器件，外部增设散热面，形成CCD→焦面小热管→导热索→焦面面板→焦面外贴热管→散热板的散热路径，以保证CCD器件工作时高能流密度的散热，同时在散热通道上布置补偿加热回路，保证CCD不工作期间，CCD的温度在指标要求范围内，并接近温度指标的下限。导热索的结构示意图见图5，其柔性段允许弯折，以此保证CCD器件在轨调焦需求。

3.2.2 CCD在轨温度

相机在轨温度平衡后，CCD的温度水平及温度波动数据如表5所示；图6和图7为单个轨道圈内，卫星过境相机CCD的温度变化曲线。3台相机CCD在轨温度均在指标要求范围内，且接近指标温度下限；相机在轨不成像时，CCD温度稳定，波动均在0.1℃以内；在轨成像时，CCD温度有小幅度提升，最大波动在1.5℃以内。

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3.3 相机透镜温度

相机透镜安装在镜筒内部，面向空间，其温度主要受空间辐射及镜筒的导热影响。由于相机遮光罩的作用，相机透镜受镜筒温度的影响相对更大。出于相机成像需求，透镜无法直接实施主动控温等热控措施，仅能通过镜筒间接控制。

为保证透镜温度能满足梯度＜0.2℃，梯度的稳定度＜0.1℃的指标，需减小镜筒的周向温度梯度及稳定度，为此在镜筒外表面多层的内胆使用一种具有高横向导热能力的特殊多层隔热组件，以减小外热流对镜筒温度梯度的影响，提高相机镜筒的温度均匀度，间接提高透镜温度的均匀度及稳定度。

由于相机透镜上无测温点，透镜的温度仅能通过镜筒温度间接推算。通过建立相机有限元模型，根据相机实际在轨边界条件，分析所得相机透镜与镜筒温度对应关系如表6所示，比较表3及表6中镜筒温度梯度数据，镜筒在轨温度值均小于分析值，由此可以得出结论，透镜在轨温度梯度及温度梯度的稳定度也均小于分析值，透镜温度梯度＜0.13℃，温度梯度的稳定度＜0.06℃，均能满足指标要求。

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4 结束语

三线阵相机的在轨温度是决定相机成像质量的重要参数，是相机在轨正常运行的重要保障条件。本文结合相机具体热控设计，详细分析了相机在轨温度情况，分析结果表明，相机在轨温度数据稳定，镜筒温度水平控制在（20±0.3）℃，周向温度梯度在0.3℃以内；透镜温度梯度＜0.13℃，梯度的稳定度＜0.06℃，所有温度数据均能满足指标要求，且有较大的余量，这也证明了三线阵相机的热控设计合理正确。

（References）

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