间接热控在高分辨率光学遥感器恒温控制中的应用

宋欣阳 高 娟 赵振明 鲁 盼

（北京空间机电研究所，北京 100094）

间接热控在高分辨率光学遥感器恒温控制中的应用

宋欣阳 高 娟 赵振明 鲁 盼

（北京空间机电研究所，北京 100094）

针对高分辨率光学遥感器（以下简称高分遥感器）恒温控制要求的不断提高，文章分析了传统热控技术的优势与不足，提出采用间接热控技术进行大口径高分遥感器恒温控制的设计方法，并结合某高分遥感器的热控要求、关键部件的热控设计方案，详细阐述了间接热控技术的技术特点与实现途径。仿真分析结果及试验数据表明，间接热控技术能够满足遥感器的恒温控制需求，可以实现高分遥感器光学系统及主要结构的恒温控制精度优于±0.3℃。

间接热控技术 高分辨率 恒温控制 热设计 航天遥感器

0 引言

几十年来，我国空间光学遥感卫星图像已经在诸多领域得到了广泛的应用，发挥了不可估量的作用[1]。然而随着应用的进一步深入，用户对图像品质的要求越来越高。为达到更高的图像品质，高分遥感器需要满足更高的几何精度，因此对遥感器的恒温控制提出了更高的要求[2]。

按照热控制的原理来划分，热控制技术可分为被动热控制及主动热控制两大类。被动热控制技术是一种开环控制。在控制过程中，被控对象的温度无反馈作用。通常选择具有一定热物性的结构材料，采用表面涂层等措施，安排被控对象与其环境及周围结构的热传递，使被控对象处于期望的温度范围内。被动热控的优点在于技术简单、运行可靠，但对被控对象的温度不可控。主动热控制技术是一种闭环控制。在控制过程中，被控对象的温度反馈到热控制机构上。通常要求控制系统包括温度敏感器、控制器及执行器。较常见的主动热控制是施加主动控温功率，通过热敏感器来反馈被控对象的温度，利用控温仪来调节主动控温功率的大小及时间来控制被控对象的温度。这种主动控温方式能够调节被控对象的控温点，被控对象对控温调节反应灵活[3]。

遥感器传统热设计，多采用被动热控或主动控温的方式。尤其是对温度范围要求较高的关键部件，通常直接在被控对象上布置主动控温加热回路来达到控温的目的[4-5]。而遥感器作为一个结构复杂的大型系统，各个部件间的热耦合作用十分复杂，单一结构件通过导热、辐射等换热方式与周围的结构进行热交换，其温度变化受周边环境的整体温度影响较大，而并不完全依赖于自身的热控措施。对于直接加载在被控对象上的主动控温回路来说，受到目前航天应用的测、控温设备的性能制约[6-9]，其恒温控制精度通常在±0.3℃至±2℃范围内[10-12]。此外，热控涂层退化、空间外热流的多变以及卫星边界环境的变化成为限制高分遥感器在轨恒温控制的重要影响因素。这些因素对高分遥感器的温度影响往往是缓慢变化的，无论是仿真、试验或是在轨状态，都需要对数据进行综合比对才能确定最终的恒温控制精度。对以往高分光学遥感器的在轨数据梳理，全寿命期内的恒温控制精度约为±0.5℃至±2℃范围。

随着分辨率的逐步提高，遥感器向着大口径、高能耗、高热流密度、轨道机动多变、高恒温控制精度的趋势发展。为了得到更高的图像品质，某些高分遥感器对主要光机结构提出了优于±1℃的全寿命期的恒温控制精度要求，甚至对关键的光学镜头、承力结构提出全寿命期优于±0.3℃的恒温控制精度要求，这使得上述传统控温方法难以满足不断发展的高分辨率遥感器的温度控制需求。

针对传统控温方式在高分遥感器高精度恒温控制要求方面的不足，本文创新性的提出将间接热控技术应用于大口径高分遥感器的热设计中，并以某空间高分光学遥感器为例，详细阐述间接热控技术的实现途径与控温方式，通过仿真分析给出间接热控与传统热控技术在控温精度上的差异，通过地面热平衡试验验证间接热控的效果。

1 间接热控技术概述

间接热控技术是通过对被控对象周围的辅助结构件进行主动控温，利用两者之间的辐射热交换实现被控对象高精度恒温控制的技术。具体为：在被控对象外围增加热控辅助结构，通过电加热回路等主动控温方式为辅助结构控温，在被控对象表面及辅助结构表面喷涂黑漆等涂层以增强两者间的辐射热交换，在被控对象与辅助结构的接触位置进行隔热处理以减小两者间的导热热交换，以此实现被控对象的高精度恒温控制。通过对热控辅助结构件的主动控温措施，保证了辅助结构的温度水平，受到测控温精度限制，其温度在相对较大范围内波动。热控辅助结构为被控对象提供了其所需的温度环境，同时减弱了被控对象周边结构温度场的影响，减少了结构间复杂的热耦合，使其热量交换过程相对简单。热控辅助结构的热量主要通过辐射换热传递到被控对象本身，保证了被控对象的温度水平。同时，辅助结构件相对较大的温度波动则由于辐射换热作用起到消峰填谷的效果，使被控对象的温度在较小的温度范围内波动，从而提高了被控对象的恒温控制精度。

间接热控技术充分利用了主动热控技术及被动热控技术的优点，同时消除了主动热控技术及被动热控技术的薄弱环节，在现有技术水平、工艺水平以及确保航天产品可靠性的基础上，大大提高了被控对象的恒温控制精度。在光学、力学要求较严格的遥感器热控设计中，间接热控技术能够充分发挥其优势，使遥感器主要光机结构的温度满足恒温控制要求，为高品质图像的获取奠定基础。

2 间接热控技术的应用

间接热控技术可广泛应用于各类航天器产品的热控设计，对有高精度恒温控制要求的高分辨率光学遥感器尤其适用。本文结合某高分辨率遥感器的热控研制要求，详细阐述间接热控技术在遥感器热控设计中的具体应用。

2.1 热控指标要求

某高分辨率光学遥感器所在的卫星轨道为太阳同步轨道，轨道高度约 700km。该遥感器的口径约 800mm，+Z方向为入光口。主要由主镜、次镜、三镜、折镜、三杆、主板等结构件组成。其中，次镜组件及三杆组件位于遥感器入光口前端，次镜通过三杆结构悬于入光口中心位置，三杆组件固定在镜筒前端。主板作为遥感器的主要承力结构，支撑着镜筒组件、主镜组件、三镜组件及折镜组件等。图1为该遥感器的主要结构。

该遥感器的光学镜头及主要结构均对温度变化敏感，为保证光学成像的需要，需对主要镜头组件及承力结构进行恒温控制以保证其结构稳定和成像视场稳定。具体的恒温控制精度要求见表 1。各主要光学镜头和承力结构的温度水平可在(20±2)℃范围内。除三镜及折镜外，其余各光机结构任一位置的温度稳定性优于±0.3℃，也就是光机结构全寿命期内的恒温控制精度要求为±0.3℃。本文主要针对遥感器中有恒温控制精度要求的位置进行分析和说明。

图1 遥感器主要结构示意Fig. 1 Sketch of the main structures and optics in the HR optical instrument

表1 遥感器精密控温指标要求Tab. 1 The objective of temperature control of the HR optical instrument℃

2.2 实现部位和控温方式

通过对该高分遥感器结构形式、轨道外热流、遥感器所在卫星边界、涂层退化等影响恒温控制精度的要素进行分析和计算，采用传统热控设计方法能够满足高分遥感器主要光机结构(20±2)℃温度范围需求，而主要光机主体任一位置全寿命期±0.3℃的恒温控制要求则无法实现。为此，对该高分遥感器的主要光机结构应用间接热控技术，实现了全寿命期±0.3℃的恒温控制要求。间接热控技术的实现途径及控温方式详述如下。

图2 次镜组件及三杆组件间接热控措施示意Fig. 2 Thermal control method in secondary mirror components & spider blades components

图3 镜筒热控措施示意Fig. 3 Thermal control method in cylinder components

（1）次镜组件及三杆组件

次镜组件和三杆组件均位于高分遥感器前端，直接面对空间冷黑环境。在空间外热流变化的影响下，其温度变化比较剧烈。根据间接热控技术的思路，在次镜外围设置外热罩作为次镜的热控辅助结构——次镜热罩。通过对次镜热罩施加热控措施，保证次镜的恒温控制。在三杆外部增加外热罩作为其热控辅助结构——三杆热罩。通过对三杆热罩施加热控措施，保证三杆的恒温控制。

对次镜组件、次镜热罩、三杆、三杆热罩采取热控措施（如图2所示），以间接热控的方法来控制次镜组件及三杆组件的温度，具体措施为：

1）次镜组件（除镜面外）、三杆组件的各结构表面黑色阳极氧化处理，增加辐射换热效果，在次镜背面、三杆表面粘贴遥测热敏电阻，检测相应位置的温度。

2）在次镜热罩及三杆热罩的内表面包覆多层隔热组件，在不影响光路的情况下，减小外热流对次镜组件、三杆的温度影响。

3）在次镜热罩表面、三杆热罩表面粘贴加热片、控温热敏电阻形成主动控温控制。在抵消外热流影响的同时，为次镜、三杆提供良好的温度环境。

（2）镜筒组件

镜筒前端为次镜及三杆的安装位置，其温度恒定精度直接影响三杆及次镜的位置，因此保证镜筒的恒温控制十分重要。按照间接热控方法，在镜筒内、外增加薄壁圆筒作为其热控辅助结构，分别为镜筒上筒、镜筒内筒、镜筒外筒。通过对辅助筒施加热控措施（如图3所示），以达到对镜筒的恒温控制目的。主要措施包括：

1）镜筒及镜筒辅助筒组件的表面均喷涂黑漆，增加辐射换热效果，镜筒表面粘贴遥测热敏电阻，检测相应位置的温度；

2）镜筒内筒外表面包覆多层隔热组件，并粘贴加热片、控温热敏电阻形成主动控温控制，以减小空间外热流对镜筒的影响，为镜筒提供良好的温度环境；

3）镜筒上筒及外筒外表面包覆多层隔热组件，并粘贴加热片、控温热敏电阻形成主动控温控制。一方面抵消卫星温度边界变化对镜筒的温度影响，一方面提供加热补偿，为镜筒提供好的温度环境，保证其温度恒定。

（3）主镜及主板

利用间接热控的方法，在主镜周向及底侧、主板周侧及底侧增加薄板结构作为其热控辅助结构。为了给主镜组件及主板提供良好的温度环境，在薄板外表面粘贴加热片、控温热敏电阻形成主动控温控制。在热罩外表面包覆多层隔热组件以抵消所在卫星温度边界及其他结构温度变化对其温度的影响。主镜背面及主板的不同位置粘贴遥测热敏电阻，检测相应位置的温度。

（4）其他

除了主要结构的间接热控措施外，对该空间高分遥感器的其他各结构件辅助以主动及被动热控措施。在主要结构组件间增强隔热措施，以减小各结构之间的热耦合，减小相互影响。

2.3 仿真分析

采用TMG（I-Deas）热分析软件，对遥感器主体进行有限元网格划分，根据各结构材料属性、相互间的热耦合关系、高分遥感器的边界环境等建立热分析仿真模型。

通过分析该空间高分遥感器的外热流情况，确定极端外热流对应的轨道及机动状态。根据极端外热流、极端边界条件、内热源的工作状态、涂层材料属性退化前后等因素，综合判断后确定仿真计算中的高温、低温工况。针对极端高、低工况下的边界条件，对间接热控下的高分遥感器进行热仿真模拟计算，预示该热控措施下高分遥感器主要光机结构的温度分布及温度变化情况。对比各主要光机结构在高温工况与低温工况下的温度结果，如图4所示。

图4 仿真计算预示的间接热控技术下高低温工况的温度结果Fig. 4 Temperature results in different calculations by ITCM in TMG analysis

由图4中的温度结果可以看出，主镜(19.90~20.26)℃、次镜(19.17~19.54)℃、三杆(18.94~19.35)℃、镜筒(19.71~19.82)℃及主板(19.88~19.96)℃的温度均在20 ±2℃ ℃的范围内，且满足全寿命期内的±0.3℃的恒温控制精度。

仿真结果表明，通过间接热控技术的合理应用，该高分辨率光学遥感器主要光机结构的温度实现了全寿命期内的±0.3℃的恒温控制精度要求。

2.4 试验验证

对高分遥感器按照间接热控技术方法进行热控实施，放置于真空罐内进行地面热平衡试验。按照仿真计算中高、低温计算工况进行热平衡试验验证。高分遥感器热平衡试验所用的控温仪测温精度为±0.1℃，数据显示的精度为0.1℃。为对比热试验与热仿真中对应位置的温度结果，在遥感器光机结构的相应位置粘贴测温热敏电阻。试验中高低温工况下的温度实测值如表2所示。

由表2数据可以看出，地面真空热平衡试验中，高分遥感器的主要光机结构的温度与热仿真分析计算预示的温度结构一致性较好。验证了间接热控技术下，高分遥感器全寿命周期内主要光机结构的恒温控制精度优于±0.3℃的要求。

表2 地面真空热平衡试验温度数据对比Tab. 2 Contrast of the temperature data in vacuum thermal experiment℃

2.5 与传统热控技术的对比

采用传统的热控制方法对本遥感器进行热设计，去掉间接热控设计中为各主要光机主体增加的辅助热罩结构，将主动控温加热回路及多层隔热组件等热控措施直接作用于光机主体上。选用与间接热控仿真计算中同样的参数设置及输入条件，利用TMG软件对其进行仿真计算。在同样的低温工况和高温工况下，传统热控设计对应的仿真计算结果如图5所示。

图5 传统热控技术下高低温工况的温度结果Fig. 5 Temperature results in different calculations by common thermal control method

由图5中的温度结果可以看出，主镜(19.96~21.15)℃、次镜(19.02~20.40)℃、三杆(19.23~20.42)℃、镜筒(19.39~20.48)℃、主板(19.52~21.02)℃的温度均在 20 ±2℃ ℃的范围内。但是在采用传统的热控制方法下，全寿命期内高分遥感器的各关键部件的温度波动均超过 1℃，恒温控制精度不能满足高分遥感器的控温要求。

表3为间接热控技术及传统热控技术下，高分遥感器主要光机结构的温度数据对比。由表中两组数据显示，间接热控技术下，无论是单一工况还是全寿命期内，其温度波动范围远小于传统热控技术下的温度波动范围。其中，单一工况下的温度稳定性优于0.1℃，而全寿命期内的最大温差为0.4℃，较传统热控技术提高约一个数量级。符合高分遥感器提出的恒温控制精度优于±0.3℃的要求。

表3 主要光机结构的仿真计算温度数据对比Tab. 3 Contrast of the temperature data in TMG analysis℃

3 结论

针对高分辨率光学遥感器恒温控制要求的不断提高，本文分析现阶段传统热控技术的优势与不足，创新性的提出将间接热控设计方法应用于大口径高分辨率光学遥感器的热设计当中。通过对间接热控技术特点分析可知，采用该技术能够很好的满足高分遥感器越来越高的恒温控制精度需求。本文结合某高分辨率空间光学遥感器的恒温控制需求及热设计过程，详细说明间接热控技术在热设计中的实现途径和控温方法。仿真模拟结果表明，间接热控技术可确保高分遥感器主要光机结构全寿命期内恒温控制精度优于±0.3℃，比传统控温方式提高约一个数量级。地面真空热试验数据与热仿真分析数据一致性较高，通过试验进一步验证了间接热控技术可有效提高高分遥感器全寿命期的恒温控制精度，满足高分遥感器越来越高的恒温控制精度需求。

References)

[1] 武佳丽, 余涛, 顾行发, 等. 中国资源卫星现状与应用趋势概述[J]. 遥感信息, 2008(6): 96-101.

WU Jiali, YU Tao, GU Xingfa, et al. Status and Application Trend of Chinese Earth Resources Satellites[J]. Remote Sensing Information, 2008(6): 96-101. (in Chinese)

[2] Gilmore D G. Spacecraft Thermal Control Handbook[M]. Second Edition. Aerospace Press: 639-640.

[3] 闵桂荣, 郭舜. 卫星热控制技术[M]. 北京: 中国宇航出版社, 2007: 3-4.

MIN Guirong, GUO Shun. Satellites Thermal Control Technology[M]. Beijing: Chinese Aerospace Press, 2007: 3-4. (in Chinese)

[4] 杨文刚, 余雷, 陈荣利, 等. 高分辨率空间相机精密热控设计及验证[J]. 光子学报, 2009, 38(9): 363-2367.

YANG Wengang, YU Lei, CHEN Rongli, et al. Precise Thermal Control Design and Validation for High Resolution Space Camera[J]. Acta Photonica Sinica, 2009, 38(9): 363-2367. (in Chinese)

[5] Megahed A, El-Dib A. Thermal Design and Analysis for Battery Module for a Remote Sensing Satellite[J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2007, 44(4): 920-926.

[6] 张加迅, 王虹, 孙家林. 热敏电阻在航天器上的应用分析[J]. 中国空间科学技术, 2004(6): 54-59.

ZHANG Jiaxun, WANG Hong, SUN Jialin. The Application Analysis of Thermistor in Spacecraft[J]. Chinese Space Science and Technology, 2004(6): 54-59. (in Chinese)

[7] 吴继峰, 许晓冬, 薛敏, 等. 星上遥测的精度分析[J]. 航天器工程, 2007, 5(16): 54-58.

WU Jifeng, XU Xiaodong, XUE Min, et al. Accuracy Analysis of On-board Telemetry Acquirement[J]. Spacecraft Engineering, 2007, 5(16): 54-58. (in Chinese)

[8] 李国强, 姚根和. 中国星载CCD相机控温仪性能比较[J]. 航天返回与遥感, 2006, 4(27): 44-48.

LI Guoqiang, YAO Genhe. Property Comparison of Thermal Controller for CCD Camera in China Satellite[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2006, 4(27): 44-48. (in Chinese)

[9] 姚根和, 吴华红. 卫星高精度智能控温技术研究[C]. 第五届海内外华人航天科技研讨会, 2004: 59-69.

YAO Genhe, WU Huahong. Precise Aptitude Temperature Control Technology of Satellite[C]. The 5th Space Science Conference, 2004: 59-69. (in Chinese)

[10] 赵振明, 王兵, 高娟. 地球静止轨道凝视型相机热分析与热设计[J]. 航天返回与遥感, 2010, 31(3): 34-40.

ZHAO Zhenming, WANG Bing, GAO Juan. Preliminary Research on the Thermal Design Methods of the Geosynchronous Orbit Staring Camera[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2010, 31(3): 34-40. (in Chinese)

[11] 申春梅, 李春林, 高长春. 某空间光谱成像仪热管理初析[J]. 航天返回与遥感, 2012, 33(6): 80-85.

SHEN Chunmei, LI Chunlin, GAO Changchun. Thermal Management of Calorigenic Equipment in Space Spectral Imager[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2012, 33(6): 80-85. (in Chinese)

[12] 鲁盼, 赵振明, 颜吟雪. 高分辨率遥感相机CCD组件精密热控制[J]. 航天返回与遥感, 2014, 35(4): 59-66.

LU Pan, ZHAO Zhenming, YAN Yinxue. Precise Thermal Control of CCD Components in High Resolution Remote-sensing Camera[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2014, 35(4): 59-66. (in Chinese)

Application of Indirect Thermal Control Technology for Constant Temperature Control of HR Optical Remote Sensor

SONG Xinyang GAO Juan ZHAO Zhenming LU Pan

（Beijing Institute of Space Mechanics &Electricity, Beijing 100094, China）

Based on the increasingly strict objective of constant temperature control of HR optical remote sensors, the advantages and disadvantages of the common thermal control technology are discussed in this paper. And furthermore, a new thermal control method is put forward which uses the indirect thermal control technology (ITCT) in the thermal design of large scale HR optical instruments at the first time. An application of ITCT in a HR optical instrument for which the highly constant temperature control is required is introduced in details. The simulation of the design and the data of the experiment shows that the results of thermal control using ITCT can meet the objective precision. By optimization design of the ITCT, the precision of constant temperature control of the main structures and optics of the HR optical instrument can be better than ±0.3 .℃

indirect thermal control technology; high resolution; constant temperature control; thermal design; space remote sensor

V443+.5

A

1009-8518(2015)02-0046-07

10.3969/j.issn.1009-8518.2015.02.007

宋欣阳，女，1984年生，2009年获天津大学热能工程专业硕士学位，工程师，现从事空间相机热控技术研究工作。研究方向为大口径高分辨率光学遥感器的精密热控设计。E-mail: songxinyang1984@163.com

2014-11-06