静轨空间遥感器反射式光栏数值研究

陈祥贵 赵振明 孟庆亮 张煚 于志

静轨空间遥感器反射式光栏数值研究

陈祥贵1,2赵振明1,2孟庆亮1,2张煚1,2于志1,2

（1北京空间机电研究所，北京 100094）（2先进光学遥感技术北京市重点实验室，北京 100094）

受地球静止轨道上的空间外热流影响，空间低温光学系统的传统遮光罩极易产生极端高温现象，该现象产生的高温红外辐射是空间低温光学系统内部背景辐射的主要来源。文章针对上述问题进行研究，利用反射式光栏遮光罩取代传统的遮光罩，在保留消除杂散光能力的同时，优化遮光罩的控温特性，使其处于较低的温度水平，降低光机系统的背景辐射。文章给出了基于椭球曲线和椭球-双曲曲线设计的两种反射式光栏的设计方案，针对地球静止轨道热环境及空间遥感器入光口的特点，建立了考虑加工精度和粗糙度的传统遮光罩和两种反射式遮光罩的仿真分析模型，并分析了不同时刻、不同光栏设计方案的遮光罩控温特性及背景辐射分布情况，为工程化应用提供参考。结果表明，椭圆双曲遮光罩具有更好的控温特性，但过高的粗糙度会产生杂散光，影响镜片温度。

遮光罩 反射式光栏 数值模拟 航天器热设计 空间低温光学 航天遥感器

0 引言

空间红外光学系统由于距离探测目标较远，对其灵敏度要求较高。空间低温光学系统可以降低红外系统的背景噪声，有效地提高红外系统的探测灵敏度，是目前空间光学遥感技术重要的研究方向[1]。

空间红外光学系统接收的热辐射包括目标辐射和背景辐射，其中背景辐射既包括观测路径上的气体、尘埃的热辐射（即外部背景辐射），也包括低温光学系统自身光机结构的热辐射（即内部背景辐射）。随着红外探测器技术的发展，高性能光学系统中的探测器已经实现了极低的噪声水平，背景辐射成为限制系统信噪比的主要因素，其对遥感器成像品质的影响逐渐凸显[2-5]。因此，为了提高系统的信噪比和灵敏度，控制系统自身的背景辐射成为必然。

遮光罩是空间光学遥感器的重要组成部分，而遮光罩高温红外辐射是光学系统内部背景辐射的主要来源。空间遥感器的遮光罩一般由筒壁和筒壁上的光栏组成，其作用是消除杂散光，保证成像品质。传统的光栏片（挡光环）垂直于壁面，通过在光栏前后表面及遮光罩内壁涂有高吸收涂层达到削弱或消除外部背景辐射的目的[6]。然而，在地球静止轨道上，由于其涂有高吸收涂层的原因，暴露在空间环境下的遮光罩容易长时间地吸收外热流，导致自身温度升高，产生极端高温现象[7-8]。此外，遮光罩自身的高温红外辐射也会对光机系统的稳定性产生较大影响，产生热应力形变等问题，并将最终影响到空间遥感器的成像品质。因此，对遮光罩高温背景辐射的控制尤为重要[9-11]。

为保证低温光学系统的性能，必须采取措施在保证遮光罩消除杂散光能力的同时，使其处于较低的温度水平。目前对遮光罩高温问题的通常处理方法主要是增大热容、加强热疏导或机械制冷[12]。增大热容所需的相变材料，加强热疏导所需的环路热管、桁架热管[15]，机械制冷所需的制冷机，都增加了额外的质量和驱动功率[13-15]，给地面试验和在轨运行带来了许许多多的新问题。

为避免上述问题，1978年，Danilo Radovic提出了反射式光栏的概念，并提出了基于椭圆曲线的设计方案[16]。该方案通过巧妙的应用椭圆的光学原理，将从入光口入射的大量光线反射出去。该设计被认为可以有效地限制轨道外热流的影响，而无须增加额外的功率和质量。1983年，James认为反射式光栏将在空间低温红外光学系统中有重要应用[17]。2001年，Schneider指出了遮光罩因吸收太阳辐射而产生的极端高温现象，并认为基于椭球曲线的反射式光栏设计方案有助于解决这一现象[18]。2019年北京空间机电研究所为解决空间低温光学热控问题也提出了类似方案[19]。基于椭球曲线的反射式光栏设计方案在理论上是完全可行的，但在三维空间应用中就不那么完美了，一些空间上的斜射线和多次反射的射线难以被反射出入光口。文献[20]中介绍约有10%的光线会被吸收，致使遮光罩温度上升。随后，多位学者进行了改进尝试，他们试图打开侧面缝隙或通过增加向后反射的球形曲面来封闭光栏。其中，部分改进后单片光栏的反射效率可以达98%，但多次反射的结果表明，整体的反射效率仍旧保持在90%～92%。

1994年，Stavroudis利用双曲线找到了避免反射空洞的最佳方法，提高了整体的反射效率[21]； 2006年，E. Rugi-Grond在国际光学会议（International Conference on Space Optics，ICSO）上仔细探讨了双曲光栏在“贝皮可伦坡号”激光高度计（BepiColombo Laser Altimeter，BELA）上应用的可能性[20]；2008年，E. Heesel在ICSO上讲述了BELA反射式光栏的热力学性能和光学性能的耦合分析[22]。目前，欧洲航天局（ESA）与日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）合作研制的水星探测卫星“贝皮可伦坡号”（BepiColombo）搭载的激光高度计上已经采用了椭球曲线与双曲线组合设计的镜面挡板遮光罩方 案[23-24]，这也是反射式光栏的第一次在轨实际应用。其地面实验结果表明，该镜面遮光罩可以有效限制入射的轨道太阳外热流，适应水星恶劣、严酷而又极端的热环境。BepiColombo于2018年发射成功，并计划于2025年抵达水星。随后，其上搭载的激光高度计将会开机，并反馈镜面挡板遮光罩的在轨应用效果。

尽管反射式光栏在消除遮光罩极端高温问题上有着诸多优点，但出于加工精度等工程问题的考虑和对其在轨应用的质疑，使得其工程应用仅有一例，国内相关研究更是寥寥无几。本文给出了两种分别基于椭球曲线和椭球-双曲曲线的反射式光栏设计方案，并利用商业软件SINDA FLUINT针对地球静止轨道热环境及遥感器入光口特点，建立了考虑一定加工精度和粗糙度下传统遮光罩和两种反射式遮光罩的仿真分析模型，使其更贴合工程实际。针对仿真结果，本文分析了在不同时间节点下地球静止轨道上，不同光栏设计方案热负荷及背景辐射的分布情况，为工程化应用提供参考。

1 反射式遮光罩

第一种反射式光栏设计方案是基于椭球曲线的设计方案。图1展示了椭圆的光学性质，经过椭圆焦点1或2的光线入射到壁面上任意一点、、，被反射的光线必定会穿过另一个焦点2或1，而经过两焦点间的光线入射到椭圆壁面上必定会从两焦点间反射出。若将遮光罩入光口端点固定在两焦点上，则从遮光罩入光口进入的光线，经过椭球面反射后，必然被反射出入光口。

图2是依据此原理设计的遮光罩内反射式椭圆光栏示意图，椭球光栏由一片环状的直板光栏和数片椭球光栏组成。直板光栏位于入光口两侧，而每片椭圆光栏母线的一个焦点1固定在通直板光栏内端点处，另一个焦点2位于前一片光栏母线在通光孔圆柱面上的顶点处，长轴顶点是焦点1与2连线并延长至遮光罩内壁面的相交点。由一组椭圆弧母线绕光轴1旋转一周形成椭圆光栏，并以光栏前表面为基准，向后延伸一定厚度。直板光栏和椭球光栏正对入光口侧的壁面为高反射镜面涂层，另一侧则为有高吸收涂层。值得注意的是，该曲面光栏的物理表面不是椭球体，而是来自绕光轴方向旋转的椭圆曲线。

图1 椭圆的光学性质原理图

图2 椭球光栏的形状及定位设计图

第1片椭球面光栏母线的位置和形状由曲线方程确定[18]

式中，轴如图2所示，以遮光罩的中心轴为轴，以如光口截面为轴；0是光轴1到遮光罩内壁的距离，即椭圆的半长轴；1是光轴1到通光孔边界的距离，即椭圆的焦半径。当01（取决于直板光栏的长度）和遮光罩长度的数值或比例确定时，第2片至第片椭球面光栏母线的位置、形状和数量均可确定。

第二种反射式光栏设计方案是基于椭球曲线和双曲线的设计方案。图3展示了双曲线的光学性质，从双曲线一个焦点1发出的射线入射到双曲壁面上，其被反射后的轨迹延长线经过双曲线上另一焦点2。利用该性质，可以将从入射到双曲表面上的光线反射给椭圆表面，然后反射出入光口。

图4是由一系列在外径和内径之间交替的椭圆和双曲线形成的斯塔夫鲁迪斯障碍。这些椭圆是沿着对称轴从外径到内径形成的，双曲线则相反，即第一个椭圆是从外径的入光口端点起到内径止，该椭圆的焦点是内径的端点。而双曲线是从上一椭圆与内径的交点延伸至外径形成的。这样通过将椭圆与双曲线的交替连接，形成了一个没有反射空腔的连续圆柱体。另外，所有部分的焦点都处于内径的两个入光口端点。

图3 双曲线的光学性质原理图

图4 椭圆双曲光栏的设计原理图

2 仿真分析模型

建立传统吸收式遮光罩、椭圆式遮光罩和椭圆双曲光栏（即斯塔夫光栏，Stavroudis）遮光罩模型，遮光罩通光口直径均为0.9m，遮光罩筒壁外径为1.0m，遮光罩长度2.0m，其结构参数如表1所示，其物性参数如表2所示。

表1 结构参数表

Tab.1 Structure parameter list

注：ULE是二氧化钛-硅酸盐玻璃。

表2 物性参数表

Tab.2 Physical property parameter table

图5为遮光罩示意图，图6为遮光罩光栏网格划分图。

图5 三种遮光罩示意图

图6 三种光栏网格划分示意

镜片设定为常用的ULE材料，镜片与遮光罩之间无热耦合关系，仅能通过红外辐射进行传热，镜片背面设置为绝热条件。传统光栏前后表面及遮光罩内壁进行发黑处理，椭圆光栏前表面设置为高反射镜面，后表面及遮光罩内表面进行发黑处理。椭圆双曲遮光罩有连续的光栏取代了遮光罩筒壁，内表面设置为高反射镜面。

3 数据分析与处理

选取地球静止轨道，运行轨道参数如表3所示，对三种遮光罩进行不同轨道日期、不同外表面措施的在轨热分析。遮光罩入光口始终正对地球，镜片后表面设置绝热边界条件，镜片与遮光罩无接触热传导，仅有辐射传热，遮光罩外表面设置包覆多层隔热组件（简称多层）或喷涂白漆两种对比条件，初始温度为20℃。

表3 仿真计算轨道参数设置表

Tab.3 Simulation calculation track parameter setting table

轨道参数如表3所示，3月21日为春分点，此时太阳直射赤道，地球阴影区最长；4月12日太阳矢量与卫星轴的夹角最小，是有无地球阴影区的临界日期，这一天太阳略过地球照射到遮光罩内部的深度最深，时间最长。本文将重点分析春分点时刻地球静止轨道，对比分析第二条4月12日的地球静止轨道。

3.1 春分点时刻地球静止轨道分析

图7给出三种遮光罩所有单元节点在轨温度变化曲线，各遮光罩最高温度和周期内温差如表4所示，遮光罩外包多层时，直板遮光罩的最高温度高达到120℃，周期内最大温差高达180℃；椭圆式遮光罩的最高温度小幅度降低至90℃，周期内最大温差减小至120℃；椭圆双曲遮光罩的最高温度大幅度降低至55℃，周期内最大温差减小至65℃；同时各遮光罩最低温度有所提高，最大温差减小。遮光罩外喷涂白漆时，直板遮光罩的最高温度降至20℃，周期内最大温差依然高达160℃；椭圆式遮光罩的最高温度降低至–30℃，周期内最大温差值减小到110℃；椭圆双曲遮光罩降低至–40℃，周期内最大温差值略微增大至80℃；同时各遮光罩最低温度也有所降低。可以看出，遮光罩外不包多层，喷涂白漆时，三种遮光罩都有明显降温，温度降低接近100℃，且三种遮光罩的周期温差变化不大，若希望遮光罩获得较低温度时，喷涂白漆显然更为合适。

图7 直板光栏、椭圆光栏和椭圆双曲光栏遮光罩温度对比分析图

表4 三种遮光罩最高温度和周期温差对比表

Tab.4 Comparison of the maximum and the cycle temperature difference of the three types of barriers

模型建立了空间光学系统的遮光罩和前镜片部分，仿真时可以更好的看到遮光罩对前镜片温度的影响，但忽略了其他近乎恒温部分对镜片温度的影响，镜片本身较薄、质量较小，自身热容较低，极易受其他部分的影响，产生温度波动，所以在对镜片分析时，更多的是定性分析而非精确的定量分析，实际上在工程实践中，镜片可以控制到某一温度，在某些文献中，其仿真过程中将镜片设定为恒温边界条件也是合理的，但这样就忽略了遮光罩对镜片温度的影响，而这种影响某种程度上可以视为杂散光影响的一种体现。

图8给出三种遮光罩形式对应镜片所有单元节点的温度变化曲线，各遮光罩末端镜片的最高温度和周期内温差如表5所示。遮光罩外包多层时，直板遮光罩的镜片最高温度为60℃，周期内最大温差为60℃；椭圆式遮光罩的镜片最高温度为60℃，周期内最大温差减小为50℃；椭圆双曲遮光罩的镜片最高温度升高至95℃，周期内最大温差增大至110℃；同时各遮光罩最低温度有一定提高，最大温差有所减小。遮光罩外喷涂白漆时，直板遮光罩的镜片最高温度降至–35℃，周期内最大温差减小到35℃；椭圆式遮光罩的镜片最高温度降低至–35℃，周期内最大温差为40℃；椭圆双曲遮光罩的镜片最高温度降低至85℃，周期内最大温差增大至130℃；对于同一时刻温差，椭圆双曲光栏的镜片温差依然最大，但较周期温差小许多。

图8 直板光栏、椭圆光栏和椭圆双曲光栏对镜片温度影响定性分析图

表5 三种遮光罩对镜片最高温度和周期温差影响的定性分析表

图9给出三种遮光罩和镜片所有单元节点在轨出阴影区后某一时刻温度云图，由图9可以看出最高温度处于被太阳持续照射的遮光罩入口处。此外，可以明显的看出，椭圆双曲遮光罩的温度分布呈纵向条状，其他遮光罩则呈现周向层状。

图9 直板光栏、椭圆光栏和椭圆双曲光栏遮光罩出阴影区后某一时刻温度云图（05:07）

3.2 4月12日的地球静止轨道分析

图10和图11分别给出4月12日地球静止轨道上的三种遮光罩和末端镜片所有单元节点在轨温度变化曲线。由图7和图10对比可以看出第二条地球静止轨道的遮光罩温度更高，外包多层时，椭圆遮光罩温升最明显，升高了30℃；其次是直板光栏，升高了20℃；温升最低的是椭圆双曲遮光罩，仅升高了5℃。喷涂白漆时，各遮光罩温升不明显。外包多层时，第二条轨道各遮光罩的镜片比第一条均有30℃左右的温升和略微的周期温差改变；喷涂白漆时，第二条轨道各遮光罩的镜片比第一条均有25℃～30℃的温升，周期温差明显增大，最高温度时刻温差增大极其明显。该结果的原因主要是4月12日地球静止轨道无阴影区，使得太阳对遮光罩及镜片的照射时间更长。

图10 直板光栏、椭圆光栏和椭圆双曲光栏遮光罩温度对比分析图

图11 直板光栏、椭圆光栏和椭圆双曲光栏对镜片温度影响定性分析图

对比上述三种遮光罩，地球静止轨道上椭圆双曲遮光罩的控温特性更好，更适用于空间低温光学系统的应用，但其对镜片有明显的不利温升，其原因会在下一小结探究。

3.3 椭圆双曲遮光罩镜片温度问题的分析

图12显示了春分点时地球静止轨道上各遮光罩镜片的总吸收热流，由图12可以看出，椭圆双曲遮光罩的镜片吸收的总热流高于椭圆光栏遮光罩的镜片，约为其吸收热流的2.5倍左右。而由图12（c）可以看出椭圆双曲光栏95%的总吸收外热流是太阳外热流，因此提高椭圆双曲遮光罩的表面粗糙度可以有效降低镜片的温度，减小向后反射的杂散光。

图12 椭圆光栏和椭圆双曲光栏遮光罩末端镜片总吸收热流和太阳热流对比图

上述结果证明椭圆双曲遮光罩的镜片确实吸收了比其他遮光罩更多的外热流，而非理论上的所有入射光都会被反射出入光口。其原因主要有以下两点：

1）各仿真软件采用“以直代曲”的基本微分思想使仿真模型并非完美的曲线，与理论有所偏差，致使多次反射的光线没有全部反射出入光口。但上述问题与工程实际中的加工精度类似，实际加工过程中也难以实现完美的曲线。

2）镜面参数的设置参考工程实际，其表面并非绝对光滑，而是具有微小的粗糙度，这也是导致被反射的光线没有全部被反射出去的另一个原因。具有一定粗糙度的镜面会发生漫反射效应，导致部分光线被反射到镜面上。

椭圆双曲遮光罩朝向镜片的镜面反射面（双曲面）由于漫反射效应，部分太阳辐射被反射到镜片上，导致镜片吸收热流增加，而椭圆式遮光罩朝向遮光罩出口面仍然为吸收面，所以相比椭圆双曲遮光罩要好得多。此外，镜片背光侧绝热的设置、镜片自身较低的热容、椭圆双曲遮光罩朝向镜片侧，皆为低红外吸收率的镜面反射面，都导致被动热控措施下散热困难（只能进行辐射传热）的镜片，只需较少的太阳辐射，就会温度居高不下。

尽管地球静止轨道上椭圆双曲遮光罩的控温特性更好，更适用于空间低温光学系统的应用，但其会减弱遮光罩原有的消杂散光能力，对镜片有明显的不利温升。对于椭圆双曲遮光罩来说，提高加工精度、降低镜面粗糙度可以增强遮光罩控温特性的同时，有效地增加遮光罩的消杂散光能力。增加光栏网格密度，将镜面粗糙度设置为4nm，即粗糙度达到光学镜表面水平时，椭圆双曲遮光罩点源透过率（PST）降低至10–3dB以下，达到椭圆遮光罩水平。

4 结束语

反射式光栏相比传统的直板光栏，可以有效减小射入遮光罩内太阳外热流带来的热负荷，降低遮光罩自身的温度，减少了因遮光罩自身高温产生的红外辐射带来的背景辐射干扰，降低了相机前镜头光学组件的热控难度。此外，反射式光栏作为一种被动式热控技术，拥有更高的可靠性。本文结论如下：

1）椭圆遮光罩和椭圆双曲遮光罩这类反射式遮光罩均拥有较好的控温特性，可以将大部分入射光线反射出去，降低遮光罩自身温度。由于椭圆遮光罩理论上就有一部分入射光会被吸收，因此椭圆双曲遮光罩的控温特性更好。

2）反射式光栏遮光罩可将遮光罩外包裹的多层隔热组件更换为高性能的白漆，在显著的降低遮光罩温度和镜片温度的同时，不会带来显著的周期温差，达到更好的控温性能；而传统遮光罩周期温差增加明显。

3）在地球静止轨道上，对于空间低温光学系统，椭圆双曲遮光罩的控温特性更好，尽管其对镜片有不利温升，但镜片质量小、热容小，与大质量遮光罩相比易于控温。

4）椭圆双曲遮光罩镜片温度居高不下的原因是，朝向镜片的高反射镜面具有一定的粗糙度，造成的漫反射效应会将部分杂散光反射到镜片上，导致镜片吸收热流增加。此外，镜片背光侧绝热的设置、镜片自身较低的热容、朝向镜片的高反射镜面，导致镜片散热困难，只需较少的太阳辐射就会使其温度居高不下。

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Numerical Simulation of Reflective Barriers for Space Remote Sensors in Geostationary Orbit

CHEN Xianggui1,2ZHAO Zhenming1,2MENG Qingliang1,2ZHANG Jiong1,2YU Zhi1,2

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）（2 Key Laboratory for Advanced Optical Remote Sensing Technology of Beijing, Beijing 100094, China）

Affected by the space heat flow in the geostationary orbit, the traditional sunshields of the space cryogenic optical system is prone to extreme high temperature phenomenon, and the high-temperature infrared radiation generated by this phenomenon is the main source of the internal background radiation of this system. This paper studies the above problems and replaces the traditional sunshields with a reflective-barriers-sunshields. While retaining the ability to eliminate stray light, the temperature control characteristics of the sunshields are optimized to keep it at a lower temperature level and to reduce the background radiation of the optomechanical system. This paper presents two design schemes of reflective diaphragms based on ellipsoid curve and ellipsoid-hyperbolic curve. According to the thermal environment of the geostationary orbit and the characteristics of the light entrance of the space remote sensor, a design scheme considering the machining accuracy and roughness is established. The simulation analysis model of the traditional sunshields and two kinds of reflective sunshields with different degrees is analyzed, and the temperature control characteristics and background radiation distribution of the sunshields at different times and different reflective barrier design schemes are analyzed to provide reference for engineering applications. The results show that the elliptical-hyperbolic barriers has better temperature control characteristics, but too high roughness will produce stray light and affect the lens temperature.

sunshield; reflective barriers; numerical simulation; spacecraft thermal design; space cryogenic optical system; space remote sensor

V443+.5

A

1009-8518(2022)05-0090-12

10.3969/j.issn.1009-8518.2022.05.009

2022-01-18

陈祥贵, 赵振明, 孟庆亮, 等. 静轨空间遥感器反射式光栏数值研究[J]. 航天返回与遥感, 2022, 43(5): 90-101.

CHEN Xianggui, ZHAO Zhenming, MENG Qingliang, et al. Numerical Simulation of Reflective Barriers for Space Remote Sensors in Geostationary Orbit[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2022, 43(5): 90-101. (in Chinese)

陈祥贵，男，1998年生，2020年获中国石油大学（华东）能源与动力工程专业学士学位，现于中国空间技术研究院攻读硕士学位。研究方向为空间遥感器热控系统总体设计。E-mail：chenxg508@163.com。

（编辑：庞冰）