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星载低温光学系统热控设计与飞行验证

刘庆志 易桦 江海 刘银年

刘庆志, 易桦, 江海, 刘银年. 星载低温光学系统热控设计与飞行验证[J]. 中国光学(中英文), 2023, 16(3): 542-549. doi: 10.37188/CO.2022-0200
引用本文: 刘庆志, 易桦, 江海, 刘银年. 星载低温光学系统热控设计与飞行验证[J]. 中国光学(中英文), 2023, 16(3): 542-549. doi: 10.37188/CO.2022-0200
LIU Qing-zhi, YI Hua, JIANG Hai, LIU Yin-nian. Thermal control design and flight test of a satellite-borne cryogenic optical system[J]. Chinese Optics, 2023, 16(3): 542-549. doi: 10.37188/CO.2022-0200
Citation: LIU Qing-zhi, YI Hua, JIANG Hai, LIU Yin-nian. Thermal control design and flight test of a satellite-borne cryogenic optical system[J]. Chinese Optics, 2023, 16(3): 542-549. doi: 10.37188/CO.2022-0200

星载低温光学系统热控设计与飞行验证

基金项目: 实践九号卫星国家重大科技专项工程
详细信息
    作者简介:

    刘庆志(1975—),男,黑龙江牡丹江人,博士,高级工程师,1997年、2002年于北京航空航天大学分别获得学士、硕士学位,2005年于中国空间技术研究院获得博士学位,主要从事航天器热设计、热分析及热试验工作。E-mail:looup@sina.com

  • 中图分类号: TK124

Thermal control design and flight test of a satellite-borne cryogenic optical system

Funds: Supported by National Major Science and Technology Project of SJ-9 Satellite
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  • 摘要:

    星载长波红外相机工作时需要将整个光学系统的温度降低至−20 °C以下,以减少背景红外辐射的影响。在弱导热连接结构设计的基础上,研制了Ω型柔性遮阳装置,通过直接辐冷方式实现了光学系统的低温设计;研制了鸟笼式三维导热带,实现了主镜筒的均温设计。作为国内首个在空间领域应用的低温光学系统随实践九号B星进行了在轨飞行试验,结果表明,整个光学系统温度可长期保持在−35 °C~−20 °C,主镜筒圆周温度差小于4 °C。该热控设计方法简单有效,可以为类似星载红外光学系统的热设计提供参考。

     

  • 图 1  SJ-9B卫星构型图

    Figure 1.  Configuration of the SJ-9B satellite

    图 2  长波红外相机构型图

    Figure 2.  Configuration of the long-wave infrared imager

    图 3  相机内部热量传递图

    Figure 3.  Schematic diagram of heat transfer of the imager

    图 4  长波红外相机热控状态示意图

    Figure 4.  Schematic diagram of thermal control of the imager

    图 5  阳光遮挡情况示意图

    Figure 5.  Schematic diagram of the sunshield

    图 6  隔热垫片安装位置

    Figure 6.  Position of the insulation pads

    图 7  隔热垫片安装方式

    Figure 7.  Installation mode of the insulation pads

    图 8  鸟笼式导热带安装示意图

    Figure 8.  Schematic diagram of the cage-like straps

    图 9  鸟笼式导热带结构示意图

    Figure 9.  Configuration of the cage-like straps

    图 10  光学系统主要温度测点布置图

    Figure 10.  Temperature sensor layout of the optical system

    图 11  实践九号B星照片

    Figure 11.  Photograph of the SJ-9B satellite

    图 12  主镜筒和主反射镜温度曲线

    Figure 12.  Temperature curve of the body tube and the primary reflector

    图 13  后光学透镜温度曲线

    Figure 13.  Temperature curve of the rear lens

    图 14  次反射镜温度曲线

    Figure 14.  Temperature curve of the secondary reflector

    图 15  相机支架温度曲线

    Figure 15.  Temperature curve of the imager’s bracket

    表  1  长波红外相机各部分材料以及控温需求

    Table  1.   Materials and temperature requirements of the imager’s components

    零件名称温度水平( °C)温度均匀性( °C)材料
    次反射镜−35~−20/石英玻璃
    主镜筒−35~−20圆周温差≤5殷钢
    主反射镜−35~−20/石英玻璃
    后光学透镜−35~−20/Ge晶体
    相机支架−20~0/铝合金
    制冷机−20~20//
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    表  2  地面热平衡试验光学系统温度测试结果

    Table  2.   Temperatures in different positions (shown in Fig.10) of the optical system in the thermal balance test

    温度测点位置温度测点代号温度水平( °C)温度均匀性( °C)
    主镜筒T1−31.9~−28.5圆周温差:4.3
    T2−31.9~−28.5
    T3−27.6~−26.6
    主反射镜T4−27.6~−26.6/
    后光学透镜T5−25.6~−22.7/
    T6−26.6~−23.7/
    次反射镜T7−32.3~−31.9/
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  • [1] 单秋莎, 谢梅林, 刘朝晖, 等. 制冷型长波红外光学系统设计[J]. 中国光学,2022,15(1):72-78. doi: 10.37188/CO.2021-0116

    SHAN Q SH, XIE M L, LIU CH H, et al. Design of cooled long-wavelength infrared imaging optical system[J]. Chinese Optics, 2022, 15(1): 72-78. (in Chinese) doi: 10.37188/CO.2021-0116
    [2] 汤天瑾, 李岩. 红外相机共孔径双波段成像光学系统[J]. 应用光学,2015,36(4):513-518. doi: 10.5768/JAO201536.0401004

    TANG T J, LI Y. Dual-band common aperture optical system for infrared camera[J]. Journal of Applied Optics, 2015, 36(4): 513-518. (in Chinese) doi: 10.5768/JAO201536.0401004
    [3] 陈建发, 潘枝峰, 王合龙, 等. 基于制冷型探测器的双波段红外光学系统无热化设计[J]. 电光与控制,2019,26(10):83-86. doi: 10.3969/j.issn.1671-637X.2019.10.017

    CHEN J F, PAN ZH F, WANG H L, et al. Athermalization design of a dual-band infrared optical system with cryogenic detector[J]. Electronics Optics &Control, 2019, 26(10): 83-86. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1671-637X.2019.10.017
    [4] 刘星洋, 翟尚礼, 李靖, 等. 制冷型中波红外偏振成像光学系统设计[J]. 红外与激光工程,2021,50(2):20200208. doi: 10.3788/IRLA20200208

    LIU X Y, ZHAI SH L, LI J, et al. Design of cooled medium-wave infrared polarization imaging optical system[J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(2): 20200208. (in Chinese) doi: 10.3788/IRLA20200208
    [5] 陆燕, 刘恩光, 谢荣建. 国外空间红外观测中的低温光学技术发展概况[J]. 真空与低温,2011(S1):530-536.

    LU Y, LIU E G, XIE R J. Development of low-temperature optical technology in foreign space infrared observation[J]. Vacuum &Cryogenics, 2011(S1): 530-536. (in Chinese)
    [6] HIRABAYASHI M, NARASAKI K, TSUNEMATSU S, et al. Thermal design and its on-orbit performance of the AKARI cryostat[J]. Cryogenics, 2008, 48(5-6): 189-197. doi: 10.1016/j.cryogenics.2008.03.003
    [7] 张旋, 赵高飞, 潘鸣. 空间红外相机高精度低温光学扫描技术研究[J]. 科学技术与工程,2012,12(16):3995-3999. doi: 10.3969/j.issn.1671-1815.2012.16.047

    ZHANG X, ZHAO G F, PAN M. High precision cryogenic scanning technology for space infrared camera[J]. Science Technology and Engineering, 2012, 12(16): 3995-3999. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1671-1815.2012.16.047
    [8] 刘伏龙, 李春林. 低温光学技术在航天遥感器上的应用研究[J]. 真空与低温,2011(S1):537-543.

    LIU F L, LI CH L. Application of cryogenic optical technology in space borne remote sensors[J]. Vacuum &Cryogenics, 2011(S1): 537-543. (in Chinese)
    [9] 郑兴林, 马龙. 光学遥感器微晶玻璃镜头组件空间低温模拟试验技术[J]. 航天器环境工程,2009,26(3):267-271. doi: 10.3969/j.issn.1673-1379.2009.03.016

    ZHENG X L, MA L. Low-temperature simulation test technology of nucleated glass lens used for the optical remote sensor in space environment[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2009, 26(3): 267-271. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1673-1379.2009.03.016
    [10] 马宁, 刘奕, 李江勇, 等. 红外低温光学关键技术研究综述[J]. 激光与红外,2017,47(10):1195-1200. doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2017.10.001

    MA N, LIU Y, LI J Y, et al. Review on key technologies of infrared cryogenic optics[J]. Laser &Infrared, 2017, 47(10): 1195-1200. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2017.10.001
    [11] 周超. 低温红外系统光机结构设计[J]. 红外与激光工程,2013,42(8):2092-2096. doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2013.08.029

    ZHOU CH. Opto-mechanical design for a cryogenic IR system[J]. Infrared and Laser Engineering, 2013, 42(8): 2092-2096. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2013.08.029
    [12] 刘银年, 王建宇, 薛永祺. 环境减灾-1B卫星红外相机的研制[J]. 航天器工程,2009,18(6):50-56.

    LIU Y N, WANG J Y, XUE Y Q. Infrared scanner of HJ-1B satellite[J]. Spacecraft Engineering, 2009, 18(6): 50-56. (in Chinese)
    [13] 刘银年. “高分五号”卫星可见短波红外高光谱相机的研制[J]. 航天返回与遥感,2018,39(3):25-28. doi: 10.3969/j.issn.1009-8518.2018.03.003

    LIU Y N. Visible-shortwave infrared hyperspectral imager of GF-5 satellite[J]. Spacecraft Recovery &Remote Sensing, 2018, 39(3): 25-28. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1009-8518.2018.03.003
    [14] 闵桂荣, 郭舜. 航天器热控制[M]. 2版. 北京: 科学出版社, 1998.

    MIN G R, GUO SH. Space Thermal Control[M]. 2nd ed. Beijing: Science Press, 1998. (in Chinese).
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-09-24
  • 修回日期:  2022-10-11
  • 网络出版日期:  2023-02-06

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