申春梅 李春林 高长春

（北京空间机电研究所，北京 100076）

1 引言

某空间光谱成像仪（以下简称成像仪）作为我国第二代从可见光到热红外光谱范围的星载多光谱成像仪，能够获得覆盖可见多光谱、中短波红外以及长波红外在内的较高空间分别率的多谱段图像数据，将在我国环境监测及资源调查等应用领域发挥重要作用。成像仪在轨工作时，其温度会受到冷黑空间背景、轨道外热流（太阳直射、地球红外、地球反照）以及成像仪上发热设备（内热源）的影响[1-4]，进而影响到成像仪的结构稳定性和成像性能，因此，热控设计是成像仪在轨性能的决定性因素之一。而内热源作为遥感器内部发热设备，热设计时必须采取合适热控措施对其热耗进行疏导和控制，否则，不但设备本身温度无法满足降额要求，出现烧坏等问题，也会对其周围环境造成不利影响。

成像仪配置有可见光、中短波红外、长波红外等多组焦面视频处理器以及2台脉冲管制冷机，这些设备是成像仪主要内热源，分散布置于成像仪内部狭小空间，总热功耗362W，且控温要求差异大，制冷机控温要求在10℃以下，视频处理器要求不超过45℃，光学镜头组件及其安装结构件则要求室温水平。成像仪内热源的大热耗和制冷机的低温要求，使成像仪散热面面积需求很大且功耗资源紧张，给热设计带来困难，本文基于热管理理念[5-7]，围绕控制内热源散热面面积、利用内热源热耗对成像仪主体进行保温从而节省主动控温功耗这两个原则，解决成像仪内热源热设计难题。

2 成像仪内热源

为完成在轨多光谱成像任务，成像仪上布置有中短波红外探测器、长波红外探测器和可见光焦面组件，与各探测器配套的电子设备有中短波红外视频处理器、长波红外视频处理器和可见光视频处理器，成像仪系统简图如图1所示（黄色部分为成像仪主要内热源）。中短波红外探测器工作温度要求80K，长波红外探测器工作温度要求60K。为此，成像仪主体上布置2台脉冲管制冷机，分别用于中短波红外探测器和长波红外探测器焦平面的制冷。

在结构布局上，成像仪内热源与光学镜头组件同处在成像仪外罩内，与光学镜头组件共用安装底板和支撑结构；在温度要求上，两台制冷机热端和压缩机分别是-40℃～0℃和-40℃～10℃，视频处理器盒体-10℃～45℃，光学镜头组件及其支撑结构件则要求在20℃±2℃的水平；在工作热耗上，两台制冷机工作峰值热耗共计295W，3台视频处理器热耗分别为17W、25W和25W。

图1 成像仪系统简图Fig.1 Diagram of imager system

3 内热源热设计思路

3.1 内热源热控任务特点及难点

成像仪外罩、底板、光学镜头支架等主体结构温度要求20℃附近，成像仪内热源处在由外罩和底板围成的空间内，且与光学镜头组件共用固定支架和安装底板，制冷机热端温度要求-40℃～0℃，制冷机压缩机温度要求-40℃～10℃，上限均低于20℃的安装环境温度，因此，必须对制冷机配备空间辐射散热面进行散热。3台视频处理器盒体温度要求-10℃～45℃，上限虽然高于20℃，但初步计算结果表明（详见表1），在20℃环境温度下，仅有辐射换热、无其它散热措施的条件下，视频处理器盒体在轨高温温度已接近45℃，不仅视频处理器本身高温温度与高温限之间的余量不大 ，其高温水平也会对其周围光学镜头组件的温度造成不良影响。因此，从传统热设计思路看[8-11]，视频处理器也需要配备空间辐射散热面进行散热。

表1 室温环境下的视频处理器盒体温度Tab.1 Temperature of video processors at room temperature environment

成像仪卫星平台运行轨道为太阳同步轨道，+X为飞行方向，+Z为对地方向，飞行过程中无姿态机动和偏转，轨道升交点地方时为13∶30。在此轨道上运行，卫星+Y面为背阴面，始终不受太阳照射，是布置散热面的最佳方位，但限于卫星平台+Y面舱板散热面资源紧张，成像仪仅能在自身+Y侧有限空间内布置散热面，如图2所示。成像仪所配置的2台脉冲管制冷机峰值热耗达295W，且热端峰值温度要求低于0℃，压缩机峰值温度要求低于10℃。若散热面放置在成像仪+Y侧，初步估算散热面需约1.3m2，已把成像仪+Y侧散热面布置空间占满。若按照传统热设计思路，对视频处理器也配备散热面，其散热面则只能布置在成像仪+Z侧，+Z面为对地面，地球红外和地球反照外热流较大，散热效率不高，初步估算散热面需约0.4m2，由此可见，若对制冷机和视频处理器都配备空间辐射散热面，成像仪内热源散热面需求很大，此外，成像仪内热源峰值热耗362W，较大的内热源热耗也使成像仪功耗资源紧张。因此，散热面需求大，散热面资源和功耗资源紧张是成像仪内热源热控任务的特点和难点。

图2 成像仪星上安装位置示意图Fig.2 Deploymentof spectral imageron satellite platform

3.2 基于热管理理念的热设计思路

航天器热管理理念的重要特点是从系统角度出发[5-7]，对航天器有关热环境和子系统的热行为进行统一调配与综合利用，使能量消耗和排散废热达到最小程度。为有效解决成像仪散热面和功耗资源都紧张的特点和难点，可基于热管理理念，以控制散热面大小和节省主动控温功耗为原则，对成像仪内热源进行热设计。基于热管理理念，制冷机与主体结构必须最大程度热隔离，否则，主体结构（温度水平20℃）必通过制冷机（制冷机必须散热，并且温度水平低于10℃）向外空间漏热，从而增大维持20℃温度水平所需的主动控温功耗。同时，光学系统向制冷机的漏热，则会增加制冷机散热面负担，增大散热面需求。基于热管理理念，对视频处理器应以充分利用其工作热耗为首要原则，而不是按照传统热设计思路对其散热。在与20℃环境温度仅有辐射换热时，视频处理器盒体温度并没超过其温度上限，且由工作和不工作时的热耗变化引起的温度波动也不大（详见表1），若能在视频处理器与成像仪主体之间建立合适导热通路，增大吸收视频处理器热耗的热容，可在拉低视频处理器温度水平的同时，利用视频处理器热耗对成像仪主体保温，在一定程度上节省维持成像仪主体20℃温度水平所需的功耗。

4 基于热管理理念的成像仪内热源热设计

4.1 脉冲管制冷机

基于热管理理念，需将制冷机与主体结构最大程度的热隔离，因此需对制冷机采取如下热控原则：首先，在制冷机安装面与安装支架之间垫隔热垫片，尽量隔断制冷机和室温之间的导热换热通路；其次，在制冷机其它各表面以及散热热管外表面均包覆多层隔热组件，尽量隔断制冷机和主体结构之间的辐射换热通路。此外，在对制冷机进行散热设计时，还需尽量控制其散热面大小。

根据散热面能量守恒，若散热面单位面积吸收的外热流密度以及内热源热耗一定，散热面温度越高，排散相同热量所需的散热面面积越小；若内热源温度一定，则内热源与散热面之间的总热阻越小散热面温度越高。因此，为控制制冷机散热面面积，应尽量提高制冷机散热面温度，同时降低制冷机与散热面之间的热阻。制冷机压缩机温度上限10℃，热端温度上限0℃。从两者温度上限看，制冷机压缩机和热端应分开散热，因为分开散热后，压缩机散热面温度可以高于热端散热面温度，从而节省散热面面积。

两台脉冲管制冷机热端温度上限均为0℃，从二者温度上限看，二者似乎可共用一块散热面，但初步热分析计算结果表明：当60K和80K制冷机热端分开散热，散热面大小分别为0.87m2、0.38m2时，高温工况下，60K制冷机热端温度在轨波动范围-18.94℃～-2.527℃，80K制冷机热端温度在轨波动范围-13.09℃～-6.265℃；而当两制冷机共用散热面，散热面大小为1.25m2（0.87m2+0.38m2）时，仅80K制冷机热端温度在0℃以下波动，而60K热端温度则高于0℃。这是因为，内热源与散热面之间的温差与内热源热耗成正比，60K制冷机热端热耗远大于80K制冷机热耗（60K制冷机热端峰值热耗104W，80K制冷机热端峰值热耗52W），当共用一块散热面时，散热面温度相同，60K制冷机热端温度必高于80K制冷机热端温度，即在共用散热面的情况下，若80K制冷机热端为0℃，则60K制冷机热端必高于0℃。为使60K制冷机热端温度达到0℃，则需进一步增大散热面面积，而此时80K制冷机热端温度水平则已在0℃以下。当两者分开散热时，60K散热面只需保证峰值热耗时60K热端温度为0℃，80K热端散热只需保证峰值热耗时80K热端温度为0℃即可。因此，为尽量控制制冷机散热面大小，两台制冷机的热端需各自配备一块散热面分开散热。同理，两台压缩机热耗也有差别，也应分开散热。

此外，为尽量降低热端以及压缩机与散热面之间传热路径的总热阻，在结构设计允许的情况下，从热端和压缩机直接拉热管到散热面，中间无任何热量中转结构，以避免引入额外导热热阻和接触热阻，且尽量增加热管与热端、压缩机以及散热面的接触长度，并在接触面处涂导热硅橡胶。

4.2 视频处理器

从热管理的角度出发，将成像仪外罩、视频处理器、视频处理器安装支架以及成像仪底板连成如图3所示的热网络。在此热网络中，3台视频处理器均用热管与成像仪外罩热导通，同时，成像仪外罩上布置均温热管；中短波红外视频处理器与成像仪底板导热安装，长波红外视频处理器和可见光视频处理器与其安装支架导热安装，安装支架再与成像仪底板导热安装，成像仪底板内部预埋热管做均温化处理，同时，长波红外视频处理器和可见光视频处理器盒体外贴热管与底板预埋热管导热搭接。

采用上述热网络对视频处理器进行热控有如下优点：

1）可以用较大的热容吸收视频处理器工作热耗，从而拉低视频处理器工作温度，同时，降低因视频处理器工作和非工作时的热耗变动造成的温度波动；

2）视频处理器工作热耗可以通过热控网络传导至成像仪外罩和底板上，起到对外罩和底板的加热作用，从而降低将成像仪外罩和底板维持在20℃温度水平所需要的主动控温功耗，节省资源；

3）与采用配备空间辐射散热面相比，采用此热网络法，不需在成像仪+Z侧布置视频处理器散热面，降低了结构设计的难度，减轻了成像仪质量。

图3 视频处理器热控网络Fig.3 Thermalcontrolling network of video processors

表2给出了采用热控网络方案时视频处理器温度计算结果，表1给出的是在20℃环境温度下，仅有辐射换热、无其它散热措施时视频处理器温度计算结果，由表1和表2结果对比可发现，对视频处理器，采用热控网络方案后，视频处理器盒体温度水平明显降低，工作和不工作时的热耗差造成的温度波动也有所降低。同时，采用热控网络法之后，布置于成像仪外罩上处于视频处理器附近的主动控温加热回路在整个轨道周期内都不加热，这说明视频处理器通过热网络传递到成像仪外罩的热量足以使其附近外罩温度水平处在室温水平，此区域不需要再给成像仪外罩主动控温补偿功率，因此起到了节省功耗的作用。

表2 采用热网络热控方案时视频处理器温度Tab.2 Video p rocessors' temperature w ith thermal controlling network

5 结束语

针对某空间光谱成像仪散热面布置空间和主动控温功耗资源均紧张的特点，基于热管理理念对成像仪内热源热进行了热设计，节省了散热面面积和主动控温功耗，降低了成像仪结构设计的难度，同时成功减轻了成像仪的质量。本文所述内热源热设计思路，对其它光学遥感器尤其是大型光学遥感器热设计具有一定参考和借鉴意义。

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