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对于空间光学遥感仪器而言,温度不但会影响到它的使用可靠性、使用寿命,同时也直接影响它的成像质量,光学遥感仪器必须在合适的温度范围内才能正常有效地工作。在静止轨道三轴稳定平台上的光学遥感设备因为其工作模式不同,内部发热时有变化,且所处轨道外热流变化频繁,因此必须对它进行严格的主被动热控设计,使其在不同的环境条件及工作状态下都能工作在合适的温度范围内。本文分析并综述了现有的主要遥感航天器、光学遥感仪器的热控方法及热控指标,并描述了现有的主要理论分析方法和热模型修正方法。在此基础上提出了静止轨道三轴稳定平台上光学遥感仪器的各种热控设计方法,主要研究内容为:
首先,对概念设计阶段的主动热控方案的确定和寻优,提出了基于DOE方法的设计方法。以一可用于静止轨道的小相机为例,分析了遥感仪器的主动热传递通路,采用理论分析并结合数值实验的方法,建立起主要热传递路径上最终散热表面温度与功耗的关系,建立了基本的热阻网络以便主动热控所需功耗的确定,以及主动热控加热器的位置确定,最后,在理论分析及数值实验得出的结论基础上,运用DOE中的拉丁超立方取样法进行了多次仿真,确定了主动热控的总体方案。
其次,为抑制对光学遥感系统影响最大的太阳直射外热流,根据光学系统在静止轨道运行时的受照特点,分析了直射入光学系统的太阳光能量,推导出由外遮光罩高度,形状及不同太阳倾斜角确定的无量纲数阳光抑制比K,用Monte-Carlo方法编制通用程序计算不同轮廓形状在不同太阳倾斜角下的抑制比K,用以描述外遮光罩对视场外直射阳光的抑制能力,用于指导外遮光罩的高度设计。
同时,根据静止轨道光学遥感仪器中外热流特点,从外热流进入遥感仪器的路径分析,提出了不同热控分区概念,并提出了分区热控、逐级降温的热设计方法。研究了光照区、光路区及非光照区的热设计特点,并结合实例对不同分区的主要部件进行主要热控手段的研究。将电学中阻-容网络的理念应用于传热路径上两点之间热阻、热容计算的阻容网络瞬态分析。采用结构薄壁的厚度仿生优化方法,根据壁面上热流密度的不同,调整各处的材料厚度,并进行了滤波平滑化处理,最后结合隔热板的实例进行了实际运用,对比优化前后的温度分布及红外杂散辐射,验证了该法的可行性。
根据热管辐射器的特点,将热管辐射器简化为若干单位辐射单元的组合,给出了针对热管辐射器的详细响应面优化方法与步骤,结合实例,对热管辐射器的散热效率进行优化,调整热管间距以使得单位重量的热管辐射器能够散出最多的热量。
最后,文章也总结了本文工作的局限之处,同时列出了一些可以进一步开展的工作。