空间紫外太阳望远镜主镜及探测器热控技术研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:yexianyang
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为实现对太阳磁场、太阳耀斑和日冕物质抛射等太阳活动进行连续的高时空分辨率观测,我国提出了空间太阳观测研究的科学任务,搭载空间紫外太阳望远镜(UVST)运行于太阳同步轨道对太阳活动进行实时观测。其中,UVST需同时对紫外与可见光两个波段进行探测,其主镜与探测器的热控制是望远镜正常且高效工作关键。为了使主镜与探测器满足指标要求的温度水平,保证光学系统的成像质量,本文对UVST主镜与探测器组件的热控技术进行了深入研究。首先,论文概述了太阳活动观测的意义与空间太阳望远镜的研究现状,对国内外典型的空间太阳望远镜主镜及探测器热控技术的发展和研究进行了总结。在此基础上,对本文的研究对象UVST主镜与探测器的结构与热设计任务进行了分析,阐述了UVST主镜吸收率高、吸热量大需高温散热及探测器组件需低温制冷所面临的热控重点、难点问题。其次,分析了太阳、卫星、地球三者间的相对位置关系与空间环境特点,利用热分析软件计算UVST在轨高、低温工况下各表面瞬时到达的外热流大小。结果表明:太阳直射光线有2.5W的能量被主镜表面吸收,高、低温工况条件下UVST的背阴面到达外热流最小,且外热流比较稳定,适合作为大功耗探测器组件的散热面。同时,对UVST主镜及探测器组件进行了详细的热设计,并分析了热控系统的组成。首先分析了主镜及探测器组件结构特点,然后针对主镜及探测器的工作温度、内热源大小、与周围元器件温差等热设计要求,分析影响主镜及探测器组件温度的关键热设计参数,确定其主要散热方案。主镜采用了一种新型的柔性高导热石墨薄膜材料通过被动热控的方式进行散热,探测器则采用了冷指连接辐射器并结合主动热控的方式进行详细的热设计。最后对热控系统主动控温回路进行了可靠性分析,计算得到主镜及探测器热控系统满足在轨可靠度要求。再次,对主镜及探测器组件进行了热仿真分析,先结合系统的外热流特点、任务需求以及飞行姿态,确定其在轨工况,再利用有限元仿真软件建立主镜及探测器的有限元模型,计算极端高、低温工况条件下主镜及探测器组件的温度水平。结果表明主镜及探测器组件均满足温度指标的要求。最后,开展了主镜与探测器的热平衡试验,主镜在高温工况下的温度能够有效的降低至40~oC以下,满足温度指标要求,试验结果与仿真分析结果趋于一致,验证了主镜热设计的正确性。同时获得了探测器组件试验温度分布数据,并对探测器仿真分析模型的重要热设计参数进行了修正,修正后探测器各组件仿真分析与试验结果温差均小于1.2~oC,且探测器的温度均满足热控指标的要求。
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