基于微型空間相機的紅外加熱籠仿真與設計

黃春瑋，張旭升，郭 亮

（1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學院大學，北京 100049）

0 引言

對于航天產品，無論是衛星平臺還是有效載荷，都需要進行充分而適度的環境模擬試驗，以達到發現隱患、優化設計，提高在軌可靠性的目的。在熱控分系統中，包含一項極為重要、且貫穿整個研制階段的環境模擬試驗，熱平衡試驗。通過該試驗，達到驗證熱設計的正確性和合理性、修正熱分析數學模型的目的。在熱平衡試驗中，能否準確地模擬外熱流直接決定試驗的成敗，是影響試驗結果的關鍵熱邊界條件。對于近地軌道航天器，空間外熱流主要由太陽直射、地球反照和地球紅外3 部分輻射能量組成[1]。

在熱平衡試驗中，模擬外熱流的方式主要包括太陽模擬器、表面粘貼電阻加熱片、紅外加熱籠、紅外燈陣等。其中，太陽模擬器主要模擬與太陽光相接近的光譜分布、輻照度等，但是這種模擬方式成本高、技術復雜，需配套復雜的運動模擬器模擬航天器在軌的姿態變化。紅外燈陣模擬的外熱流輻照強度可以根據電壓來調節，對瞬態的外熱流模擬較容易實現，但是紅外燈的輻照強度具有明顯的方向性，不容易控制模擬表面的熱流均勻程度，并且紅外燈陣模擬外熱流，需要考察模擬表面對紅外燈的輻射光譜吸收特性。表面粘貼電阻加熱片模擬外熱流，模擬的是航天器表面的吸收外熱流，要求加熱器粘貼后不能對模擬表面造成損傷，并且要在加熱器表面噴涂與模擬表面相同的涂層。針對紅外加熱籠模擬外熱流，其以結構靈活、模擬簡單等特點而被廣泛應用在熱試驗中。紅外加熱籠模擬的目標外熱流即為空間相機在熱分析過程中所得到的軌道周期平均外熱流。通常配合熱流計，計算該熱流密度下熱流計敏感片的溫度，并以熱流計的溫度作為反饋來控制紅外加熱籠的功率[2-5]。

楊曉寧[6-7]等通過優化紅外燈陣不同的參數來降低模擬的熱流密度的不均勻性。同時，還研究了紅外加熱籠帶條的覆蓋系數對到達衛星表面外熱流均勻性的影響，仿真結果顯示加熱籠距離衛星表面越遠，覆蓋系數越大模擬出的外熱流均勻性增長的越快。季琨等[8]針對熱試驗中紅外加熱籠之間的干擾進行了優化設計，通過防輻射屏和補償邊設計，可以達到減小熱干擾的目的。韓繼廣等[9]研制出一種運動裝置，可以改變紅外加熱籠與航天器表面之間的相對距離，來實現瞬態外熱流的模擬。孫玉瑋等[10]對紅外加熱籠的邊緣效應進行了研究，通過增添邊緣加熱籠以及將邊緣加熱籠翻轉一定角度的方式來改善航天器表面到達熱流密度的均勻程度。此外，對圓臺型航天器表面和與之相匹配的紅外加熱籠進行了研究，得出了圓臺型加熱籠的優化設計參數[11]。謝吉慧等[12]針對紅外加熱籠與航天器表面結構匹配問題，建立一套數字化結構匹配方法，可以使紅外加熱籠與航天器表面的匹配成功率達到100%。房紅軍等[13]對加熱籠的布點進行了優化設計，通過對熱流計布置位置的優化使外熱流的誤差均方根由9.2%降低至3.2%。但是調整布點位置改變的僅為實際到達衛星表面的平均外熱流的大小，并不能改善到達衛星表面上外熱流的均勻程度。

而對于特征尺寸較小的表面，采用紅外加熱籠模擬外熱流時，可能存在總到達能量偏低、熱流密度均勻性差等問題。因此，本文將基于某微型空間相機，以對外熱流最為敏感的散熱面為研究對象，開展紅外加熱籠仿真分析與優化設計的研究。采用有限元法建立紅外加熱籠-熱流計的系統仿真模型，分析加熱籠尺寸和熱流計粘貼位置對模擬表面總到達能量和熱流密度均勻性的影響。

1 計算模型

在某微型空間相機的熱平衡試驗中，通過紅外加熱籠模擬散熱面的到達外熱流，在一種工況下，模擬出的外熱流是恒定的。使用熱流計粘貼在散熱面的中心來測量模擬的到達外熱流。實際試驗外熱流模擬裝置示意圖如圖1所示，相機整機包絡尺寸為980 mm×200 mm×253 mm，散熱面寬和高的尺寸為160 mm×167 mm；加熱籠由框架、彈簧、鋼帶、底座組成，其中鋼帶通過彈簧與框架相連，形成閉合回路。加熱籠的寬和高的尺寸為233 mm×255 mm，分別為加熱籠左右邊框的最大寬度和上邊框至底板之間的距離，加熱籠鋼帶的帶條寬度為6 mm，厚度0.1 mm，帶條間隔為9 mm；黑片熱流計的外徑為40 mm；紅外加熱籠與散熱面之間的距離為50 mm。

圖1 外熱流模擬裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the external heat flow simulator

為了分析該裝置模擬出的外熱流情況，采用UG/SST 模塊建立紅外加熱籠-黑片熱流計系統的有限元模型，如圖2所示。其中，殼單元為15055 個、節點18408 個，共計33463 個。對模型進行不同程度的簡化，由于加熱籠電阻絲與加熱籠框架之間采用彈簧相連接，實際熱阻很大，所以在建立有限元模型過程中忽略其耦合關系，朝向被加熱表面的一側噴涂黑漆，紅外半球發射率為0.9，背向被加熱表面的一側為材料表面自然狀態。結合散熱面、紅外加熱籠的輪廓尺寸和黑片熱流計的外徑，將散熱面劃分為9 個區域，分別建立9 個黑片熱流計模型，均勻分布在散熱面的相應區域，經測量黑片熱流計的敏感片及補償片的紅外半球發射率為0.9，并對對應區域的熱流計進行編號；熱沉溫度設置為100 K；散熱面噴涂白漆，紅外半球發射率和太陽吸收率分別為0.92 和0.12。

圖2 有限元網格示意圖Fig.2 Finite element mesh diagram

根據熱分析結果得出的散熱面高溫工況的軌道周期平均外熱流，以及散熱面參數可以計算出熱流計的目標溫度：

式中：αs為散熱面的太陽吸收率；ε為散熱面的紅外半球發射率；Q1、Q2、Q3分別為太陽直射、地球反照、地球紅外的輻射能量；σ為斯特藩-玻爾茲曼常數。

在熱試驗中，紅外加熱籠和被加熱表面均為平面，并且加熱籠的尺寸與被加熱表面尺寸基本一致，加熱籠與被加熱表面之間存在一定距離，這就會出現被加熱表面呈現中間受到的熱流多，周圍受到的熱流少的現象[3]。僅采用單一點處的熱流計溫度值反映出的整個面的熱流密度值與實際到達外熱流存在誤差，因此需要對試驗中的誤差進行分析。

目前對于均勻程度的定義還不完善，本文采用9個熱流計測得的熱流密度的均方偏差S來表征到達散熱面的均勻程度。

式中：t1～t9為9 個敏感片達到平衡時的溫度；t為目標熱流計溫度。

2 仿真分析

由于紅外加熱籠主要模擬高溫工況下的外熱流，這里僅對高溫工況的模擬情況進行分析。經熱分析得到的軌道周期平均外熱流為423.9 W/m2，并以此作為紅外加熱籠模擬的目標外熱流，代入公式(1)計算出高溫工況下的目標熱流計溫度為20.9℃，以此作為控制條件，改變加熱籠的加熱功率，反復進行穩態計算，當目標熱流計達到目標溫度且加熱籠的占空比為75%時，以此時的功率作為熱試驗中加熱籠需要調節的功率。

9 個熱流計敏感片達到平衡時的溫度如表1所示，溫度云圖如圖3所示。

表1 傳統加熱籠控制方法下敏感片平衡溫度Table 1 Equilibrium temperature of sensitive sheet under conventional heating cage control method

圖3 敏感片平衡時的溫度云圖Fig.3 Temperature cloud when the sensitive sheet reaches steady state

由表1、圖3 可以看到，在熱試驗中利用紅外加熱籠模擬外熱流，并使用中心位置的RLJ-5 熱流計溫度作為反饋，來控制紅外加熱籠的開關，達到平衡時的平均到達熱流密度為341.2 W/m2，較目標到達外熱流偏低19.6%，不滿足總到達能量的保守設計原則。所引起的各點溫度偏差最大值可達－34.0℃，9個區域的熱流均方偏差為102.0。由圖3 的仿真結果可知，該種傳統加熱籠設計帶來的外熱流模擬與熱分析所得的外熱流存在較大誤差，由于中心的RLJ-5 敏感片溫度與周圍的溫度相比較高，所以利用中心RLJ-5 熱流計的溫度來控制加熱籠，會導致模擬的平均外熱流明顯低于在軌期間的外熱流，這會使試驗工況無法覆蓋在軌期間的極端高溫工況。并且加熱籠模擬出的外熱流的不均勻程度很高，因此若要改善這一現象，需對加熱籠進行優化設計。

3 優化設計

本文針對上述缺點提出改進方法：

①針對模擬的平均到達熱流密度較在軌期間偏低的問題，可以采用周圍溫度較低的熱流計對加熱籠進行控制，使得模擬的平均熱流密度略大于在軌期間平均熱流密度；由于9 個熱流計具有對稱性，分別采用RLJ-1、RLJ-2 和RLJ-4 熱流計的溫度作為反饋控制加熱籠，進行仿真分析，仿真結果如下，9 個熱流計敏感片達到平衡時的溫度如表2所示。

表2 不同熱流計控制加熱籠時敏感片的平衡溫度Table 2 Equilibrium temperature of the sensitive sheet when controlling the heating cage with different heat flow meters

經計算，采用RLJ-2 和RLJ-4 熱流計的溫度來控制加熱籠得到的模擬平均熱流密度分別為375.7 W/m2和385.5 W/m2，依然小于在軌期間的平均熱流密度，而采用RLJ-1 熱流計作為控制加熱籠的溫度數據時，平均熱流密度為493.1 W/m2，高于在軌期間的平均熱流密度。因此，在試驗中可以使用RLJ-1 熱流計來測量到達外熱流并采用其溫度數據控制加熱籠。

②針對模擬的平均外熱流均勻性差的問題，可以在空間條件允許的條件下，盡可能擴大加熱籠尺寸，并使散熱面處在加熱籠的中心位置，以提高均勻性。另外，擴大加熱籠的尺寸勢必會導致除被模擬表面的其他表面受到影響，可以采用防輻射屏來遮擋熱流。改進后結構示意圖如圖4所示。

圖4 改進后裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of the improved device

在原有的加熱籠尺寸的基礎上，分別將寬和高依次增加30 cm 和20 cm，并利用RLJ-1 熱流計的溫度反饋對加熱籠進行控制，進行仿真分析，得到的結果如下，9 個熱流計敏感片達到平衡時的溫度如表3所示。各個尺寸下，平均熱流密度曲線如圖5所示，熱流密度均方偏差曲線如圖6所示。

表3 改進結構的敏感片的平衡溫度Table 3 Equilibrium temperature of sensitive sheet with improved structure/℃

圖5 各個尺寸下平均熱流密度曲線Fig.5 Average heat flow density curves for different sizes

圖6 各個尺寸下熱流密度均方偏差曲線Fig.6 Mean square deviation curve for different sizes

由表3 和圖5、圖6 可以看出利用RLJ-1 熱流計溫度作為反饋，可以提升模擬的平均外熱流至高溫工況下的軌道周期平均外熱流以上；并且擴大加熱籠可以有效改善模擬外熱流的均勻程度。但是當尺寸擴大到353 mm×335 mm 時，模擬的平均外熱流與在軌期間平均外熱流的差值為69.2 W/m2，熱流密度均方偏差下降至27.0，繼續擴大尺寸不能明顯減小模擬的平均外熱流與在軌期間平均外熱流的差值，且無法有效地降低熱流密度的均方偏差，也就是說繼續擴大尺寸已經無法有效地改善到達散熱面的熱流均勻程度，由于擴大加熱籠的尺寸勢必會提升加熱籠所需的功率，因此在實際的熱試驗中可以選用尺寸為353 mm×335 mm 的加熱籠模擬外熱流，既可以滿足模擬的平均外熱流的均勻性要求，又可以做到空間和功率方面的平衡。

4 結論

本文根據某微型空間相機在熱試驗中的外熱流模擬裝置，采用有限元法建立了系統仿真模型，分析了在傳統加熱籠控制方法下，到達模擬表面的總能量及熱流密度均勻性，并對其結構進行了改進，通過分析改進裝置的仿真結果，得出以下結論：

1）對于采用傳統加熱籠控制方法出現的到達模擬表面的總能量偏低的問題，通過調整熱流計粘貼位置，可以使到達模擬表面的熱流密度高于在軌期間到達散熱面的熱流密度，進而滿足總到達能量的保守設計原則。

2）對于紅外加熱籠在該熱試驗中模擬外熱流時出現的熱流密度不均勻的問題，通過擴大加熱籠能夠實現提升均勻度的效果，熱流密度的均方偏差從最初的102.0 降低至27.0，并且平均熱流密度與目標熱流密度的差值從69.2 W/m2下降至13 W/m2，從而使試驗工況更接近空間相機在軌期間的工作狀態。