左富昌, 梅志武, 呂政欣

(北京控制工程研究所, 北京 100190)

引 言

X射線掠入射聚焦型脈沖星探測(cè)器是脈沖星導(dǎo)航專(zhuān)用試驗(yàn)衛(wèi)星(XPNAV-1)的主有效載荷,主要用于觀測(cè)X射線脈沖星,獲取精確的脈沖星輪廓和到達(dá)時(shí)間,是脈沖星導(dǎo)航的核心儀器,具有比準(zhǔn)直型儀器更優(yōu)的信噪比和靈敏度。X射線掠入射聚焦型脈沖星探測(cè)器是光、機(jī)、電一體化的精密儀器,在軌運(yùn)行時(shí)要面臨4 K深冷空間和復(fù)雜多變的空間外熱流,不僅受太陽(yáng)輻射、地球反射和地球紅外輻射的影響,還受到進(jìn)出陰影區(qū)冷熱交變的影響[1-2]。復(fù)雜的空間熱環(huán)境容易使儀器的光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生較大變形,從而引起聚焦性能下降,降低脈沖星輪廓的測(cè)量精度[3-4]。同時(shí),儀器焦平面硅漂移(silicon drift detector,SDD)探測(cè)器件對(duì)工作溫度的要求非常嚴(yán)格,過(guò)高的溫度會(huì)降低其光電轉(zhuǎn)換能力,增大暗電流和熱噪聲,導(dǎo)致信噪比下降,進(jìn)而降低脈沖星輪廓的測(cè)量精度[5]。因此,有效的熱控設(shè)計(jì)是保證X射線掠入射聚焦型脈沖星探測(cè)器性能的關(guān)鍵。

空間X射線探測(cè)和脈沖星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展,對(duì)X射線探測(cè)器(望遠(yuǎn)鏡)的有效面積和角分辨率要求越來(lái)越高。提高探測(cè)器有效面積的有效途徑是增大其焦距和口徑以及采用多層鏡片嵌套等措施,但隨之探測(cè)器的尺寸和重量大幅度增加,結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜,對(duì)溫度的敏感性也越來(lái)越強(qiáng)[6]。

航天設(shè)備的熱控措施主要包括主動(dòng)熱控與被動(dòng)熱控兩個(gè)方面:主動(dòng)熱控主要是通過(guò)加熱器主動(dòng)加熱或制冷器主動(dòng)制冷,給設(shè)備進(jìn)行功率補(bǔ)償,控制各部位的溫度;被動(dòng)熱控是指通過(guò)多層隔熱組件、隔熱墊片隔熱、熱管導(dǎo)熱、散熱面散熱等被動(dòng)熱控措施,控制設(shè)備各部位的溫度[7]。

本文分析X射線掠入射聚焦型脈沖星探測(cè)器的特點(diǎn)及其對(duì)熱設(shè)計(jì)的影響,并提出相應(yīng)的熱控措施。在此基礎(chǔ)上,總結(jié)分析在軌溫度數(shù)據(jù),驗(yàn)證熱控設(shè)計(jì)的有效性和正確性。

1 儀器簡(jiǎn)介

X射線掠入射聚焦型脈沖星探測(cè)器采用嵌套式光學(xué)系統(tǒng)收集脈沖星輻射的X射線,利用星敏感器實(shí)現(xiàn)在軌對(duì)目標(biāo)脈沖星的粗搜索和精確定位,基于衛(wèi)星自旋和控制分系統(tǒng)主動(dòng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖星的實(shí)時(shí)跟蹤,從而全方位觀測(cè)脈沖星的輻射流量、輻射能譜、輻射周期以及輪廓等信息。儀器具備能量觸發(fā)和時(shí)間觸發(fā)兩種工作模式,工作模式可通過(guò)地面發(fā)送指令進(jìn)行切換。

X射線掠入射聚焦型脈沖星探測(cè)器采用長(zhǎng)筒狀一體化結(jié)構(gòu),如圖1所示,主要由嵌套式掠入射光學(xué)系統(tǒng)、電子學(xué)組件、荷電粒子磁偏轉(zhuǎn)器、高能粒子防護(hù)罩、星敏感器、減振組件、機(jī)械結(jié)構(gòu)和安裝支架組成。

圖1 X射線掠入射聚焦型脈沖星探測(cè)器組成Fig.1 X-ray grazing incidence focusing pulsar detector

嵌套式掠入射光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部包含4層鏡片和光闌組件,通過(guò)法蘭安裝于機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi),位于產(chǎn)品最前端;電子學(xué)組件位于光學(xué)系統(tǒng)的焦平面處,包括SDD探測(cè)器件和前置放大電路,內(nèi)部熱源復(fù)雜;荷電粒子磁偏轉(zhuǎn)器和高能粒子防護(hù)罩位于光學(xué)系統(tǒng)和電子學(xué)組件之間,用于防護(hù)空間電子和高能粒子;星敏感器通過(guò)支架與光學(xué)系統(tǒng)固連,精確保證二者光軸之間成30°夾角,精度優(yōu)于1′。

儀器外形尺寸為1 251 mm×335 mm×198 mm,通過(guò)2個(gè)安裝支架安裝于衛(wèi)星上,安裝支架與儀器之間施加減振組件,降低產(chǎn)品對(duì)力學(xué)環(huán)境的響應(yīng)。光學(xué)系統(tǒng)和星敏感器暴露于衛(wèi)星艙外,其他部分位于衛(wèi)星艙內(nèi),靠近電子學(xué)組件的位置有大功耗設(shè)備,整個(gè)衛(wèi)星艙內(nèi)的熱環(huán)境復(fù)雜,溫度波動(dòng)范圍大。

嵌套式掠入射光學(xué)系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)指標(biāo)為20 ℃±2 ℃,其軸向溫度梯度為≤0.05 ℃/mm,徑向溫度梯度為≤0.06 ℃/mm;電子學(xué)組件的熱設(shè)計(jì)指標(biāo)為-52 ℃±2 ℃。

2 儀器特點(diǎn)及熱控措施

2.1 熱控設(shè)計(jì)基本原理

(1) 熱平衡方程

同其他航天器一樣,掠入射聚焦型脈沖星探測(cè)器的在軌溫度由能量守恒方程即熱平衡方程決定,再輔以相應(yīng)的傳熱關(guān)系式,構(gòu)成了方程求解的封閉性。由于儀器所處的空間環(huán)境為真空環(huán)境,所以影響熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素是熱傳導(dǎo)和熱輻射,而對(duì)流換熱對(duì)其無(wú)影響[8-9]。

對(duì)任意節(jié)點(diǎn),存在熱平衡關(guān)系:

Q1+Q2+Q3+Q4+Q5=Q6+Q7

(1)

式中:Q1為某一節(jié)點(diǎn)吸收的空間外熱流(電子學(xué)組件位于艙內(nèi),本部分熱量可忽略);Q2為某一節(jié)點(diǎn)的內(nèi)熱源;Q3為某一節(jié)點(diǎn)主動(dòng)控溫加熱時(shí)產(chǎn)生的熱量;Q4為某一節(jié)點(diǎn)吸收其他節(jié)點(diǎn)發(fā)射的熱量;Q5為某一節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)熱換熱量;Q6為某一節(jié)點(diǎn)向其他節(jié)點(diǎn)及整星艙內(nèi)輻射的熱量;Q7為某一節(jié)點(diǎn)內(nèi)能的變化。

(2) 基本傳熱方式

根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律,可得

Q=ΔT/R=λAΔT/δ

(2)

式中:Q為導(dǎo)熱量;ΔT為溫差;R為熱阻;λ為目標(biāo)的導(dǎo)熱系數(shù);A為導(dǎo)熱橫截面積;δ為導(dǎo)熱距離。在進(jìn)行隔熱設(shè)計(jì)時(shí),需盡可能增加物體在傳熱方向上的熱阻來(lái)降低導(dǎo)熱量,而在加強(qiáng)導(dǎo)熱時(shí)需要盡量減小物體在傳熱方向上的熱阻。

對(duì)于兩表面構(gòu)成的封閉體,根據(jù)Gebhart輻射傳熱公式,可得

(3)

式中:Q12為表面1與表面2的輻射換熱量;A1為表面1的面積;σ為斯忒藩-玻耳茲曼常量;εl為表面1的發(fā)射率;T1為表面1的溫度;下標(biāo)“2”表示的物理量為表面2對(duì)應(yīng)的相關(guān)參數(shù)。

當(dāng)發(fā)生非穩(wěn)態(tài)換熱時(shí),物體吸收的熱量(即內(nèi)能變化)為

E=cmΔT

(4)

式中:c為物體的比熱容;m為物體的質(zhì)量。在無(wú)法減小某部位吸收熱量的情況下,盡可能通過(guò)增加目標(biāo)區(qū)域或相鄰目標(biāo)區(qū)域的熱容來(lái)降低目標(biāo)溫度波動(dòng)。

2.2 光學(xué)系統(tǒng)

嵌套式掠入射光學(xué)系統(tǒng)的焦距為1 200 mm,鏡片面形為內(nèi)拋物面,對(duì)X射線進(jìn)行掠入射反射后聚焦,鏡片最大掠入射角僅為1.5°,聚焦性能對(duì)鏡片熱變形敏感。光學(xué)系統(tǒng)前端無(wú)遮光罩且直接暴露于深冷空間,因不得存在任何遮擋,從而導(dǎo)致鏡片向深冷空間漏熱的問(wèn)題。光學(xué)系統(tǒng)后端直接與衛(wèi)星艙內(nèi)機(jī)械結(jié)構(gòu)連接,受艙內(nèi)復(fù)雜熱環(huán)境的影響大,也存在漏熱問(wèn)題。在軌運(yùn)行時(shí),光學(xué)系統(tǒng)側(cè)面的不同方向經(jīng)受不均勻的外熱流,也易引起較大的溫度梯度。

針對(duì)以上特點(diǎn),采取如下熱控措施:

(1) 前、后輻板采用低熱膨脹系數(shù)的銦鋼材料,以減小熱變形,從而降低溫度造成的鏡片傾斜誤差;

(2) 光學(xué)系統(tǒng)與后端鏡筒之間采取隔熱措施,以減小漏熱,降低安裝界面的溫度波動(dòng)對(duì)鏡片面形的影響;

(3) 前輻板施加熱控涂層,以減小光學(xué)鏡頭暴露部分向深冷空間的熱散失;

(4) 光學(xué)系統(tǒng)鏡筒側(cè)面采取主動(dòng)加熱措施,以補(bǔ)償內(nèi)部鏡片向深冷空間的熱散失;

(5) 光學(xué)系統(tǒng)鏡筒側(cè)面與星敏感器的外表面多層包覆,以減小熱散失和不均勻外熱流的影響。

圖2為光學(xué)系統(tǒng)的熱控示意圖,多層包覆未示出。

圖2 光學(xué)系統(tǒng)熱控示意圖Fig.2 Thermal control of the optics

2.3 電子學(xué)組件

電子學(xué)組件結(jié)構(gòu)緊湊,由SDD探測(cè)器件、熱控電路、信號(hào)處理電路、模擬放大電路和線路殼體組成。電子學(xué)組件位于衛(wèi)星艙內(nèi),且其附近有衛(wèi)星的大功耗設(shè)備,衛(wèi)星艙內(nèi)的熱環(huán)境復(fù)雜,溫度范圍大。電子學(xué)組件包含多個(gè)內(nèi)熱源,分別為SDD探測(cè)器件1.14 W、溫控電路板1.8 W、信號(hào)處理電路板0.83 W和模擬放大電路板0.3 W,緊湊的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致散熱存在困難,通過(guò)儀器安裝支架向衛(wèi)星散熱的散熱路徑長(zhǎng)、熱阻大,無(wú)法滿(mǎn)足要求。SDD探測(cè)器件內(nèi)部制冷器實(shí)現(xiàn)的最大溫差僅為70 ℃,隨著外界溫度的升高,不足以保證SDD探測(cè)器件長(zhǎng)時(shí)間低噪聲工作。

根據(jù)電子學(xué)組件的工作要求和特點(diǎn),采取如下主要熱控措施:

(1) 為SDD探測(cè)器件設(shè)計(jì)專(zhuān)用散熱路徑,散熱路徑主要包括低熱容、高導(dǎo)熱系數(shù)的SDD探測(cè)器件安裝座和多層柔性散熱銅帶,散熱銅帶直接與衛(wèi)星散熱面連接,以提高散熱效率;

(2) 采用低導(dǎo)熱系數(shù)的聚酰亞胺隔熱墊和隔熱螺套,實(shí)現(xiàn)SDD探測(cè)器件與電子學(xué)組件其他非散熱路徑部分之間的熱隔離;

(3) 散熱路徑中采取高效的半導(dǎo)體制冷器,在內(nèi)部制冷器無(wú)法滿(mǎn)足要求時(shí),對(duì)SDD探測(cè)器件制冷,進(jìn)一步降低溫度;

(4) 電子學(xué)組件線路殼體外表面黑色陽(yáng)極化處理,在電子學(xué)組件與安裝支架之間施加導(dǎo)熱墊,為其他內(nèi)熱源提供散熱路徑。

圖3為電子學(xué)組件的散熱路徑示意圖,圖中示出兩個(gè)散熱路徑:SDD探測(cè)器件到衛(wèi)星和線路殼體到環(huán)境,其中Tsdd為SDD探測(cè)器件溫度,Tf為線路殼體溫度,Tout為線路殼體的環(huán)境溫度。

圖3 電子學(xué)組件散熱路徑示意圖Fig.3 Schematic of heat dissipation from instrument module to environment

從圖3可以看出,電子學(xué)組件的總漏熱率為

qtot=qs+qf

(5)

式中:qtot為電子學(xué)組件的總漏熱率,即所需的散熱功率;qs為SDD探測(cè)器件向衛(wèi)星艙板的散熱功率;qf為線路殼體向環(huán)境的散熱功率。

2.4 高長(zhǎng)徑比結(jié)構(gòu)

X射線掠入射聚焦型脈沖星探測(cè)器整體為細(xì)長(zhǎng)筒狀結(jié)構(gòu),長(zhǎng)徑比達(dá)10∶1,前端光學(xué)系統(tǒng)和后端SDD探測(cè)器件的工作溫度相差近70 ℃。由于復(fù)雜熱環(huán)境的影響,儀器整體容易發(fā)生非均勻熱變形,導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)與SDD探測(cè)器件之間產(chǎn)生偏差,光學(xué)系統(tǒng)的聚焦光斑有可能偏出SDD探測(cè)器件的敏感范圍,因此對(duì)儀器的軸向溫度均勻性提出了相當(dāng)高的要求。

對(duì)于衛(wèi)星艙內(nèi)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、磁偏轉(zhuǎn)器和高能粒子防護(hù)罩,采取的措施是包覆多層隔熱材料,并在安裝支架與已采取熱控措施的衛(wèi)星艙板之間施加導(dǎo)熱脂,一方面減小與衛(wèi)星艙內(nèi)復(fù)雜熱環(huán)境的熱交換,另一方面提高向衛(wèi)星艙板的散熱效率,從而保證儀器軸向溫度的均勻性。

3 在軌溫度數(shù)據(jù)分析

3.1 在軌溫度數(shù)據(jù)

自入軌以來(lái),X射線掠入射聚焦型脈沖星探測(cè)器已在軌運(yùn)行超過(guò)13個(gè)月,表1顯示了儀器光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、SDD探測(cè)器件、SDD探測(cè)器安裝座和電子學(xué)組件的在軌溫度遙測(cè)數(shù)據(jù)。

表1 在軌溫度數(shù)據(jù)Tab.1 In-orbit temperature data

溫度遙測(cè)數(shù)據(jù)主要采用高精度的MF51型熱敏電阻和onewire溫度傳感器測(cè)量。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)置3個(gè)熱敏電阻,遙測(cè)點(diǎn)1位于光學(xué)系統(tǒng)側(cè)面前端、遙測(cè)點(diǎn)2位于光學(xué)系統(tǒng)側(cè)面后端、遙測(cè)點(diǎn)3位于光學(xué)系統(tǒng)側(cè)面中間(遙測(cè)點(diǎn)1和2為相對(duì)側(cè))。SDD探測(cè)器件安裝座設(shè)置1個(gè)熱敏電阻(遙測(cè)點(diǎn)4),SDD探測(cè)器件的溫度通過(guò)其內(nèi)部溫度傳感器(遙測(cè)點(diǎn)5)測(cè)量。電子學(xué)組件設(shè)置2個(gè)onewire溫度傳感器,遙測(cè)點(diǎn)6位于電子學(xué)組件外側(cè)面,遙測(cè)點(diǎn)7位于電子學(xué)組件后端面。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)置2個(gè)onewire溫度傳感器,遙測(cè)點(diǎn)8位于機(jī)械結(jié)構(gòu)側(cè)面前端,遙測(cè)點(diǎn)9位于機(jī)械結(jié)構(gòu)側(cè)面后端。星上計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)的采集與控制,并傳回地面數(shù)據(jù)處理中心。

3.2 數(shù)據(jù)分析

光學(xué)系統(tǒng)的溫度范圍達(dá)到14.32～22.92 ℃,不滿(mǎn)足指標(biāo)要求,究其原因是衛(wèi)星艙內(nèi)環(huán)境波動(dòng)范圍大于整星的熱控設(shè)計(jì)值(10～30 ℃);軸向溫度梯度達(dá)到0.014 ℃/mm,徑向溫度梯度達(dá)到0.008 ℃/mm,滿(mǎn)足指標(biāo)要求;其他熱控措施有效,鏡片位于光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部,其具體溫度需利用經(jīng)在軌數(shù)據(jù)修正的熱模型仿真分析得到。

SDD探測(cè)器件溫度范圍為-53.99～-50.68 ℃,滿(mǎn)足指標(biāo)要求;在衛(wèi)星艙板溫度受控的情況下,散熱路徑保證了SDD探測(cè)器件的溫度穩(wěn)定性,有效保證了儀器工作時(shí)SDD探測(cè)器件的散熱需求,明顯抑制了SDD探測(cè)器件溫度上升,為其提供了良好的熱環(huán)境。

電子學(xué)組件和機(jī)械結(jié)構(gòu)的溫度均勻性較好,但溫度范圍較大,說(shuō)明多層包覆的有效性,也表明衛(wèi)星艙內(nèi)環(huán)境溫度波動(dòng)范圍較大,約為-5～45 ℃。

綜合以上分析,除光學(xué)系統(tǒng)的溫度范圍不滿(mǎn)足指標(biāo)要求外,X射線掠入射聚焦型脈沖星探測(cè)器的溫度范圍和溫度均勻性滿(mǎn)足指標(biāo)要求。從熱控角度看,光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立于儀器的其他部分,較大的溫度范圍會(huì)導(dǎo)致較大的光學(xué)系統(tǒng)熱變形,從而造成儀器有效面積和角分辨率下降,影響儀器性能,具體在3.4節(jié)分析。

3.3 鏡片溫度仿真

使用光學(xué)系統(tǒng)遙測(cè)點(diǎn)位置的溫度修正光學(xué)系統(tǒng)的熱模型,仿真得到的4層鏡片溫度如表2所示。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)分析可得,4層鏡片的溫度基本處于光學(xué)系統(tǒng)3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度范圍內(nèi),且溫度均勻性好,但低溫工況時(shí),鏡片溫度超出溫度指標(biāo)要求。

3.4 鏡片熱變形計(jì)算

為了評(píng)估低溫工況時(shí)光學(xué)鏡頭的性能,通過(guò)熱-結(jié)構(gòu)耦合仿真計(jì)算鏡片的熱變形,計(jì)算結(jié)果如表3和圖4所示。

表2 仿真的鏡片溫度Tab.2 Simulated temperature of mirrors

表3 仿真計(jì)算的鏡片熱變形Tab.3 Calculated thermal deformation of mirrors

計(jì)算結(jié)果表明,低溫工況下鏡片發(fā)生了熱變形,最大變形量達(dá)到50 μm以上,導(dǎo)致X射線掠入射聚焦型脈沖星探測(cè)器的聚焦性能下降,聚焦光斑直徑達(dá)到3.5 mm,當(dāng)脈沖星處于邊緣視場(chǎng)時(shí),部分X射線入射到探測(cè)器的非敏感區(qū)域,與觀測(cè)到的結(jié)果一致。

圖4 低溫工況下鏡片的熱變形Fig.4 Thermal deformation of mirrors under low temperature condition

4 結(jié) 論

X射線掠入射聚焦型脈沖星探測(cè)器是空間X射線探測(cè)和脈沖星導(dǎo)航的核心儀器,熱控設(shè)計(jì)是保證儀器性能的關(guān)鍵。本文從儀器的特點(diǎn)和需求出發(fā),深入分析了X射線掠入射聚焦型脈沖星探測(cè)器的熱特性,提出了相應(yīng)的熱控措施,在此基礎(chǔ)上,分析了儀器的在軌溫度情況。分析表明,低溫工況下光學(xué)系統(tǒng)的溫度不滿(mǎn)足指標(biāo)要求,原因是衛(wèi)星艙內(nèi)熱環(huán)境波動(dòng)范圍超出整星的熱控設(shè)計(jì)值,其他指標(biāo)要求均得到滿(mǎn)足,驗(yàn)證了熱控設(shè)計(jì)的正確性。對(duì)低溫工況下光學(xué)系統(tǒng)的熱變形進(jìn)行了仿真計(jì)算并分析了熱變形對(duì)儀器性能的影響,所得結(jié)果為進(jìn)一步的研究提供了參考。