空间光学遥感器环境适应性设计与试验研究

为适应空间光学遥感技术的迅速发展及对空间光学遥感器需求的不断增长,在追求高高空间分辨率、高光谱分辨率、高辐射分辨率性能及轻量化的同时,必须考虑空间光学遥感器对恶劣的发射运载力学环境及在轨真空热环境的适应性问题。本文概述了国内外空间光学遥感器环境适应性设计的现状与进展,阐述了空间环境因素对空间光学遥感器性能的影响,尤其是在力学及真空热环境作用下的环境效应,探讨了环境效应的作用机理;在对任务需求和环境效应分析的基础上,提出了空间光学遥感器环境适应性设计的要求、准则以及适应性设计要点。在空间光学遥感器设计的早期设计阶段,统筹考虑对未来可能遇到的各种环境的适应性问题,并开展以质量特性、动力学特性及热光学特性为主的适应性设计分析迭代。在工程实施阶段,进行相应的特征试验以及环境模拟试验,实地考核空间光学遥感器的力学及热光学特性以及在各种模拟环境条件下功能和性能的有效性和正确性,确保对未来各种恶劣环境条的适应性。本文对设计分析迭代过程中以及试验过程中对环境适应性的评价方法及其相关的地面试验内容和方法也进行了论述。     

空间热环境模拟技术的发展及研究现状

外层空间研究特别是深空探测催生并促进了空间热环境模拟技术的发展。热环境模拟设备用于模拟太空高真空、冷黑、高低温、大温差热变形、太阳辐照等环境。文中综述了国内外主流的空间环境模拟设备,分为热真空试验设备和高低温试验设备两大类,对各自的设计目标、规格型号、真空获得、热沉形式等研制特点以及所能达到的极限高低温、降温速率、温场均匀性等热设计参数进行了比较性的阐述,较全面地总结了空间环境模拟技术的技术发展和现状。     

空间光学遥感器热设计中的计算机数值模拟

介绍了某空间光学遥感器所处的空间热环境 ,分析了热环境的变化对光学遥感器尺寸稳定性以及对成像质量的影响。根据以遥感器为中心而建立的热平衡方程 ,利用有限元分析软件进行光学遥感器热设计的计算机数值模拟计算。分析结果表明 ,所提出的热设计方法大大改善了遥感器的温度场分布 ,能够满足光学设计所提出的要求     

空间光学遥感器控制器机电热一体化设计

根据空间电子设备机电热一体化设计思想,设计了高分辨率空间光学遥感器的控制器,以验证一体化设计的优势和效果。概括了空间电子设备的一体化设计流程。针对空间光学遥感器控制器的研制提出了相应的一体化设计原则。说明了控制器的各电路板和大功率元器件的设计方案。通过热、力学仿真分析和试验手段对设计方案进行了验证。结果表明:控制器元器件的最高壳温在51℃以内,整机的前三阶模态均高于100Hz。设计方案完全满足热控、刚度等设计指标要求。     

低轨道轻质星载一体化空间光学遥感器的热设计

根据空间光学遥感器的轨道特点和任务需求,通过仿真分析对其进行了热设计。考虑近地空间环境的特殊性,选择防原子氧布作为多层隔热材料的面膜。为减小遥感器框架上安装的星上设备对遥感器温度的影响,设计了大热阻安装结构并使用了聚酰亚胺隔热垫。根据离轴三反光学遥感器及星载一体化卫星的结构特点,划分了主动加热区域,分配了加热功耗。由于遥感器对地观测频率低、工作功耗小、工作时间短,CCD焦面组件不设置散热面。根据遥感器的轨道参数和姿态,确定了3个典型工况并对其进行了仿真分析和热平衡试验。结果显示,遥感器本体温度为（18±4）℃、光学元件温度为（18±2）℃、CCD温度≤30℃,得到的仿真分析结果和试验数据验证了遥感器热设计的有效性。     

VM-1500热真空试验箱的研制

热真空试验箱是用来模拟太空的真空、冷黑及太阳辐照环境,完成卫星的热平衡、热真空试验,满足卫星研制需要的关键地面大型试验设备。文章概要介绍了研制的一台VM-1500有效试验空间为1200mm×1600mm的空间模拟器的组成、采用的模拟技术、调试及使用情况。使用结果表明:该设备的各系统运行稳定、可靠,模拟室的真空度、热沉温度、温度测量系统等均能满足卫星整星热真空试验的要求。     

空间光学遥感器调焦机构组件力学特性分析

为了保证空间光学遥感器调焦机构的稳定性,基于经典接触理论利用非线性有限元分析软件ABAQUS对调焦机构进行力学特性分析。在进行等效静态分析时对调焦机构施加3000N作用力,得到结构第一阶模态为90Hz,满足空间光学遥感器结构整体模态大于50Hz的要求;动态分析时对调焦机构施加1N单位脉冲力,得出结构动能、加速度曲线和瞬态响应分析模态70.5Hz。力学特性分析结果表明结构具有良好的稳定性,为空间光学遥感器后续研制工作提供了一定的基础。     

液晶可调滤光器的空间热适应性研究与改进设计

针对液晶可调滤光器所处的空间热环境设计了热真空及高低温循环试验方案,旨在通过试验验证液晶可调滤光器在空间热环境下的器件光学性能。热环境试验的结果表明,液晶可调滤光器的光谱曲线较试验前仅漂移不超时0.1倍带宽,透过率降低不超过2%。为确保器件在空间温度环境下的性能更加可靠,又设计了液晶可调滤光器的热控改进方案,将工作温度控制在35±0.5℃。仿真结果表明LCTF器件经过合理的温控设计完全可以适应空间热环境。     

某空间光学遥感器的热分析和热设计

对某空间光学遥感器进行了热分析和热设计。分析其外热流,并根据其工作模式与热控要求,遵循"被动热控为主,主动热控为辅"的热控制策略,阐述了空间光学遥感器的热设计方法。通过热分析软件进行了计算机仿真,验证了热设计的正确性,其研究方法及结果对各类空间光学遥感器的热分析和热设计有一定的指导和借鉴作用。     

空间相机热光学分析与试验验证

为了对空间高分辨率相机热设计提出准确的技术要求,基于光学波像差的基本理论,对某高分辨率空间相机的温度场进行热光学分析.在此基础上确定了热控指标,并在真空罐中进行热真空成像试验,验证了热光学分析的正确性和热控指标的合理性.结果表明:最佳焦面位置与相机温度水平的关系近似成线性关系,最佳焦面位置变化量约0.08～0.1mm.℃-1;当温度水平在(20±1)℃之间变化时,像面处在系统焦深范围内,系统传递函数变化量在0.02左右;当径向温差和轴向温差会大于2℃引起最佳焦面位置发生移动,若不调焦,传函会明显下降.     

空间光学遥感器在轨照明环境模拟系统设计

针对复杂空间环境下光学遥感器的成像性能模拟测试需求,设计了一种大动态辐照、高对比度的空间环境模拟系统,包括太阳模拟器和暗目标模拟器.根据空间太阳光及地表反照光的辐照特性,采用氙灯电流调节及增加多孔衰减屏法实现太阳模拟器的大范围辐照度可调.通过对材料表面进行散射特性分析,设计了具有光陷阱结构的暗目标模拟器,以模拟相机视场内的暗弱观测目标.实验结果表明:该系统可以出射光斑尺寸为1 000mm×1 000mm,辐照度范围为0.4~1 260 W/m~2,辐照不均匀性可达±4.82%,暗目标模拟器的消光比可达1×10~(-7).该装置解决了空间强干扰光背景下暗目标成像性能的定量化测试难题,为光学遥感器的成像性能检测提供了一个可靠的平台.     

低轨道低能量空间光学遥感器热设计

为了保证空间光学遥感器所需温度条件,以被动热控为主、主动热控为辅的原则对其进行了热设计.分析了其轨道环境特点,计算了遥感器轨道寿命内原子氧通量,选择了一种玻纤增强聚四氟乙烯复合膜(β布)作为多层隔热组件面膜.根据其工作模式和外热流特点,确定了三个极端工况,以对日低温工况热设计为主要对象.热试验结果表明:热设计满足遥感器...     

空间光学遥感器大功率控制电箱的热设计

根据空间应用电子设备的热控要求,对空间光学遥感器的控制电箱进行了热控设计。首先,总结了空间电子设备的热设计原则。针对空间光学遥感器控制电箱介绍了相应的热设计流程,对典型的大功率器件进行了温差推算,并说明了电箱的各电路板和大功率元器件的热设计方案。最后,通过热分析和热试验手段对热控电箱的热控方案进行了验证。试验结果表明：控制电箱的整机稳态工况热平衡温度小于30℃,各元器件的最高壳温在54.2℃以内。结果验证了该设计方案完全满足设计指标要求。     

高分辨率微型星载相机光学系统的设计及应用

为了克服太空环境的复杂性,满足航天工程的空间使用要求,研制一款2 500万像素宽光谱共焦成像的微型星载相机光学系统。该系统适应卫星发射和在轨道运行的恶劣环境,具有抗冲击震动、耐太空高温差强辐射,体积小,质量轻等优点。设计的系统可在450 nm～800 nm的谱段内清晰成像,焦距181 mm,入瞳口径45 mm,视场角10.4°,边缘相对照度0.81,轴上点MTF:0.57@55 lp/mm,0.33@110 lp/mm,畸变1.2%,镜头质量622 g,外形尺寸Φ58.3 mm×117 mm,抗辐照性能≥5 krad。通过温度适应性的模拟和优化,用户进行?30 ℃～+70 ℃光学镜头热真空试验,可正常工作。该系统已成功应用于天宫二号伴飞卫星相机中,获得的图像清晰稳定,为空间遥感实验观测发挥了重要的作用。     

空间光学遥感器CCD焦面组件热设计

空间光学遥感器CCD焦面组件的热控工作旨在保证CCD器件所需温度水平和温度梯度,以满足遥感器高质量成像要求。分析了CCD焦面组件的工作模式与热控要求,遵循"被动热控为主,主动热控为辅"的热控制策略,提出了CCD焦面组件的热设计方法。在此基础上通过Sinda/G和TMG软件进行了计算机仿真,验证了热设计的正确性,对各类空间光学遥感器CCD焦面组件的热设计有一定的指导和借鉴作用。     

空间光学遥感器热设计

为了保证空间光学遥感器所需温度条件,本着被动热控为主、主动热控为辅的原则对其进行了热设计.首先,分析了遥感器在轨工作模式,建立了遥感器外热流计算模型,根据遥感器各面外热流变化,确定了3个极端工况.然后,以对日低温工况热设计为主对遥感器进行了热设计.最后,对热设计进行了热仿真分析和热试验验证.结果表明:镜组温度水平可控制...     

空间光学遥感器主镜加工过程中疲劳寿命研究

针对空间光学遥感器主镜镜面加工过程中,磨盘与主镜间磨削动作往复运行引起的主镜柔性支撑结构疲劳寿命问题,通过建立主镜组件的有限元模型,利用MSC.Fatigue软件按应力-寿命(S-N)法对主镜组件进行了疲劳寿命分析,确定了支撑结构的薄弱部位,并对仿真过程进行了误差分析,讨论了影响仿真结果的各个因素.对比热真空试验和动力学试验前后主镜镜面面型数据,验证了支撑结构加工、设计参量的合理性.通过疲劳寿命仿真分析,可以有效预示光学结构在加工过程中的疲劳情况,为空间光学遥感器结构的设计、加工提供理论依据和参考.     

空间光学遥感器主镜加工过程中疲劳寿命研究

针对空间光学遥感器主镜镜面加工过程中,磨盘与主镜间磨削动作往复运行引起的主镜柔性支撑结构疲劳寿命问题,通过建立主镜组件的有限元模型,利用MSC.Fatigue软件按应力-寿命(S-N)法对主镜组件进行了疲劳寿命分析,确定了支撑结构的薄弱部位,并对仿真过程进行了误差分析,讨论了影响仿真结果的各个因素.对比热真空试验和动力学试验前后主镜镜面面型数据,验证了支撑结构加工、设计参量的合理性.通过疲劳寿命仿真分析,可以有效预示光学结构在加工过程中的疲劳情况,为空间光学遥感器结构的设计、加工提供理论依据和参考.     

碳纤维复合材料应用于航天光学遥感器遮光镜筒

碳纤维复合材料作为一种新兴结构材料,它的优异性能提高了航天光学遥感器的结构效率及尺寸稳定性。介绍了某航天光学遥感器遮光镜筒的设计,探讨了碳纤维复合材料应用于航天光学遥感器遮光镜筒需考虑的一些问题,如线膨胀系数、连接接口以及预埋技术等,最后给出了遮光镜筒进行环境模拟试验的实验结果。结果表明,碳纤维复合材料应用于航天光学遥感器是完全可行的,并将得到进一步发展。     

空间相机热光学分析与试验验证

为了对空间高分辨率相机热设计提出准确的技术要求,基于光学波像差的基本理论,对某高分辨率空间相机的温度场进行热光学分析.在此基础上确定了热控指标,并在真空罐中进行热真空成像试验,验证了热光学分析的正确性和热控指标的合理性.结果表明:最佳焦面位置与相机温度水平的关系近似成线性关系,最佳焦面位置变化量约0.08～0.1 mm·℃-1|当温度水平在(20±1 )℃之间变化时,像面处在系统焦深范围内,系统传递函数变化量在0.02左右|当径向温差和轴向温差会大于2 ℃引起最佳焦面位置发生移动,若不调焦,传函会明显下降.