空间遥感相机热控设计中的热分析与热试验技术的探讨

　　1　引　　言

　　多年来一直困扰国内CAD/CAE工作者的一个首要问题就是如何证明其工作的正确性。由于在许多情况下拿出确凿证据来支持其设计思想是很困难的,所以他们正确的意见也会经常受到质疑和忽视。其实CAD/CAE本来就是面向实际需要的一种解决复杂工程问题的有力工具,只要努力与实践结合,在实践中不断加以充实、完善,就一定会被广大工程技术人员所接受。空间遥感相机要满足高分辨力的技术指标,相机结构及光学元件在空间环境条件下必须具有足够的尺寸稳定性,而对相机结构尺寸稳定性影响最大的因素就是空间环境温度的波动,因此相机的热控设计是相机的整个设计工作的重点之一。热分析在我所已开展几年,为许多项目的设计、评审作了大量有益的工作。如何把热分析与热环境模拟试验更紧密地结合起来,使其更能反映工程实际情况,更有说服力,是CAD/CAE工作者所面临的一项重要课题。本文以某空间遥感相机模样热控设计为例,阐述了加强空间光学仪器的热分析与热试验的合作的重要性及近年来在这两方面工作中积累的经验。

　　2　热控设计技术路线

　　遥感相机的热控设计是保证相机在恶劣工作环境下能够正常工作的重要设计环节,是一个贯穿模样、初样、正样,从设计-分析-制造-试验再回到设计的循环迭代过程。在相机模样总体设计之后,将设计模型在计算机工作站上转化为有限元模型。通过对相机及窗口结构的温度场及热弹性的分析计算,并与光学分析给出的对光学系统中各光学元件镜面畸变及拓扑关系的要求相比较,预估出相机能够达到预期分辨力时其关键部件的温度分布,即热控指标。然后根据已经掌握的工作环境数据确定相机的初始边界条件,模拟空间环境热载荷,求得相机的瞬态及稳态温度场,将其与热控指标比较,若不满足热控指标要求即采取热控措施,重新热分析,必要时修改工程设计和有限元模型,;若满足则表明热控设计能达到预期目标,开始模样工程制造。在模样相机制成后进行热环境模拟试验,测得相机关键部件热控前的温度分布及采取热控措施后的温度分布,将其与热分析所得温度指标相比较,分析热试验结果并评价模样热分析的有限元模型、温度指标数值及热控方案的合理性。最后总结模样热控设计经验,为初样的热控设计作准备。

　　3　热试验与热分析结果比较

　　在遥感相机模样总体设计的基础上,我们用UG2、PATRAN等软件进行了热分析,获得了相机能够正常工作时所处温度水平、主要光学元件轴向及径向温差的允许范围,即温控指标。在模样相机制成之后进行了热平衡试验,获取了试验条件下相机的温度场分布及相机的分辨力随温度场的变化情况。将所得的温度指标与热分析的计算结果比较(如下表),可以发现径向温差的温度指标结果相近[1];由于试验环境室温较高,试验场内缺乏低温制冷系统,所以试验的温度水平指标要高于分析计算指标;而二者的轴向温差指标则相差较大。