第２８卷㊀第１１期
２０２０年１１月㊀㊀
㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀
㊀光学精密工程
㊀O p t i c s a n dP r e c i s i o nE n g i n e e r i n g
㊀㊀㊀㊀㊀㊀
V o l ．２８㊀N o ．１１㊀㊀N o v ．２０２０
㊀㊀收稿日期:２０２０Ｇ０５Ｇ２８；修订日期:２０２０Ｇ０６Ｇ２３．
㊀㊀基金项目：科技部重大专项资助项目(N o ．２０１６Y F B ０５００９０４
)文章编号㊀１００４Ｇ９２４X (２０２０)１１Ｇ２４９７Ｇ１０
低倾角轨道微小遥感卫星的热设计及验证
柏㊀添１，孔㊀林１∗，黄㊀健１，姜㊀峰１，张㊀雷１,
２
(１．长光卫星技术有限公司，吉林长春１３００３３;
２．中国科学院大学，北京１０００４９)
摘要：为了满足卫星平台热控指标及空间相机桁架的精密控温需求，同时尽量降低卫星主动热控功耗，合理规划了卫星热传递网络，并进行了相机高精度控温设计.根据卫星结构布局㊁单机功耗分布和低倾角空间外热流特点进行了任务分析，确定了热设计的重点和难点.然后进行了卫星热控系统的详细设计，通过标定测温电路，采用多层表面均温措施和开设各组件间的热交换通道，合理利用整星资源进行了一体化热控设计，并进行了热仿真分析.最后开展了卫星热平衡试验，对热设计方案进行验证.卫星在轨飞行数据表明，卫星各单机温度处于－０．５~２８．８ħ,
相机桁架的温度波动和均一性小于ʃ０．１５ħ，在轨平均功耗为９．３W ，满足平台的控温指标与相机的成像需求.热控分系统质量为１．５k g ，仅占比整星质量的３％，为低成本商业遥感卫星的热设计奠定了良好的基础.关㊀键㊀词：商业遥感卫星；低倾角轨道；热设计；热试验；在轨飞行
中图分类号:V ４７４．２㊀㊀文献标识码:A㊀㊀d o i :１０．３７１８８/O P E ．２０２０２８１１．２４９７
T h e r m a l d e s i g na n d v e r i f i c a t i o no fm i c r o r e m o t e Ｇs e n s i n g s a t e l l i t e i n l o w i n c l i n a t i o no r b i t
B A IT i a n １,K O N GL i n １∗,HU A N GJ i a n １,J I A N GF e n g １,
Z H A N GL e i １,
２
(１．C h a n g G u a n g S a t e l l i t eT e c h n o l o g y L T D ．C O ,C h a n g
c h u n １３００３３,C h i n a ;２．U n i v e r s i t y o f C h i n e s eA c a
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０００４９,C h i n a )∗C o r r e s p o n d i n g a u t h o r ,E Ｇm a i l :k o n g l i n ＠c h a r m i n g g
l o b e ．c o m A b s t r a c t :T h e r e i san e e dt os a t i s f y t h e t h e r m a l c o n t r o l r e q
u i r e m e n t so f s a t e l l i t e p l a t f o r m s ,a c h i e v e p r e c i s e t e m p e r a t u r e c o n t r o l o f s p a c e c a m e r a t r u s s e s ,a n dm i n i m i z e t h e p o w e r c o n s u m p
t i o no f t h e r m a l c o n t r o l s y s t e m s ．I n t h i s s t u d y ,t h eh e a td i s s i p a t i o nc h a n n e l o f t h ee l e c t r o n i c e q u i p
m e n tw a s p l a n n e d r e a s o n a b l y ,a n d t h e h i g h Ｇp r e c i s i o n t e m p e r a t u r e c o n t r o l o f a s p a c e c a m e r aw a s d e s i g
n e d ．F i r s t ,m i s s i o n a n a l y s i s w a s p e r f o r m e d b a s e d o n t h e s a t e l l i t e s t r u c t u r el a y o u t ,t h e p o w e rc o n s u m p
爆炒生蚝t i o n o ft h e e l e c t r o n i c e q u i p m e n t ,a n d t h e h e a t f l o w i n l o w i n c l i n a t i o n o r b i t ,a n d t h u s ,t h e k e y a n d d i f f i c u l t p o i n t s o f t h e t h e r m a l d e s i g nw e r e i d e n t i f i e d ．N e x t ,ad e t a i l e dd e s i g no f t h e s a t e l l i t e t h e r m a l c o n t r o l s y
s t e m w a sc a r r i e do u t ．A c a l i b r a t i o n m e t h o df o rt h et e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n tc i r c u i t w a s p r o p o s e d ,a m u l t i l a y e r Ｇs u r f a c et e m p e r a t u r e e q u a l i z
初中毕业证明模板a t i o n a p p r o a c h w a s a d o p t e d ,a n d h e a t e x c h a n g
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f f e r e n t c o m p o n e n t sw e r e o p e n e d ．H e n c e ,t h e e n t i r e s a t e l l i t e r e s o u r c e sw e r e r e a s o n a b l y u
s e d f o r i n t e g r a t e d t h e r m a l c o n t r o l d e s i g n ．F i n a l l y ,s a t e l l i t e t h e r m a l b a l a n c e t e s t sw e r e p e r f o r m e d t o v e r i f y
t h e t h e r m a l d e s i g n．T h e t e m p e r a t u r eo f t h es a t e l l i t e i no r b i t i n d i c a t e s t h a t t h ee l e c t r o n i ce q u i p m e n t t e m p e r a t u r e r a n g e s f r o m－０．５t o２８．８ħ,a n dt h et e m p e r a t u r ef l u c t u a t i o na n du n i f o r m i t y o f t h e c a m e r a t r u s s a r e l o w e r t h a nʃ０．１５ħ．I na d d i t i o n,t h ea v e r a g e p o w e r c o n s u m p t i o no f t h e t h e r m a l c o n t r o l s y s t e mi no r b i t i s９．３W,w h i c hs a t i s f i e st h et e m p e r a t u r ec o n t r o l i n d e xc o n d i t i o n so ft h e p l a t f o r ma n d t h e f o c u s i n g r e q u i r e m e n t s o f t h e c a m e r a．T h ew e i g h t o f t h e t h e r m a l c o n t r o l s u b s y s t e m i s １．５k g,w h i c ha c c o u n t e d f o r o n l y３％o f t h e t o t a l s a t e l l i t ew e i g h t．T h i s s t u d y l a y s a g o o d f o u n d a t i o n f o r t h e t h e r m a l d e s i g no f l o wＧc o s t c o m m e r c i a l r e m o t eＧs e n
s i n g s a t e l l i t e s f o r f u t u r e i n v e s t i g a t i o n s．K e y w o r d s:c o m m e r c i a l r e m o t eＧs e n s i n g s a t e l l i t e;l o wi n c l i n a t i o no r b i t;t h e r m a l d e s i g n;t h e r m a l t e s t;
f l y i n
°c怎么打g i no r b i t
１㊀引㊀言
光学遥感卫星在包括资源调查㊁自然灾害监
测以及环境保护等空间对地观测领域，扮演着重
要角色.世界各国对遥感卫星观测数据高时间㊁
高空间分辨率和高稳定性的要求不断提高[１Ｇ２].微小卫星星座组网或编队容易获得高的时间分辨
率和观测覆盖性，缩短重访时间，达到甚至超越大
型卫星的功能，因此是世界航天发展的趋势[３].
美国的S k y s a t卫星质量约为９０k g，对地观测和视频成像的分辨率接近亚米级. 鸽群(F l o c k) 系列卫星质量则很轻，约为３k g，传感器视场角小，分辨率在米级水平，但凭借在卫星数量上的优势，能够实现更短的重访周期[４].阿根廷S a t e l l o g i c公司也计划创建一个大型对地观测星座[５]，预计２０２３年实现３００卫星同时在轨的目标.国内的长光卫星技术有限公司也在积极组建光学遥感星座,２０１９年６月 吉林一号 星座入轨第十三颗卫星，与之前发射的卫星进行组网.该卫星是长光卫星技术有限公司探索短周期㊁低成本㊁高分辨率㊁高集成度卫星技术的又一突破.星上主载荷是一台低倾角轨道高分辨率推扫成像相机.该卫星整星质量约为４０k g，在５７３k m低倾角轨道下相机分辨率为１．０６m.为保证相机的在轨成像质量和指向精度，相机的主要部组件需在全寿命周期内保持较高的温度稳定性[６].
目前，光学遥感卫星主要采用太阳同步轨道,
鲜有采用低倾角轨道的案例，对低倾角遥感卫星
热设计的报道几乎没有.相比太阳同步轨道，低
倾角轨道上的卫星对低纬度地区有着更高的重访
周期，但低倾角轨道的热流环境变化更为复杂，卫星(特别是遥感相机)的热设计难度更大.
卫星运行的低倾角轨道β角在－６７ʎ~＋６７ʎ间交替变化，导致空间热流波动大，卫星最长会经受约为７天的全阳照时间；整星承力筒既为卫星单机安装提供附着点和支撑，也充当相机的 遮光罩 ，承力筒一面长期对日，导致承力筒的温度不均匀增大，影响光学系统的温度稳定性；卫星质量轻，受热扰动温度变化明显，单机一体化程度高，热流密度大，单机自身散热困难，且由于单机安装于承力筒上，单机的温度波动会间接导致光学组件的温度波动，故亟待开辟新的散热途径.该星研制成本低㊁周期短，分配给热控的资源少，除相机㊁蓄电池以外，其余单机均采用被动热控.总的来说，低倾角轨道所带来的全阳照时间，单机一体化程度高㊁热流密度大㊁安装位置特殊，相机热控精度要求高，承力筒材料导热系数低㊁温度不均匀等给整星热控设计带来很大挑战.
本文给出了详细的卫星热控设计方案，并经过地面试验和在轨飞行验证了该热控系统设计的正确性和合理性.
２㊀卫星概述
卫星主要由相机组件㊁承力筒㊁大综电系统㊁飞轮以及推进系统等部分组成.承力筒是整星的主承力结构㊁材料为碳纤维.整星没有严格意义的单机舱.根据坐标系，卫星外表面可划分为＋X,－X,＋Y,－Y,＋Z,－Z共６个方向，结构布局如图１所示.相机通过隔振垫与承力筒相连，单机主要集中布置在承力筒－Y侧.整个承
８９４２㊀㊀㊀㊀㊀光学㊀精密工程㊀㊀㊀㊀㊀第２８卷㊀
力筒为整星所有单机组件提供固定安装界面并承受作用在卫星上的静力和动力载荷，同时起到相机 遮光罩 的作用，卫星一体化程度高.
为了满足光学相机的在轨成像要求，相机桁架的在轨全寿命温度均匀性ɤʃ０．４ħ，全寿命温度稳定性ɤʃ０．２ħ，且温度水平在１５~２５ħ可调
.
图１㊀ 吉林一号 卫星总体布局
F i g ．１㊀O v e r a l l l a y
o u t o f J L Ｇ１s a t e l l i t e 星上核心部件大综电分系统由多个单机构成，包括数传端机㊁测导单元㊁中心机㊁配电热控单元㊁电源控制器和成像处理单元等，峰值热耗约为８５W .卫星主要部件的控温指标如表１所示.
表１㊀热控分系统技术指标
T a b ．１㊀T e c h n i c a l i n d i c a t o r s o f t h e r m a l c o n t r o l s y
s t e m (ħ)
组件名称热控指标电子学单机－１０~４５蓄电池１０~３０
星敏感器－３０~４５
星敏安装面１８ʃ１相机主体温度
１０~３０(目标温度２０，轴向温差ɤ４
)相机桁架热控调焦
调焦温度范围１５~２５,
在轨全寿命温度均匀性ɤʃ０．４，全寿命温度稳定性ɤʃ０．２
太阳电池阵
－７０~１２０天线
－９０~９０
３㊀外热流分析
外热流的准确分析是热设计和热试验的基础.卫星轨道的β角越大，单轨阳照时间越长，卫星散热能力越差.当地球位于冬至点时，太阳辐射热流最强，卫星的β角变化是－６７ʎ~６７ʎ
.故本文利用软件计算了两个极端工况(β＝０ħ，夏至日和β＝６７ħ,
冬至日)的外热流，结果如图２和图３所示
.
图２㊀低温工况(夏至日&β＝０)热流
F i g ．２㊀H e a t f l o wo f l o wt e m p
e r a t u r e c o n d i t i o
n 图３㊀高温工况(冬至日&β＝６７ʎ
)热流F i g ．３㊀H e a t f l o wo f h i g h t e m p
e r a t u r e c o n d i t i o n 由热流分析结果可知：卫星三轴对日状态下，除对日面(＋X 面)以外，其余各向热流较小，均可做卫星散热面，但由于卫星结构限制，仅－Y 面为主要散热面，且散热面的散热能力受到展开帆板温度水平的影响.高温工况中，从＋X 面热流可以看出，卫星处于全阳照轨道段，热环境极为恶劣，对日面热量累积比较大.与低温工况热流相比,－X 面热流有所减小，导致高温工况下承力筒的温度不均匀性加剧.且帆板长期处于高温度
９
９４２第１１期
㊀㊀㊀㊀柏㊀添,
滚铁环怎么玩怎么压腿等：低倾角轨道微小遥感卫星的热设计及验证
水平，散热面散热能力下降，整星热控面临严峻挑战.
４㊀热设计任务分析
热控分系统在轨长期功耗不能超过１２W，质量小于１．５k g.所处空间热环境复杂，热设计难度大，主要体现在：相比太阳同步轨道，低倾角轨道卫星所处空间热环境更加复杂㊁恶劣.单轨阳照时间变化大，存在７d左右的全阳照时间.全阳照会使整星热量累积，散热通道受阻，整星温度升高，碳纤维承力筒温度不均匀性加剧，相机所处环境条件更加恶劣.
相机桁架杆热控指标高，给测温精度和控温精度都提出了较高的要求.在整星质量较小㊁热惯性较低的情况下，抑制外热流扰动，保持相机内部温度稳定难度很大[７].为满足高分辨率成像需求，桁架杆在轨全寿命周期的温度稳定性要小于ʃ０．２ħ，均匀性小于ʃ０．４ħ.
大综电分系统集成度高㊁热流密度大㊁承力筒热导率低，主要依靠散热面进行散热，散热通道单一，散热效率受单轨阳照时间限制.
５㊀热控系统设计
卫星在轨主要工作模式有：三轴对日模式㊁推扫成像业务模式㊁对地数传业务模式以及实时数传业务模式等等.其中，三轴对日整星功耗约为４０W，成像模式功耗约为１００W，数传模式功耗约为１４０W，实时数传模式功耗约为１７０W.最长数传时间为６００s，最长成像时间为３００s，发热功率主要集中在大综电分系统，功耗非常集中，热流密度大.结合卫星的任务特点和所处的低倾角轨道环境，在 被动热控措施为主，主动热控手段为辅 的前提下，提出了一系列有针对性的热控措施，实现相机的高精度控温，保证卫星平台工作在合适的温度区间.
５．１㊀整星散热面开设方案
总体上，除入光口㊁散热面以及有视场要求的位置以外，其余表面基本都包覆了多层隔热组件，尽可能减小外热流变化对卫星的影响[８].
单机主要布置在整星的－Y侧，且无结构件将单机与空间环境隔离，故直接实施多层隔热组件来满足热控㊁结构及电子学方面的隔离需求.通过在多层隔热组件上面开口的方式开设散热面.为了使不常工
作单机和大功耗单机均处于合适的温度区间，需要精确计算散热面面积.计算结果再代入仿真计算中进行校核，最终确认散热面面积.
在估算中，卫星布置单机的－Y侧通过多层隔热组件吸收和辐射的热量可忽略，通过散热面接收空间外热流，并向空间辐射热量.根据上述条件，散热面吸收的热量Q１为:
Q１＝Q内＋αˑq１ˑA＋εˑq２ˑA,(１)其中:Q内为内热源热量,q１为太阳直射和地球返照的入射热流,q２为地球红外的入射热流,α为散热面太阳吸收率,ε为散热面表面发射率,A为散热面面积.
散热面辐射的热量Q２为:
Q２＝AˑεˑσˑT４,(２)其中σ为斯忒藩Ｇ玻尔兹曼常量.
当热平衡时，有:
Q１＝Q２．(３)将估算结果代入仿真计算中进行迭代分析，最后确定在整星－X向㊁－Y向分别开设面积约为０．０５,０．１３m２的散热面，位置如图４所示，散热面为一层F４６膜
.
图４㊀卫星散热面示意图
businesslikeF i g．４㊀C o o l i n g s u r f a c e o f s a t e l l i t e ５．２㊀相机热设计
卫星的主载荷为２６０m m口径同轴反射式相机，如图５所示，次镜安装于桁架杆顶端，主要由三根
桁架杆来保证主㊁次镜的位置关系，桁架的材料为钛合金，线胀系数约为９ˑ１０－６K－１，所以保证三根桁架杆温度的均匀性和稳定性至关重要.
００５２㊀㊀㊀㊀㊀光学㊀精密工程㊀㊀㊀㊀㊀第２８卷㊀
图５㊀相机布局示意图
F i g ．５㊀L a y
o u t o f c a m e r a 与太阳同步轨道的相机有所不同，该相机所处轨道外热流变化复杂，且单机安装位置离相机近，易对相机温度造成扰动，影响热控调焦精度.采用的热控措施如下：桁架共设置了４个主动控
温加热区，如图６所示.加热片直接粘贴在桁架表面，粘贴好加热片以后，整体粘贴一层导热石墨片，然后包覆１０单元的多层隔热组件.每根桁架杆的温度都可单独调整，通过合理分配加热区功率，优化控温算法，保证了桁架的轴向温差和径向温差都
优于０．８ħ
.
图６㊀桁架加热区布置局示意图
F i g ．６㊀L a y o u t o f t r u s sh e a t i n g z o n e 在整星承力筒－Y 侧(
单机安装面)，即承力筒内壁铺设１０单元多层隔热组件，如图７所示，以此来隔绝单机热源对相机的影响.否则单机的热耗会使桁架局部温度偏高，无法满足桁架杆的温度均一性指标，而且过大的单机热量传递到相机会使桁架杆温度调节范围变窄
.
图７㊀承力筒内部多层位置
F i g ．７㊀P o s i t i o no fm u l t i Ｇl a y e r i n s i d e c y
l i n d e r 桁架杆上粘贴两层导热石墨片，粘贴后钛合金材料的桁架杆等效导热系数可提升至８０W m －１ K －１,
从而提高桁架的等温性.由于桁架杆需要单独的控温区间，需要减小桁架杆与其他组件的温度耦合，才能满足精确控温指标；而采用聚酰亚胺隔热垫不能满足相机结构的刚度指标，故将桁架底部安装面铣出凸台，并将凸台镂空，尽可能增大接触热阻，减小桁架杆与其他组件热耦合的同时满足结构安装及力学特性.
深海浩劫为了保证桁架的测温精度，需要标定相机测温用的热敏电阻，热敏电阻标定后，在１５~２５ħ具有小于ʃ０．１ħ的互换精度.
同时还需对星上的测温电路进行标定.利用
标准电阻模拟热敏电阻对应温度下的电阻值，接入星上测温电路，然后对测温电路输出的十六位码值
进行修正，可使测温电路的测温精度在ʃ０．０３ħ以内，从而满足测温精度需求.承力筒采用均温措施，主要通过在承力筒表面和承力筒多层隔热组件最外层薄膜的内表面铺设导热石墨片的方法，将热量由承力筒受照面导向背阴面，从
而减小承力筒各区域的温度梯度[９
]，保证相机桁
架温度的均一性和稳定度，如图８所示.
５．３㊀单机设备热控设计
单机集中布置在碳纤维承力筒的－Y 侧，碳纤维承力筒导热差，不利于单机间的热量相互传导，各单机温度差异大.功率密度大的单机(如大综电分系统)温度水平高，任务期间温升快，连续任务后热量难以及时导出，需要开设较大面积的散热面.而不开机单机则无常值功耗(如S 向飞
１
０５２第１１期
㊀㊀㊀㊀柏㊀添,
等：低倾角轨道微小遥感卫星的热设计及验证
