本發(fā)明屬于熱控領(lǐng)域，涉及一種光學(xué)遙感器入光口外熱流模擬方法。

背景技術(shù)：

空間光學(xué)遙感器在軌運(yùn)行要經(jīng)受太陽、行星輻射以及空間深低溫的影響，熱環(huán)境極為復(fù)雜，尤其對于工作于地球靜止軌道的遙感器，太陽輻射熱流一軌內(nèi)變化劇烈，且高低溫持續(xù)時(shí)間很長。為保證相機(jī)在軌滿足復(fù)雜空間環(huán)境下溫度需求，需對熱控設(shè)計(jì)進(jìn)行充分有效的地面真空熱環(huán)境試驗(yàn)，而其中外熱流模擬的有效性是地面環(huán)境試驗(yàn)有效的關(guān)鍵因素。

不同于低軌遙感器，地球靜止軌道等高軌遙感器在午夜前后光軸與太陽光夾角較小，一軌內(nèi)遮光罩內(nèi)外壁均會受到長時(shí)間的太陽照射，為減少太陽輻射對相機(jī)內(nèi)部溫度的影響，通常高軌遙感器會通過遮光罩實(shí)現(xiàn)對太陽光的屏蔽，以避免太陽通過入光口直接照射到遙感器其他光機(jī)結(jié)構(gòu)，因此，入光口外熱流模擬只需重點(diǎn)考慮遮光罩部分(下文將以遮光罩外熱流模擬代替入光口外熱流模擬)。此外，為避免遮光罩受曬形成局部熱點(diǎn)而影響成像質(zhì)量，一般會采取較為復(fù)雜的熱控設(shè)計(jì)控制遮光罩溫度，復(fù)雜的遮擋關(guān)系和復(fù)雜的太陽能量反射吸收情況更需進(jìn)行準(zhǔn)確的外熱流模擬，來開展地面真空熱試驗(yàn)，驗(yàn)證遮光罩仿真模型和熱控設(shè)計(jì)的正確性，以確保相機(jī)光機(jī)主體溫度水平。

目前常用的入光口外熱流模擬方法為紅外籠模擬和太陽模擬器模擬。紅外籠模擬無法進(jìn)行復(fù)雜的分區(qū)，模擬精度不高，且紅外籠模擬存在滯后，遮擋光路。采用太陽模擬器模擬高軌遙感器遮光罩太陽輻射熱流屬于入射熱流法，是最為準(zhǔn)確的外熱流模擬方案。但隨著光學(xué)遙感器分辨率的提高，光學(xué)遙感器口徑不斷增大，由于太陽模擬器與遙感器在軌相對位置關(guān)系的變化，太陽模擬器所需口徑要遠(yuǎn)大于光學(xué)遙感器口徑，因此，采用增大太陽模擬器口徑以滿足相機(jī)口徑增大需求的方法是不經(jīng)濟(jì)，也是不現(xiàn)實(shí)的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種高軌大口徑光學(xué)遙感器入光口外熱流模擬方法，解決了高軌大口徑光學(xué)遙感器遮光罩空間熱流模擬問題，且該模擬方法簡單有效，工程可實(shí)現(xiàn)性高。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種高軌大口徑光學(xué)遙感器入光口外熱流模擬方法，包括如下步驟：

步驟一、根據(jù)光學(xué)遙感器遮光罩實(shí)際尺寸以及可用太陽模擬器有效覆蓋范圍制作縮比遮光罩，將縮比遮光罩置于真空環(huán)境模擬室內(nèi)太陽模擬器光斑范圍內(nèi)，真空低溫環(huán)境下，開啟太陽模擬器為一個(gè)太陽常數(shù)直至縮比遮光罩各個(gè)測溫點(diǎn)均達(dá)到穩(wěn)定，獲得縮比遮光罩的溫度場分布；

步驟二、建立縮比遮光罩的熱仿真分析模型B1，所述熱仿真分析模型B1中包括環(huán)境條件和軌道條件，環(huán)境條件與步驟一中相同，軌道條件與實(shí)際運(yùn)行軌道條件相同，并保證太陽光與縮比遮光罩的光軸夾角與步驟一中遮光罩光軸與太陽光夾角相同；計(jì)算獲得熱仿真分析模型B1的溫度場分布，修正熱仿真分析模型B1使得熱仿真分析模型B1的溫度場與步驟一中獲得的縮比遮光罩的溫度場分布一致；

步驟三、計(jì)算熱仿真分析模型B1遮光罩各部位吸收太陽輻射熱流密度，根據(jù)熱流密度分布規(guī)律對縮比遮光罩進(jìn)行分區(qū)，計(jì)算各分區(qū)吸收的熱流量；

步驟四、去除熱仿真分析模型B1中的步驟二中軌道設(shè)置并保留環(huán)境條件，建立縮比遮光罩的熱仿真分析模型B2，用熱載荷的方式模擬電加熱器的加載量，加載量與步驟三中獲得的各分區(qū)吸收的熱流量一致；計(jì)算獲得熱仿真分析模型B2溫度場分布，通過調(diào)整分區(qū)和分區(qū)內(nèi)相應(yīng)電加熱器的功耗，使得熱仿真分析模型B2溫度場分布與步驟二中獲得的熱仿真分析模型B1的溫度場分布一致，獲得分區(qū)及各分區(qū)內(nèi)電加熱器的功耗；

步驟五、去除熱仿真分析模型B2中的環(huán)境條件，保留步驟四中各分區(qū)內(nèi)電加熱器的功耗，獲得熱仿真分析模型B3，計(jì)算獲得熱仿真分析模型B3的溫度場分布；

步驟六、根據(jù)熱仿真分析模型B3加載功耗的分區(qū)在縮比遮光罩外面粘貼熱流模擬的電加熱器，每個(gè)分區(qū)電加熱器的功耗與步驟三中計(jì)算獲得的各分區(qū)吸收的熱流量一致；將縮比遮光罩以步驟一中的位置和角度置于真空環(huán)境模擬室內(nèi)，進(jìn)行基于電加熱器分區(qū)的吸收式熱流模擬真空熱試驗(yàn)，獲得縮比遮光罩的溫度場分布并與步驟五中獲得的熱仿真分析模型B3溫度場分布對比；

步驟七、根據(jù)縮比遮光罩熱仿真分析模型B1建立遮光罩的熱仿真分析模型B’，設(shè)置軌道參數(shù)，計(jì)算獲得遮光罩的太陽輻射熱流分布，并以縮比遮光罩熱仿真分析模型B3的電加熱器分區(qū)方法對遮光罩進(jìn)行分區(qū)，并根據(jù)熱仿真分析模型B’的熱流分布結(jié)果計(jì)算各個(gè)分區(qū)總的輻射熱量；

步驟八、根據(jù)步驟七中熱仿真分析模型B’計(jì)算獲得的電加熱器分區(qū)以及功耗在遮光罩上進(jìn)行電加熱器粘貼和功耗加載，模擬遮光罩的外熱流。

所述縮比遮光罩的直徑d、長度l滿足：l·sinα+d·cosα≤ψ、l/L＝d/D；其中，D為遮光罩的實(shí)際直徑，L為遮光罩的實(shí)際長度，ψ為太陽模擬器有效覆蓋范圍直徑；α為遮光罩光軸與太陽光夾角；縮比遮光罩的材料和熱控措施與實(shí)際尺寸的遮光罩一致。

所述步驟一中真空低溫環(huán)境指壓力低于1×10^-3Pa，溫度低于100K。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明采用基于電加熱器的吸收熱流法代替了基于太陽模擬器的入射熱流法，為大口徑光學(xué)遙感器空間熱流模擬提供一種經(jīng)濟(jì)、有效、可實(shí)現(xiàn)性高的模擬方法；采用電加熱器模擬空間熱流，電加熱器可直接粘貼在有輻射熱流的部件上，可滿足不同口徑光學(xué)遙感器的需求，不受太陽模擬器光斑尺寸以及真空環(huán)境模擬室尺寸的限制。

(2)本發(fā)明采用縮比遮光罩，將入射熱流法結(jié)果與吸收熱流法結(jié)果從仿真模型與真空試驗(yàn)兩個(gè)角度進(jìn)行對標(biāo)，以試驗(yàn)驗(yàn)證模型，一方面確保仿真模型充分考慮了復(fù)雜的遮擋關(guān)系與太陽輻射能量黑洞現(xiàn)象的影響，驗(yàn)證了仿真模型的正確性；另一方面確保了吸收熱流法電加熱器分區(qū)和功耗加載的正確性，大大提高了吸收熱流法模擬空間熱流的精度。

(3)本發(fā)明采用電加熱器模擬空間熱流，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜遙感器構(gòu)型的熱流模擬需求，且模擬熱流的電加熱器粘貼于遙感器表面，對遙感器光路無遮擋，不影響遙感器地面性能測試。

附圖說明

圖1為入射熱流法轉(zhuǎn)換吸收熱流法的邏輯關(guān)系圖；

圖2為入射熱流法轉(zhuǎn)換吸收熱流法的流程圖；

圖3為縮比遮光罩試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。圖中1-真空環(huán)境模擬室，2-太陽模擬器反射鏡，3-太陽模擬器光源入口，4-縮比遮光罩，5-電加熱器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)例以及附圖說明本發(fā)明的實(shí)施方式。

如圖3所示，縮比遮光罩試驗(yàn)系統(tǒng)包括真空環(huán)境模擬室1、太陽模擬器反射鏡2、太陽模擬器光源入口3、縮比遮光罩4、電加熱器5；太陽模擬器反射鏡2和光源入口3位于真空環(huán)境模擬室1壁面上，電加熱器5粘貼于縮比遮光罩4表面，縮比遮光罩4固定在真空環(huán)境模擬室1內(nèi)試驗(yàn)平臺上并保證縮比遮光罩4位于太陽模擬器光斑范圍內(nèi)，同時(shí)需遠(yuǎn)離太陽模擬器反射鏡2以及太陽模擬器光源入口3。

如圖1、圖2所示，一種高軌大口徑光學(xué)遙感器入光口外熱流模擬方法，包括如下步驟：

(1)根據(jù)光學(xué)遙感器遮光罩實(shí)際尺寸以及可用太陽模擬器有效覆蓋范圍設(shè)計(jì)縮比遮光罩4，實(shí)際遮光罩直徑為D，長度為L，太陽模擬器有效覆蓋范圍為直徑ψ，遮光罩光軸與太陽光夾角為α，則縮比遮光罩4的尺寸(直徑為d，長度為l，)應(yīng)滿足：l·sinα+d·cosα≤ψ、l/L＝d/D；

縮比遮光罩4的材料和熱控措施與實(shí)際尺寸的遮光罩一致。在縮比遮光罩4上均布若干個(gè)測溫點(diǎn)(測點(diǎn)要保證沿周向均布，沿軸向均布)，將縮比遮光罩4置于真空環(huán)境模擬室內(nèi)太陽模擬器光斑范圍內(nèi)，真空環(huán)境模擬室內(nèi)壓力低于1×10^-3Pa，溫度低于100K，開啟太陽模擬器為一個(gè)太陽常數(shù)，直至縮比遮光罩4各個(gè)測溫點(diǎn)均達(dá)到穩(wěn)定，至此完成熱試驗(yàn)A，獲得縮比遮光罩4溫度分布。

(2)建立縮比遮光罩4的熱仿真分析模型B1，建立與熱試驗(yàn)A狀態(tài)完全一致的環(huán)境條件(包含安裝溫度邊界，真空環(huán)境模擬室溫度邊界，太陽模擬器及其反射鏡位置以及溫度邊界)，建立計(jì)算軌道保證太陽光與光軸夾角與試驗(yàn)A相同，采用軌道熱仿真分析軟件計(jì)算獲得縮比遮光罩4的溫度場分布，對比熱試驗(yàn)A中溫度測點(diǎn)位置的溫度，通過修正模型B1，使得仿真分析結(jié)果溫度結(jié)果與試驗(yàn)A溫度結(jié)果一致。

(3)采用軌道熱仿真分析軟件計(jì)算熱仿真分析模型B1縮比遮光罩4各部位吸收太陽輻射熱流密度，根據(jù)熱流密度分布規(guī)律(熱流密度值相近或相等)對縮比遮光罩4進(jìn)行分區(qū)，計(jì)算各個(gè)分區(qū)吸收的熱流量；

(4)去除模型B1中的軌道設(shè)置，保留環(huán)境條件，建立熱分析模型B2，用熱載荷的方式模擬電加熱器5加載通過模型B1獲得的每個(gè)分區(qū)的太陽輻射能量，采用軌道熱仿真分析軟件計(jì)算獲得模型B2溫度場，與模型B1的溫度場分布對比；若溫度場不一致，重復(fù)步驟(3)，減小分區(qū)面積重新分區(qū)并計(jì)算功耗，直至模型B1和模型B2溫度場分布一致，最終獲得合理的電加熱器5分區(qū)。

(5)去除模型B2中的環(huán)境條件，保留模擬電加熱器5的熱載荷，獲得熱分析模型B3，采用軌道熱仿真分析軟件計(jì)算，獲得模型B3的溫度場分布。

(6)根據(jù)熱仿真分析模型B3的分區(qū)在縮比遮光罩4外表面粘貼電機(jī)熱器，每個(gè)分區(qū)為一個(gè)回路，回路功耗與步驟(5)中各分區(qū)吸收的熱流量一致。將縮比遮光罩4以試驗(yàn)A的位置和角度置于真空環(huán)境模擬室內(nèi)，開展基于電加熱器5分區(qū)的吸收式熱流模擬真空熱試驗(yàn)C，獲得溫度場分布；將試驗(yàn)C溫度場分布與模型B3溫度場分布對比，進(jìn)一步驗(yàn)證模型的正確性。

至此，完成縮比遮光罩4仿真與試驗(yàn)研究，邏輯關(guān)系如圖1(縮比遮光罩4部分)所示，B1與A對標(biāo)可驗(yàn)證B1模型的正確性；B2與B1對標(biāo)可完成入射熱流法向吸收熱流法的轉(zhuǎn)換，并驗(yàn)證吸收熱流法分區(qū)和加載的正確性；B2到B3可去除試驗(yàn)中環(huán)境邊界的影響；B3與C對標(biāo)進(jìn)一步驗(yàn)證模型的正確性?？紤]遮光罩溫度對光學(xué)系統(tǒng)溫度的影響，當(dāng)步驟(2)(3)(5)三步對標(biāo)中溫度結(jié)果相差5℃以內(nèi)時(shí)，認(rèn)為試驗(yàn)C外熱流模擬方法得到的溫度場對光學(xué)系統(tǒng)的溫度影響與試驗(yàn)A模擬方法相當(dāng)，即試驗(yàn)C電加熱器5分區(qū)方法與功率加載數(shù)值的吸收熱流法可替代試驗(yàn)A太陽模擬器的入射熱流法。

(7)根據(jù)縮比遮光罩4模型B1建立遮光罩的熱分析模型B’，設(shè)置軌道參數(shù)，采用軌道熱仿真分析軟件計(jì)算獲得遮光罩太陽輻射熱流分布，并以縮比遮光罩4模型B3的電加熱器5分區(qū)方法對遮光罩進(jìn)行分區(qū)，并根據(jù)B’模型的熱流分布結(jié)果計(jì)算各個(gè)分區(qū)總的輻射熱量。

(8)根據(jù)模型B’計(jì)算獲得的電加熱器5分區(qū)以及功耗進(jìn)行電加熱器5粘貼和功耗加載，采用吸收式熱流模擬方法進(jìn)行遮光罩的真空熱環(huán)境試驗(yàn)。根據(jù)縮比模型吸收式熱流模擬與入射式熱流模擬相當(dāng)，可以推斷相機(jī)模型可以采用吸收式熱流模擬代替入射式熱流模擬。

實(shí)施例

某地球靜止軌道光學(xué)遙感器入光口直徑為800mm，國內(nèi)可用太陽模擬器有效光斑直徑為600mm，因此無法采用入射式熱流模擬方式來模擬在軌太陽輻射熱流，需經(jīng)過一定的等效與驗(yàn)證選擇合適的吸收熱流模擬方法代替入射熱流法。

該光學(xué)遙感器在軌運(yùn)行中通過姿態(tài)調(diào)整保證入光口方向上太陽輻射熱流最深能照射到遮光罩根部，因此入光口方向上外熱流的模擬可僅考慮遮光罩外熱流模擬。具體步驟如下：

步驟一、根據(jù)光學(xué)遙感器的口徑以及國內(nèi)可用太陽模擬器的光斑直徑，確定采用1:2的縮比遮光罩4模型進(jìn)行縮比試驗(yàn)A，縮比遮光罩4材料與遮光罩完全一致，直徑以及長度均按1:2縮小。試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖見圖3，將縮比遮光罩4固定于真空環(huán)境模擬室內(nèi)，調(diào)整遮光罩角度，使太陽模擬器光線可以照射到縮比遮光罩4內(nèi)壁根部。在縮比遮光罩4表面粘貼測溫點(diǎn)，以在試驗(yàn)中監(jiān)測遮光罩溫度分布。

步驟二、建立縮比遮光罩4熱仿真分析模型B1，并根據(jù)步驟一試驗(yàn)A結(jié)果修正模型B1的網(wǎng)格尺寸、熱耦合等，確保模型能夠充分考慮光欄等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的相互遮擋關(guān)系。其中，為確保模型B1與試驗(yàn)A具有相同的邊界條件，根據(jù)試驗(yàn)A實(shí)測結(jié)果，將模型B1中太陽模擬器光源入口與反射鏡溫度設(shè)置為20℃。模型B1計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)A測試結(jié)果對比情況如表1所示，所有點(diǎn)溫度相差在4.9℃以內(nèi)，驗(yàn)證了模型B1的正確性。

步驟三、根據(jù)熱仿真分析模型B1的外熱流分析結(jié)果劃分電加熱器5分區(qū)，并計(jì)算電加熱器5加載功耗；

步驟四、去除模型B1軌道，以電加熱器5分區(qū)加載外熱流的形式建立模型B2，實(shí)現(xiàn)入射熱流法向吸收熱流法的轉(zhuǎn)換，不斷細(xì)化調(diào)整電加熱器5分區(qū)與相應(yīng)功耗，直至B2仿真分析結(jié)果與B1分析結(jié)果一致。其中，模型B2與模型B1邊界條件相同，即太陽模擬器光源入口與反射鏡溫度設(shè)為20℃。模型B2計(jì)算結(jié)果與模型B1計(jì)算結(jié)果對比情況如表2所示，所有點(diǎn)溫度相差在5℃以內(nèi)，驗(yàn)證了模型B2加熱回路分區(qū)和功耗加載的正確性。

步驟五、根據(jù)模型B2，將太陽模擬器光源入口與反射鏡溫度設(shè)為真空環(huán)境模擬室壁面溫度，去除試驗(yàn)A邊界條件對遮光罩溫度場的影響，建立電加熱器5模擬外熱流的熱仿真分析模型B3，獲取仿真計(jì)算結(jié)果。

步驟六、根據(jù)模型B3的電加熱器5分區(qū)情況在縮比遮光罩4模型外表面粘貼模擬外熱流電加熱器5，將粘貼電加熱器5的縮比遮光罩4以試驗(yàn)A的位置和角度置于真空環(huán)境模擬室內(nèi)，開展吸收式熱流模擬真空熱試驗(yàn)C。模型B2計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)C測試結(jié)果對比情況如表2所示，所有點(diǎn)溫度相差在3.4℃以內(nèi)。

步驟七、根據(jù)縮比遮光罩4模型B1建立遮光罩熱仿真分析模型B’，進(jìn)行軌道熱仿真分析，并以縮比遮光罩4模型B3的電加熱器5分區(qū)方法對遮光罩進(jìn)行分區(qū)，計(jì)算電加熱器5加載功耗。

步驟八、根據(jù)模型B’計(jì)算獲得的電加熱器5分區(qū)以及功耗采用吸收式熱流模擬方法進(jìn)行遮光罩的熱環(huán)境試驗(yàn)C’。根據(jù)縮比遮光罩4吸收式熱流模擬C與入射式熱流模擬A相當(dāng)，可以推斷遮光罩可以采用吸收式熱流模擬C’代替入射式熱流模擬A’。

至此，完成了遮光罩吸收式熱流的模擬。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。