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(yáng)、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(duì)于工作于地球靜止軌道的遙感器，太陽(yáng)輻射熱流一軌內(nèi)變化劇烈，且高低溫持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)。為保證相機(jī)在軌滿(mǎn)足復(fù)雜空間環(huán)境下溫度需求，需對(duì)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(yáng)光夾角較小，一軌內(nèi)遮光罩內(nèi)外壁均會(huì)受到長(zhǎng)時(shí)間的太陽(yáng)照射，為減少太陽(yáng)輻射對(duì)相機(jī)內(nèi)部溫度的影響，通常高軌遙感器會(huì)通過(guò)遮光罩實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光的屏蔽，以避免太陽(yáng)通過(guò)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(huì)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(yáng)能量反射吸收情況更需進(jìn)行準(zhǔn)確的外熱流模擬，來(lái)開(kāi)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(yáng)模擬器模擬。紅外籠模擬無(wú)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(yáng)模擬器模擬高軌遙感器遮光罩太陽(yáng)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(yáng)模擬器與遙感器在軌相對(duì)位置關(guān)系的變化，太陽(yáng)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(yáng)模擬器口徑以滿(mǎn)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(wèn)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(wèn)題，且該模擬方法簡(jiǎn)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(yáng)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(yáng)模擬器光斑范圍內(nèi)，真空低溫環(huán)境下，開(kāi)啟太陽(yáng)模擬器為一個(gè)太陽(yáng)常數(shù)直至縮比遮光罩各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)均達(dá)到穩(wěn)定，獲得縮比遮光罩的溫度場(chǎng)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(yáng)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(yáng)光夾角相同；計(jì)算獲得熱仿真分析模型B1的溫度場(chǎng)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(chǎng)與步驟一中獲得的縮比遮光罩的溫度場(chǎng)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(yáng)輻射熱流密度，根據(jù)熱流密度分布規(guī)律對(duì)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(chǎng)分布，通過(guò)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(chǎng)分布與步驟二中獲得的熱仿真分析模型B1的溫度場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)分布并與步驟五中獲得的熱仿真分析模型B3溫度場(chǎng)分布對(duì)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(yáng)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(duì)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(zhǎng)度l滿(mǎn)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(zhǎng)度，ψ為太陽(yáng)模擬器有效覆蓋范圍直徑；α為遮光罩光軸與太陽(yáng)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(yáng)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(mǎn)足不同口徑光學(xué)遙感器的需求，不受太陽(yáng)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(duì)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(yáng)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(duì)遙感器光路無(wú)遮擋，不影響遙感器地面性能測(cè)試。

附圖說(shuō)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(yáng)模擬器反射鏡，3-太陽(yáng)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(shuō)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(yáng)模擬器反射鏡2、太陽(yáng)模擬器光源入口3、縮比遮光罩4、電加熱器5；太陽(yáng)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(tái)上并保證縮比遮光罩4位于太陽(yáng)模擬器光斑范圍內(nèi)，同時(shí)需遠(yuǎn)離太陽(yáng)模擬器反射鏡2以及太陽(yáng)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(yáng)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(zhǎng)度為L(zhǎng)，太陽(yáng)模擬器有效覆蓋范圍為直徑ψ，遮光罩光軸與太陽(yáng)光夾角為α，則縮比遮光罩4的尺寸(直徑為d，長(zhǎng)度為l，)應(yīng)滿(mǎn)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(cè)溫點(diǎn)(測(cè)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(yáng)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(kāi)啟太陽(yáng)模擬器為一個(gè)太陽(yáng)常數(shù)，直至縮比遮光罩4各個(gè)測(cè)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(yáng)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(yáng)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(chǎng)分布，對(duì)比熱試驗(yàn)A中溫度測(cè)點(diǎn)位置的溫度，通過(guò)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(yáng)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(duì)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(guò)模型B1獲得的每個(gè)分區(qū)的太陽(yáng)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(chǎng)，與模型B1的溫度場(chǎng)分布對(duì)比；若溫度場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(kāi)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(chǎng)分布；將試驗(yàn)C溫度場(chǎng)分布與模型B3溫度場(chǎng)分布對(duì)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(duì)標(biāo)可驗(yàn)證B1模型的正確性；B2與B1對(duì)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(duì)標(biāo)進(jìn)一步驗(yàn)證模型的正確性?？紤]遮光罩溫度對(duì)光學(xué)系統(tǒng)溫度的影響，當(dāng)步驟(2)(3)(5)三步對(duì)標(biāo)中溫度結(jié)果相差5℃以?xún)?nèi)時(shí)，認(rèn)為試驗(yàn)C外熱流模擬方法得到的溫度場(chǎng)對(duì)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(yáng)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(yáng)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(duì)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(guó)內(nèi)可用太陽(yáng)模擬器有效光斑直徑為600mm，因此無(wú)法采用入射式熱流模擬方式來(lái)模擬在軌太陽(yáng)輻射熱流，需經(jīng)過(guò)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(guò)姿態(tài)調(diào)整保證入光口方向上太陽(yáng)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(guó)內(nèi)可用太陽(yáng)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(zhǎng)度均按1:2縮小。試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖見(jiàn)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(yáng)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(cè)溫點(diǎn)，以在試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)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(cè)結(jié)果，將模型B1中太陽(yáng)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(cè)試結(jié)果對(duì)比情況如表1所示，所有點(diǎn)溫度相差在4.9℃以?xún)?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(yáng)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(duì)比情況如表2所示，所有點(diǎn)溫度相差在5℃以?xún)?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(yáng)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(duì)遮光罩溫度場(chǎng)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(kāi)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(cè)試結(jié)果對(duì)比情況如表2所示，所有點(diǎn)溫度相差在3.4℃以?xún)?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(duì)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(shuō)明書(shū)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)。