“高分四号”卫星相机热控系统设计及验证

"高分四号"卫星搭载的相机具有较高的分辨率和指向精度,需相机光学系统及主承力结构在全寿命周期内保持高温度稳定性,且该相机工作于地球静止轨道,所处空间热环境更为复杂,给热控设计带来极大挑战。文章结合相机在轨成像需求和空间热流特点,详细分析了相机热控设计的重点与难点,并创新性的采用了遮光罩开设散热面、间接辐射控温、南北耦合散热面等热控措施,实现了高轨相机的高精度温度控制。热平衡试验与在轨飞行温度数据表明,相机的热控设计合理可行,能够满足相机在轨成像的温度要求,为未来高轨大口径光学相机高精度、高稳定性热控设计奠定了良好的基础。     

地球静止轨道凝视型相机热分析与热设计

空间光学遥感器在轨运行过程中要承受太阳辐射和空间冷热沉、黑热沉等恶劣温度环境的影响。为确保相机在轨正常运行并拥有较高的成像品质,需要对相机进行精确的热控设计。根据地球静止轨道太阳辐射外热流特点,详细分析了静止轨道凝视相机热设计的重点和难点,并针对热设计中可能遇到的问题提出相应解决方案。     

真空低温太阳辐照环境下的天线热变形测量技术

航天器结构在轨受到空间外热流影响而产生巨大温度梯度,将导致结构热致变形,为了保证有关地面模拟考核验证的有效性,必须对在轨外热流进行尽可能真实的模拟,同时采用高精度的热变形测量手段获取航天器的结构变形数据。文章介绍了一种热变形测试试验方法,系国内首次将太阳模拟器外热流模拟法和非接触摄影测量法结合应用在某天线的地面模拟热变形测试试验中,在真实模拟天线在轨温度分布的同时精确获取了天线上大量的点云变形数据。经数据比较分析,天线变形实测数据与在轨仿真分析一致,在1.5 m口径范围内的变形测量精度优于15 μm,验证了该测试试验方法的有效性,为航天器结构的在轨热效应模拟和测试评估提供了新的试验手段。     

光学遥感器进光口模拟外热流的均匀性分析

光学遥感卫星在轨运行过程中,受到空间外热流影响很大,尤其是遮光罩进光口的外热流将对遥感器性能产生直接影响。合理的热控设计是遥感器设计中至关重要的工作。光学遥感器的空间热环境模拟试验是验证相机热控方案的最重要途径,需要做到对空间外热流的准确模拟。其中对遮光罩进光口外热流的模拟是试验的一项重要技术指标。考虑到对相机成像的影响以及外热流模拟的准确性,目前试验都采用筒状红外加热笼。红外笼对其遮光罩进光口投入热流的大小和均匀性直接决定了试验的真实性和可靠性。筒式红外笼分为圆柱形和锥形两种,所模拟外热流的均匀性跟其结构密切相关。文章运用ANSYS软件进行仿真计算,深入分析了筒式红外笼的结构对遮光罩进光口外热流均匀性的影响,并总结出了红外笼结构与模拟外热流均匀性之间的关系。为相关试验的红外笼设计以及外热流模拟,提供了参考。     

微波辐射计静止轨道遥感试验技术

在地球静止轨道上对大气进行微波遥感探测尚无先例。为验证静止轨道微波探测仪器关键技术,研究高轨微波辐射传输特性并积累遥感数据,研制了微波探测试验载荷,搭载于风云四号A星进行在轨试验。微波探测载荷采用真实孔径圆周扫描体系,配置双频段(183,425 GHz)五通道。载荷在轨试验中,各项指标正常,183GHz频段灵敏度优于0.5K,425GHz灵敏度优于1.9K,性能稳定并超过3个月考核寿命。对微波探测载荷183GHz与极轨载荷先进技术微波辐射计(advanced technology microwave sounder,ATMS)进行亮温交叉比对的结果显示,两者亮温相近,变化趋势一致,验证了探测数据的有效性。载荷还在静止轨道获取了极轨无法探知的3K/h量级亮温变化,并在风云四号A星姿态调整期间完成了静止轨道微波遥感成像。验证了在静止轨道上进行真实孔径体制微波遥感探测的有效性。     

航天器非地球轨道热环境模拟技术探讨

月球、火星探测器等非地球轨道航天器与地球轨道航天器对热控的要求有很大的不同,为验证热控设计的合理性,必须在地面做好充分的热环境模拟试验.国内绝大部分空间环模设备都是以模拟地球轨道航天器在轨环境为目的建设的,显然不能满足深空探测需要.文章针对航天器非地球轨道深空热环境模拟技术进行探讨.     

“高分四号”卫星凝视相机设计与验证

2015年12月29日,中国第一颗地球静止轨道高分辨率光学遥感卫星—"高分四号"卫星在西昌卫星发射中心成功发射,星上装载的北京空间机电研究所研制的高分辨率光学遥感凝视相机,可以获取星下点可见光近红外谱段(全色及多光谱)50m地面像元分辨率、中波红外谱段400m地面像元分辨率图像,地面覆盖超过400km?400km。文章介绍了该相机的组成及工作原理、相机的关键技术及实现情况,给出了地面测试与试验结果,对在轨运行和测试情况进行了简单介绍,列出了在轨测试的主要结论。     

倾斜轨道星敏感器热控设计及在轨分析

倾斜轨道卫星星敏感器空间外热流复杂多变,同时兼具内功率集中、热容小等特点,这为星敏感器的热设计带来了很大的困难。文章以某临界倾角轨道卫星星敏感器热设计为背景,在详细外热流分析的基础上,提出了一种倾斜轨道星敏感器热设计方案,利用热分析软件Thermal Desktop对此热控系统进行了具体的热分析。星敏感器在轨遥测温度在-19.8^-5.1℃之间,满足温度指标要求,表明星敏感器热设计合理、有效,可为今后倾斜轨道星敏感器热设计提供设计依据。在此基础上,文章利用在轨遥测数据对星敏感器热分析模型进行修正,得出入轨初期星表主要热控涂层退化约为50%的结果,这对于分析近地轨道卫星在轨温度具有一定的参考意义。     

通信卫星在轨热控功率评估研究

电加热器是航天器常用的主动热控措施,合理准确的电加热器在轨工作分析技术可以有效地评估热控功率设计的经济性。为了获取通信卫星热控功率准确的使用情况,研究了热控功率的电流评估、开关量评估方法,通过在轨实际数据对上述方法进行了验证。根据地球静止轨道通信卫星热设计和遥测数据,给出了电加热器在轨使用规律和平均功率,结果表明:目前国内通信卫星加热器总功率余量大于48%,具有较大的统筹优化空间。该评估方法为在轨热控性能评估技术提供了新的思路,评估结果可作为设计热控功率、制定在轨智能管理策略的参考。     

地球静止轨道高分辨率成像卫星的发展现状与展望

文章首先简要介绍了"高分四号"卫星的主要性能指标和在轨运行情况,然后梳理了美国、欧洲等国家地球静止轨道高分辨率成像技术的发展现状。文章重点从卫星的轨道特性、多任务适应的工作模式、灵活的任务编排、实时动态监测、在轨长寿命几个方面总结提炼出"高分四号"卫星创新点;从谱段特性、成像体制、多功能一体化设计、高精度热控设计、高稳定性的结构一体化设计等多个方面分析了成像载荷的特点。最后,分析了地球静止轨道高分辨率成像卫星的发展趋势,展望了未来空间基础设施规划中计划实施项目的应用特点和应用领域。     

全球高分光学星概述(三):亚洲与俄罗斯

亚洲国家与俄罗斯正在努力提高低轨军用卫星与民用遥感卫星性能,并积极开展地球静止轨道高分星的研发工作。日本、以色列、中国、印度、韩国等国家以及俄罗斯的低轨高分星地面分辨率最高已达(或优于)0.5m。地球静止轨道光学星中,中国高分四号地面分辨率达50m。此外,俄罗斯正在构建新型大椭圆轨道/地球静止轨道预警卫星星座。文章着重阐述亚洲与俄罗斯高分光学星的运作、技术状态与发展趋势。     

地球反照对低轨卫星太阳电池阵的影响分析

从太阳电池阵接收的光源分析入手,进行地球反照辐射对太阳电池阵的影响分析,提出基于空间几何的地球反照辐射分析方法,建立地球反照辐射的影响程度模型,通过海洋二号(HY-2)太阳同步轨道卫星在轨遥测数据进行了验证。研究结果可为低轨遥感卫星太阳电池阵在轨数据分析和太阳电池阵设计提供一定参考。     

光学遥感卫星平台结构热变形试验及测量技术研究

太空复杂外界热环境是平台结构热变形的关键影响因素,为了满足某高轨光学遥感卫星对热变形的特殊要求,更准确获取平台结构热变形引起两台相机安装面指向变化,及两相机安装面之间的相对指向变化,进而推导卫星在轨热变形规律。文章设计了卫星平台结构热变形试验,模拟在轨典型外热流工况对卫星平台实施加热控制,使用数字近景摄影测量技术实时测量和分析热变形引起两台相机安装面的绝对指向变化和两相机安装面之间的相对指向变化情况。热变形测量结果表明:A相机安装面指向最大变形57.5″,B相机安装面指向最大变形79.3″,模拟试验的结果可以作为卫星在轨运行期间热变形预测的依据。     

高热流散热泵驱两相流体回路设计及飞行验证

针对激光、雷达等载荷空间应用中存在的超过100 W/cm~2高热流密度散热问题,采用泵驱两相流体回路结合金刚石微槽道的方法实现了271 W/cm~2热流密度的散热。对系统设计及关键部件设计进行了研究,整个系统经过地面和在轨飞行验证,运行平稳。利用储液器控温的方式,实现了系统温度的准确控制。测试结果表明,地面和在轨飞行期间的换热及流阻相当,验证了重力无关设计的正确性。     

低轨星载光学测量确定静止卫星轨道的方法

为了研究低地球轨道(LEO)卫星对地球静止轨道(GEO)卫星的跟踪定轨能力,文章提出利用LEO星载光学测量技术对GEO卫星进行轨道确定.文章充分考虑光学可视条件与星载相机的观测区域,对LEO卫星跟踪GEO卫星的空间环境以及测量模式进行模拟.利用模拟得到的测角数据采用数值方法对GEO卫星进行定轨并与参考轨道进行重叠对比....     

太阳电池阵表面充电反向电位梯度的地面模拟

太阳电池阵等部件由于其表面介质的高二次电子发射及光电子发射特性,使得其在轨表面充电典型表现为反向电位梯度（inverted potential gradient, IPG）。为了评估航天器部组件在轨的表面充电风险,需要研究IPG的特点及在地面模拟IPG的方法。文章通过分析地球中高轨道与低轨道空间等离子体环境中表面充电的特点,提出了地面模拟IPG表面充电的方法,并给出典型试验结果。推荐中高轨道利用电子枪或紫外源、低轨道利用冷稠等离子体源模拟表面充电IPG;模拟过程中为了建立IPG,试样基底导电部位需要悬浮且有直流负偏压电源驱动;模拟IPG时需要针对试样尺度进行缩比补偿;文章给出的方法可用于一般太阳电池阵或其他在轨充电会产生IPG的试样开展地面模拟及静电放电防护性能评价试验。     

GEO卫星在轨故障条件下测控应急措施

地球静止轨道卫星在轨故障时,完成卫星故障现象的排查与确认,实施其后的处理工作,对保证星地测控链路通畅至关重要。根据地球静止轨道卫星的工作特点,描述了保证卫星能源供应、保证测控链路通畅等4项卫星在轨故障处理原则。简要介绍了地球静止轨道卫星平台测控分系统的主要技术状态,进行了测控链路分析;根据测控链路余量,从卫星、地面测控站两个方面,提出卫星在轨故障时测控上行、下行链路的处理措施。这些措施均经过卫星的飞行验证,证明行之有效。     

空间电子、质子和紫外综合辐照模拟试验研究

文章介绍了地面模拟地球同步轨道15年电子、质子和紫外环境的综合辐照模拟试验技术,为长寿命卫星热设计及热控涂层选型提供可靠依据。试验采用空间低能综合环境试验设备、太阳吸收率原位测试系统,针对卫星各种表面材料如S781白漆、SR107-ZK白漆、F46镀银和OSR二次表面镜等进行了空间低能综合辐照试验,与已有的飞行试验数据进行对比研究,结果表明：本次试验能够较准确地反映航天器在轨道上材料的退化现象。     

日光诱导叶绿素荧光超光谱探测仪高稳定性设计与验证

光谱仪主体的机热稳定性直接影响其光谱特性的稳定性,进而影响卫星地面物质反演精度。为了适应空间复杂的热流环境,实现在轨高稳定性定量化探测,陆地生态系统碳监测卫星的主要载荷日光诱导叶绿素荧光超光谱仪（简称超光谱探测仪）在光学、结构、热控等方面均开展了稳定性设计,文章基于超光谱探测仪的性能指标,针对全寿命周期在轨热流环境进行了光、机、热集成仿真分析,揭示了光谱仪性能的在轨表现,证明稳定性设计能够满足在轨定量化使用要求。光谱仪地面试验结果验证了主体机热设计能够满足稳定性要求。     

静止轨道高分辨率光学成像卫星发展概况

近年来,随着光学载荷成像技术和卫星姿态控制技术的发展,出现了在地球静止轨道实现几百至几米分辨率光学成像卫星的相关研究,此类卫星运行在地球静止轨道上,可长期驻留于固定区域上空,具有实时任务规划与响应能力,在灵活的任务编排、实时动态监测、多任务适应的工作模式等方面具有低轨卫星不可比拟的优势,能够实现"同时具有高空间分辨率和高时间分辨率"的天基光学遥感能力。文章调研了世界各国静止轨道高分辨率光学成像卫星的发展现状,进一步分析了适合静止轨道成像的新型成像技术及静止轨道高分辨率光学成像卫星载荷与平台一体化设计技术的发展趋势,并在此基础提出了中国发展静止轨道高分辨率光学成像卫星的启示和建议。