[發(fā)明專利]一種基于力熱耦合算法的航天遙感器熱控指標制定方法

在審

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• 申請日: 2022-04-11
• 公開（公告）號: CN114647968A
• 公開（公告）日: 2022-06-21
• 發(fā)明（設計）人: 張劉;鄭瀟逸;張帆;呂雪瑩
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06Q10/06;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 西安合創(chuàng)非凡知識產(chǎn)權代理事務所(普通合伙) 61248
• 代理人: 楊蕾

本發(fā)明公開了一種基于力熱耦合算法的航天遙感器熱控指標制定方法，包括：建立四種力熱耦合的假設工況；根據(jù)力熱耦合彈性變形理論，以及光機結構變形與光學系統(tǒng)轉換關系，計算MTF的值用于定量的評價成像質量；根據(jù)成像質量的整體指標與分系統(tǒng)指標的關系，確定遙感器熱控子系統(tǒng)和機械子系統(tǒng)耦合情況下對應的綜合成像質量指標；對耦合工況進行迭代計算并以達到成像質量閾值時對應的溫度作為熱控指標，完成光學指標到熱控指標的轉換。本發(fā)明的指標可保證在軌時的遙感器成像質量滿足指標的前提下，降低約20%的熱控系統(tǒng)功耗并在一定程度上的縮短了遙感器研制周期。

技術領域

本發(fā)明涉及航天遙感技術，具體涉及一種基于力熱耦合算法的航天遙感器熱控指標制定方法。

背景技術

隨著航天產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展, 光學遙感技術已經(jīng)應用到各個領域，研制高性能（成像質量高、機動性強等）且低成本（能耗低、體積小、重量輕等）的光學遙感器是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求之一。光學遙感器的成像質量對溫度十分敏感，為保證空間觀測任務順利完成遙感器溫度需要通過熱控系統(tǒng)維持在適宜范圍。遙感器熱控指標是設計和制定熱控系統(tǒng)的前提，熱控指標要求過低會造成熱控系統(tǒng)設計不能滿足成像質量指標對溫度的要求，熱控指標要求過高則會帶來熱控系統(tǒng)功耗增加、熱控系統(tǒng)設計難度增大、研制周期增長等一系列不利的影響。因此在工程應用中迫切需要一種更為合理的熱控指標制定方法來精確的預測遙感器在軌時的適宜溫度水平。

目前對遙感器熱控指標制定方法的研究較少，在航天事業(yè)發(fā)展初期,有經(jīng)驗的設計者會對遙感器整體溫度水平制定較嚴格的指標，保證熱控系統(tǒng)有足夠高的安全域。但該方法缺乏足夠的理論依據(jù)，并且嚴苛熱控系統(tǒng)指標會導致熱控系統(tǒng)的能耗冗余以及研制周期的增長。隨這航天事業(yè)的發(fā)展，又學通過計算機輔助工程提出了新的遙感器熱控指標制定方法。該方法通過假設在軌時的溫度載荷，采用有限元軟件進行熱變形分析，對不同熱載荷作用下的光學表面進行多項式擬合，并通過光學軟件進行分析；最后以達到光學指標閾值時對應的溫度作為熱控指標。遙感器的熱控指標在制定時受到成像質量指標的約束，但該方法中成像質量指標的由來不夠清楚，并且在熱控指標制定過程中未考慮遙感器入軌后由于重力釋放對成像質量造成的影響，以上因素會導致計算出的熱控指標不夠準確。

在實際工程中會通過對熱控系統(tǒng)進行仿真和實驗間接地檢驗熱控指標的合理性，已有許多學者對此方面進行了研究。有對遙感器的空間熱環(huán)境進行了數(shù)值分析，并計算了相應軌道參數(shù)下外熱流密度變化情況。通過軌道熱仿真計算遙感器的瞬態(tài)溫度分布，并根據(jù)仿真結果與相應的熱控指標對比，進而對熱控系統(tǒng)設計進行制定。有用在軌道熱分析的溫度分布結果作為輸入條件，對遙感器在軌時光機結構熱變形進行計算。對變形后光學元件表面進行面形擬合后可知，每個鏡面面形滿足光學設計的公差要求。隨后通過熱真空試驗驗證了遙感器在單方向重力情況下的成像質量滿足要求，由仿真與實驗結合驗證熱控系統(tǒng)設計的有效性。有根據(jù)熱平衡實驗結果與仿真結果相符，驗證了熱控設計的有效性。

然而在以上的仿真驗證的研究中僅考慮了單個光學元件公差，而忽略了光學系統(tǒng)整體的性能，無法準確的判斷在軌時的成像質量是否滿足指標。此外，熱平衡實驗以及單方向重力情況下熱真空試驗，都無法檢測出遙感器處于重力釋放與溫度變化耦合情況下的成像質量，不足以證明熱控指標的合理性以及熱控系統(tǒng)設計的有效性。

發(fā)明內容

本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于力-熱耦合的遙感器熱控指標制定方法，通過分析太空與地面的環(huán)境差異，研究了重力釋放和溫度變化對系統(tǒng)成像質量的耦合影響機理，并以成像質量指標對溫度的要求作為約束條件，通過該方法制定的熱控指標在保證熱控系統(tǒng)設計滿足成像質量指標要求的前提下，有效的降低熱控系統(tǒng)功耗、減小熱控系統(tǒng)設計難度、縮短研制周期。

本發(fā)明采用的技術方案是：一種基于力熱耦合算法的航天遙感器熱控指標制定方法，包括：

建立四種力熱耦合的假設工況；

根據(jù)力熱耦合彈性變形理論，以及光機結構變形與光學系統(tǒng)轉換關系，計算MTF的值用于定量的評價成像質量；