引 言

地球模拟器作为红外地球敏感器地面模拟试验与标定的重要设备,大体可以分为两类:第一类主要适用于高轨道卫星。为了在地面上能准确地模拟出地球敏感器在太空中所看到的地球大小,国际上较成功的办法是采用“准直式地球模拟器”,这种模拟器是把有限直径的地球光阑放在一个光学镜头的焦面上,从光学系统前方看,地球就处在几万公里的距离上。第二类主要适用于中低轨道卫星。在三轴稳定的卫星上一般采用的是圆锥扫描式红外地球敏感器,根据地球敏感器扫描形式,该类圆锥扫描式红外地球模拟器不是模拟地球圆盘特征,而是模拟地球弦宽,其定义为地球敏感器视场轴从进入到离开地球圆盘这一段时间内扫描角的增量^{[ 1,2,3 ]}。本文通过设计一种可变地球张角圆锥扫描式地球模拟器,模拟可变地球弦宽^{[ 4 ]}。

1 可变地球张角圆锥扫描式地球模拟器组成及总体设计

所设计的圆锥扫描式地球模拟器主要由热板、活动冷板、连杆机构、活动冷板与热板支撑轴系、光轴基准镜、卡圈、支架等组成,如图 1所示。

图 1

Fig. 1

图 1 圆锥扫描式地球模拟器总体方案图Fig. 1 Conical scanning earth simulator overall plans

试验时,将圆锥扫描式红外地球敏感器和地球模拟器固定在试验台上。地球敏感器置于地球模拟器的前方,红外地球敏感器的视场轴与所设计的地球模拟器的主轴重合,地球模拟器的冷板和热板通过支撑轴系和支架固定在试验台上。当地球模拟器工作时,固定在支架底部的电动推杆通过连杆机构带动地球冷板转动,在卡圈上标有角度刻度,可手动或电动控制电动推杆的行程确保活动冷板的转角精度。地球冷板采用循环水制冷控温,两个活动冷板温度保持恒温(20±0.5)℃,地球热板采用电加热膜加热控温,调节热板的温度至35～80 ℃,冷板和热板的温度取值使得二者温差等效于地球和太空间的辐射亮度差,这样圆锥扫描式红外敏感器扫描一周就获得了需要模拟的地球弦宽。地球光轴基准镜安放在支撑轴系的侧面,镜面的中心十字线交点位于地球冷板光轴上,镜面法线与地球冷板光轴平行,其用来表征地球模拟器光轴水平方向,以实现可见光基准与红外基准的转换^{[ 5 ]}。

2 可变地球张角圆锥扫描式地球模拟器结构设计 2.1 地球热板的设计

地球热板的用途是模拟地球热源,设计的地球热板是一种半圆形平板结构,其前表面为均热板,表面黑色阳极氧化,背部采用电热膜加热。为保持恒温,在其背部填充了保温材料。

地球热板的结构如图 2所示,地球热板选用铝合金材料,其尺寸应满足扫描半角55°的均匀面源要求,用其内圆D′和端面C′定位,通过螺钉固定在冷热板支撑轴系上。

图 2

Fig. 2

图 2 地球热板结构示意图Fig. 2 Schematic diagram of the earth hot plate structure

2.2 地球活动冷板的设计

地球冷板的用途是模拟太空背景和地球弦宽,设计的地球冷板是一种水冷式平板结构,槽内部设置冷却水道,冷却水采用(20±0.5)℃左右的恒温水,恒温水从进水口流入,在地球冷板内循环后从出水口流出,地球冷板表面采用黑色阳极氧化处理。

地球活动冷板的结构如图 3所示,为了简化工艺及获得较理想的温控效果,在地球冷板上直接铣出螺旋槽,用盖板胶接密封后,螺旋槽内通过循环水进行温控。为保持恒温,并防止地球热板的热辐射对地球冷板温度的影响,在其背部填充了隔热材料。地球冷板选用铝合金材料,其尺寸应满足扫描半角55°的均匀面源要求,用内圆D和端面C定位,由于所设计的地球模拟器中有两块活动的冷板,直接固定在冷热板支撑轴系上,并用卡圈锁死。

图 3

Fig. 3

图 3 地球活动冷板结构示意图Fig. 3 Schematic diagram of the earth cold plate structure

2.3 地球冷热板轴系及支架的设计

冷热板轴系支架采用铸件,材料为铸铁,其通过螺钉固定在试验台上,冷热板轴系及支架主要用于安装和支撑地球活动冷板和地球热板。冷热板轴系采用空心轴系结构,空心轴及端面可用于安装地球光轴基准镜,如图 4所示。

图 4

Fig. 4

图 4 冷热板支撑轴系结构示意图Fig. 4 Hot and cold plate supporting the schematic diagram of the shafting structure

2.4 地球光轴基准镜的设计

地球光轴基准镜的法线是用来表征地球模拟器光轴方向的,其法线与光轴平行,并通过调整座将其安装在冷热板轴系的后端面上。它是一圆形平面反射镜,材料为光学玻璃K9,外表面镀铬反射膜,中心刻有十字线标记,十字交点位于地球光轴上。如图 5所示,地球光轴基准镜在安装前,应通过调整机构将十字线十字交点调到镜座的外圆定位面圆心上,并使平面反射镜的反射面与外圆定位面垂直。

图 5

Fig. 5

图 5 地球光轴基准镜结构示意图Fig. 5 Schematic diagram of the earth axis reference mirror structure

3 可变地球张角圆锥扫描式地球模拟器性能分析 3.1 对支架的应力分析

由于冷热板尺寸较大,所以在支架设计时,应该考虑承载和刚度问题。初步计算支架承载所需约为2 500 N的重量,利用ANSYS软件对支架进行应力分析。

分析结果如图 6所示,图 6(a)为支架所受应力分析图,最大应力约为0.9 MPa,位置在如图所示方形最下部。图 6(b)为支架所受应力后产生形变量分析图,可以看出最大形变量在支架顶部,形变量大小为0.005 mm,可对最大形变量处进行加厚处理。

图 6

Fig. 6

图 6 支架的应力分析结果Fig. 6 Stress analysis results support

3.2 对冷板和热板的热分析

ANSYS软件的热分析基于能量守恒原理的热平衡方程,用有限元法计算各节点的温度并导出其他热物理参数,其热分析模块能计算包括热传导、热对流及热辐射在内的传热问题,以及对相变、有内热源、接触热阻等问题进行分析。 随着 ANSYS 有限元程序的不断改进和发展,其热分析功能越来越强大,主要包括稳态热分析、瞬态热分析、热辐射相变、热应力、 线性和非线性分析及和热有关的耦合场分析^{[ 6,7 ]}。

由于冷板和热板都存在温度变化,冷板采用(20±0.5)℃恒温冷却水,热板的温度可调范围则在 35～80 ℃。利用ANSYS 软件对地球冷板和热板进行热分析,分析结果如图 7(a)和(b)所示,冷板和热板受热变形最大处均在板的边缘处,形变量大小分别为0.28 mm和0.45 mm,满足活动冷板与固定热板平行度小于2’的指标要求。

图 7

Fig. 7

图 7 冷板和热板的热分析结果Fig. 7 The results of thermal analysis cold plate and hot plate

4 结 论

本文所设计的可变地球张角圆锥扫描式地球模拟器,利用电动推杆通过连杆机构使活动的冷板能够模拟可变地球弦宽。根据红外地球敏感器的测试与标定的要求,对活动冷板、热板、支撑轴系以及光轴基准镜等光机结构进行了详细的设计。利用ANSYS软件对地球模拟器的支架进行应力分析和活动冷板以及热板进行热分析,验证了系统机构设计合理正确,满足了红外地球敏感器的测试与标定的要求。