地球静止轨道太阳X-EUV成像仪探测器组件热控技术研究

doi:AC55B71CD9ADBECFB0BFEF9692909A7A

	地球静止轨道太阳X-EUV成像仪探测器组件热控技术研究
	吴愉华
学位类型	硕士
导师	陈立恒
	2019-06-01
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
关键词	太阳观测探测器热设计热模型修正布局优化
摘要	太阳活动的观测和预报具有重要的科学意义和应用价值。太阳X-EUV成像仪是我国最新一代的太阳空间观测载荷,采用了国际独创的X射线与EUV射线两个波段成像系统一体化的设计,该仪器搭载在风云四号——地球静止轨道气象卫星上。探测器作为成像仪的关键元件,要求工作在低温环境下。为了给成像仪提供优于指标要求的温度水平和温度梯度,进一步保证成像仪能够获取优质的图像与光学参数,需要对整个探测器组件的低温热控技术进行研究。文中首先概述了太阳活动观测的意义与研究现状,对国内外典型的太阳观测仪器热控技术的发展和研究进行了总结,结合太阳X-EUV成像仪的特点阐述了探测器组件的热控问题以及本文的研究内容。接着,为了获取成像仪姿态变化情况下的外热流数据,首先分析卫星、太阳、地球三者之间的相对位置关系,根据成像仪对日成像的工作任务确定其不同时刻的姿态,最后根据成像仪姿态变化后的环境映射面以及直接积分法求得的辐射角系数,在Matlab上计算成像仪在轨工作时各表面的瞬时外热流。结果表明,成像仪姿态变化的热流总和较姿态不变有所减少,其中春分日总热流减少372.5W/m~2,冬至日总热流减少771.5W/m~2。入光口所在面的外热流总和增大了2倍左右,该面进出地球阴影区时外热流会剧烈波动。计算结果可用于指导成像仪后续的热设计。然后对探测器组件进行了热设计:首先分析了探测器组件结构和内热源分布的特点,确定散热面的位置;然后针对探测器CCD工作温度低、与周围元件温差大的热设计需求,分析影响探测器组件温度的关键热设计参数;最后采用了结合主被动热控技术的方法进行了详细的热设计。为了尽量避免成像仪机上电箱内的电子器件出现局部过热和热应力集中现象,文中提出了基于遗传算法的元器件布局优化和热设计方法。以机上电箱内一电路板为例,建立了电路板的热阻网络模型。以元器件温度均方差为目标函数,在Matlab上编写遗传算法程序并获得电路板上14个布局不规则,外形尺寸和功耗不一致的元器件优化布局,在此基础上进行了针对性的散热设计。通过IDEAS/TMG软件进行热仿真验证,仿真结果表明各个元器件结温在50℃～67℃之间,不仅满足85℃以内的热设计指标,而且同经验布局相比,经算法优化后的各器件的温度均方差改善了47.2%,最高温度降低了19.5%,证明本文提出的算法改进策略是可行且有效的。接着,进行了成像仪探测器组件的热仿真:先结合成像仪的外热流特点和热控指标确定成像仪极端高低温工况,再利用IDEAS/TMG软件建立了成像仪整机的有限元模型,计算极端工况下探测器组件的温度水平。结果表明,CCD在春分低温工况中温度最低为-64.3℃,在冬至高温工况下温度最高达-50.4℃,满足-65℃～-50℃的热控指标,证明该热控系统可以为探测器提供适宜的热环境保障。最后,开展了探测器组件的热平衡试验和热模型参数修正。试验结果表明,CCD的温度能够维持在-65℃～-50℃之间,验证了热设计和热仿真的正确性。为了用试验数据反演一组更符合探测器组件实际物理状态的热设计参数,以减小试验数据与仿真数据之间存在的误差,文中提出了拉丁超立方抽样与Powell法结合的模型修正方法。以其中一个工况的试验数据为参考,通过最小二乘误差拟合法对10个温度监测点构建目标函数,利用拉丁超立方法对20个热设计参数进行均匀抽样并进行相应的仿真计算,然后用Spearman等级系数对热设计参数的分类,接着通过Powell法对参数进行分层修正,最后将修正后的参数组合代入有限元模型进行计算。结果表明,修正工况的仿真与试验温度差异在2℃以内,验证了修正方法的合理有效性。
页数	94
DOI	AC55B71CD9ADBECFB0BFEF9692909A7A
语种	中文
引用统计
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/63913
专题	中科院长春光机所知识产出
推荐引用方式 GB/T 7714	吴愉华. 地球静止轨道太阳X-EUV成像仪探测器组件热控技术研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2019.

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