一种地球静止轨道空间相机阳光规避期间受照热设计方法

本发明涉及航天器热控制，具体提供一种地球静止轨道空间相机阳光规避期间受照热设计方法。

背景技术：

1、地球静止轨道空间相机由于相对地球静止，可以对重点区域进行连续观测，较近地轨道空间相机具体更高的时间分辨率，应用愈发广泛。由于地球静止轨道特点，在午夜期间太阳矢量与相机光轴夹角小，为避免阳光进入相机内部影响成像质量甚至造成相机高温损坏，需要进行阳光规避。目前阳光规避设计主要是在相机入光口前端设置斜切式遮光罩，同时卫星在午夜、正午期间配合进行姿态规避，相比于圆筒式遮光罩，斜切式遮光罩配合卫星姿态规避，能为相机提供固定的非受晒的散热面，减小遮光罩长度，有效减小整星质量。带斜切式遮光罩的卫星姿态规避包括午夜前后阳光规避和正午调头等，姿态规避角度与太阳矢量和轨道面夹角、相机口径、遮光罩长度等参数相关。为保证成像任务的连续性，在正午前后允许卫星提前或延后一段时间调头，为提高相机在轨使用效率，规避期间相机应具备可成像能力。相机在轨具备机动成像能力，以对卫星星下点附近热点区域进行观测。在阳光规避及机动成像过程中，卫星进行姿态调整，期间相机散热面会短时受晒，在对相机长期工作的电子学组件进行散热设计时，需要综合考虑散热面位置、卫星阳光规避策略、卫星机动成像角度、卫星所处轨道位置、太阳矢量与轨道面夹角等因素，根据不同情况下散热面受照程度进行散热设计，保证电子学组件温度稳定性和温度水平。

2、目前在进行相机散热设计时，通常计算相机整体吸收外热流确定热设计极端工况，在极端高温工况下进行电子学散热设计。对于地球静止轨道空间相机散热面在阳光规避期间短时受照情况，需要结合相机结构设计、卫星姿态、阳光规避策略等多因素，无法通过常用航天器热分析软件（如nx/tmg、thermal desktop等）输入多个影响因素变量，直接进行轨道外热流计算确定极端工况。通过计算某些典型时刻、典型条件下的外热流对比进行散热设计，不能保证选取的参数覆盖到了极端高温工况。

3、因此，亟需一种能够确定极端高温工况的散热面受照热设计方法。

技术实现思路

1、本发明为解决上述问题，提供了一种地球静止轨道空间相机阳光规避期间受照热设计方法，根据空间相机的散热面位置、卫星平台的阳光规避策略、卫星平台的机动成像角度、卫星平台所处轨道位置以及太阳矢量与地球静止轨道面夹角等因素，计算相机散热面法向矢量与太阳矢量的夹角，结合太阳常数确定热设计极端高温工况，在此条件下进行散热设计可以满足空间相机在轨寿命期间所有工况要求。

2、本发明提供的地球静止轨道空间相机阳光规避期间受照热设计方法，包括：

3、在空间相机坐标系下，表示出空间相机的散热面的法向矢量，将散热面的法向矢量变换至地心惯性坐标系；

4、在地心惯性坐标系下，表示出太阳矢量；

5、在地心惯性坐标系下，计算太阳矢量和散热面的法向矢量的夹角函数，根据空间相机的滚动角、俯仰角、偏航角、转动角度以及太阳矢量与地球静止轨道面的夹角，计算获得夹角函数的极小值；

6、在夹角函数取极小值条件下，结合太阳常数计算散热面上的辐射能量，将散热面上的辐射能量作为散热面热设计的阈值。

7、优选的，空间相机的入光口的前端连接有斜切式遮光罩。

8、优选的，空间相机搭载在卫星平台上。

9、优选的，在空间相机坐标系下，空间相机的散热面的法向矢量表示为 a=[ x,y,z]t，将空间相机坐标系下的散热面的法向矢量变换至地球静止轨道坐标系，在地球静止轨道坐标系下散热面的法向矢量 b为：

10、；

11、其中，表示空间相机的滚动角，表示空间相机的俯仰角，表示空间相机的偏航角；

12、将地球静止轨道坐标系下的散热面的法向矢量变换至地心惯性坐标系，在地心惯性坐标系下散热面的法向矢量 c为：

13、；

14、其中，表示空间相机的角速度，表示空间相机的转动时间。

15、优选的，在地心惯性坐标系下，太阳矢量 d表示为：

16、[]t；

17、其中，表示太阳矢量与地球静止轨道面的夹角。

18、优选的，在地心惯性坐标系下，通过反余弦定理获得太阳矢量和散热面的法向矢量的夹角函数α为：

19、。

20、与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

21、本发明针对空间相机上具体的散热面进行分析，在地心惯性坐标系下计算获得散热面的法向矢量和太阳矢量的夹角函数，并根据空间相机的散热面位置、卫星平台的阳光规避策略、卫星平台的机动成像角度、卫星平台所处轨道位置以及太阳矢量与地球静止轨道面夹角等获取夹角函数中的参数，在夹角函数取极小值得条件下确定极端高温工况，基于此时散热面上的辐射能量进行散热设计，在此条件下进行散热设计可以满足在轨寿命期间所有工况要求。本发明有效解决了现有技术中散热设计受卫星姿态、阳光规避策略等多因素影响无法直接通过计算外热流确定极端工况的问题，避免了极端高温工况选取不当对空间相机热设计的影响，保证了散热面受照期间空间相机的成像性能。

技术特征：

1.一种地球静止轨道空间相机阳光规避期间受照热设计方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的地球静止轨道空间相机阳光规避期间受照热设计方法，其特征在于，所述空间相机的入光口的前端连接有斜切式遮光罩。

3.如权利要求2所述的地球静止轨道空间相机阳光规避期间受照热设计方法，其特征在于，所述空间相机搭载在卫星平台上。

4.如权利要求2所述的地球静止轨道空间相机阳光规避期间受照热设计方法，其特征在于，在空间相机坐标系下，空间相机的散热面的法向矢量表示为a=[x,y,z]t，将空间相机坐标系下的所述散热面的法向矢量变换至地球静止轨道坐标系，在地球静止轨道坐标系下所述散热面的法向矢量b为：

5.如权利要求4所述的地球静止轨道空间相机阳光规避期间受照热设计方法，其特征在于，在地心惯性坐标系下，太阳矢量d表示为：

6.如权利要求5所述的地球静止轨道空间相机阳光规避期间受照热设计方法，其特征在于，在地心惯性坐标系下，通过反余弦定理获得太阳矢量和所述散热面的法向矢量的夹角函数α为：

技术总结本发明涉及航天器热控制技术领域，具体提供一种地球静止轨道空间相机阳光规避期间受照热设计方法，将空间相机坐标系下的散热面法向矢量变换到地心惯性坐标系下，并计算散热面法向矢量与太阳矢量的夹角，该夹角是关于卫星阳光规避策略、机动成像角度、卫星所处轨道位置、太阳矢量与轨道面夹角等设计参数变量的函数，在以上设计参数变量确定后，可得到该夹角随各设计参数的变化规律，在夹角函数取极小值条件下，即可获得极端高温工况下的散热面上的热辐射。本发明有效解决了现有技术中散热设计受卫星姿态、阳光规避策略等多因素影响，无法直接通过计算外热流确定极端工况的问题，避免了极端高温工况选取不当对空间相机热设计的影响。技术研发人员：关洪宇,张学军,韩诚山,江帆,王蕾,于善猛,许艳军,李学超,鲍赫,李祥之受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所技术研发日：技术公布日：2024/7/29