广角极光成像仪热控关键技术研究

发布时间：2020-07-11 17:34

【摘要】：广角极光成像仪是我国第一台近地轨道超大视场远紫外波段(FUV)成像设备,具有两个光机结构完全相同、安装位置中心对称的镜头。镜头中采用离轴反射光学系统,单个镜头的视场角为68°×10°,经过两个镜头的拼接后得到的瞬时视场角是130°×10°。为了保证能够在高度为830km的近地轨道覆盖整个极光卵,成像仪通过绕+Y轴转动的两个镜头获得130°×130°超大视场角。广角极光成像仪的主要任务是完成全球N2分子辐射的LBH带和极光椭圆区的探测任务,其光学成像谱段是140nm~180nm。为了阻止带外紫外波段的光进入探测器中,成像仪选用了厚度为2mm的Ba F2滤光片。随着温度的升高,Ba F2滤光片截止波段的最小波长向长波方向移动。当温度在107℃~140℃范围内,Ba F2滤光片的最小截止波长大约为140nm。广角极光成像仪热控子系统是保证成像仪正常工作的必要条件,尤其是滤光片的热控是广角极光成像仪研制的关键技术之一。本文主要是依据广角极光成像仪的热控系统设计开展论文工作。文中首先概述了极光观测的发展和意义,并总结了国内主要紫外波段成像设备的研究状况。其次针对广角极光成像仪的工作特点,计算出成像仪姿态变换条件下的外热流数值。该方法能够计算出成像仪的实时地磁纬度和姿态变化。在对成像仪镜头进行合理的简化后,采用环境映射面理论和蒙特卡洛法(MCM),最终得到成像仪正常在轨工作条件下各面外热流曲线。然后对Ba F2滤光片组件开展详细的热设计和试验研究,保证滤光片温度能够实现光学短波截止的功能。基于系统灵敏度理论,以影响热阻的因素作为设计变量,找到影响镜筒温度的敏感变量。依据灵敏度仿真分析结果,提出高温滤光片的详细热设计方案。并根据试验结果,确定了Ba F2滤光片最佳的热控方案,并完成了140nm~180nm波长范围的透过率测试。随后详细介绍了广角极光成像仪光机结构和热控系统设计。利用IDEAS/TMG软件建立有限元模型。热仿真结果显示成像仪各主要组件的温度均在热控指标范围内,热控系统能够为成像仪工作提供合适的环境保障。最后,根据广角极光成像仪的热设计和热仿真分析结果,开展了成像仪整机热平衡试验。在热平衡试验极端低温和极端高温工况下,滤光片平均温度可以分别达到107℃和140℃,其控温稳定度优于1.5℃/2min。成像仪其他主要组件的温度均满足要求。热试验充分表明了成像仪热控系统设计的有效性和热仿真分析的正确性。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH765;V447

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本文编号：2750711