一种用于提高定标速度的多级星上定标装置的制作方法

1.本发明涉及一种用于提高定标速度的多级星上定标装置，属于温度控制技术领域，尤其适用于面积大，温度均匀性要求高的多级星载红外定标黑体装置的设计。


背景技术：

2.星载红外相机发射入轨后，受空间环境及本身老化等因素的影响，其性能会发生变化，此外，星载红外相机各探测元的响应非均匀性及随时间的变化会影响成像质量，如不进行在轨辐射定标，则会影响图像应用。在轨定标的方法很多，包括交叉定标，替代定标以及半光路定标和全光路定标等，每种定标方法都有其优点和局限性，对于口径较大的红外相机，通常采用半光路定标，即采用置于相机内的黑体作为辐射源对其进行星上辐射定标。此外，马文坡等人的研究表明固定温度点的黑体定标局限了其可标定的温度范围，导致辐射定标精度偏低，难以满足用户对于数据日益严格的定量化使用要求，因此黑体一般需要多级定标。
3.星载红外定标黑体的温度均匀性要求很高，一般要求优于
±
0.1℃。见文献《星上红外遥感相机的辐射定标技术发展综述》。随着遥感器口径的越来越大，内定标黑体的面积也越来越大，黑体温度均匀性的实现难度也相应增大，主要体现在以下几个方面；1)黑体质量大；随着黑体面积的增大，为满足黑体温度均匀性要求，黑体的厚度也越来越厚，因而质量也越来越大。王强[含微腔面式黑体温度均匀性优化设计与评价]等人设计的直径100mm，温度均匀性优于0.1℃的紫铜材质的黑体，其厚度超过了5mm。2)黑体体积大，为满足大口径黑体的高均温性要求，需要用很厚的隔热垫对黑体与其安装结构之间进行隔热，《星载微波辐射计定标热源研究》中的黑体采用了隔热材料+螺钉紧固固定，这会使得黑体的体积大，而黑体体积越大需要光路开的豁口就越大，对光路设计的影响也越大。。3)黑体定标速度慢。质量大的黑体热容也大，这会使得黑体多级定标时的升、降温时间长，而时间长会导致多级定标黑体的可用性差，使用频次低。
[0004]
以上分析知，传统定标黑体设计存在温度均匀差、质量大、体积大、定标速度慢的缺点。难以满足大口径星上定标黑体的发展需求。


技术实现要素：

[0005]
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种温度均匀性好，不同温度间切换速度快，定标范围宽、质量轻，体积小的多级星上定标黑体装置。
[0006]
本发明的技术方案是：一种用于提高定标速度的多级星上定标装置，该装置包括黑体、控制器、控温元件、温度传感器、绳、安装板、电机、传动机构；
[0007]
黑体通过绳与安装板悬空固定，黑体背面粘贴控温元件和温度传感器，并整体包覆多层隔热组件进行辐射隔热；安装板固定安装在传动机构上，电机用于驱动传动机构运动；
[0008]
在星载红外相机对目标成像时，电机正转驱动传动机构带着黑体置于星载红外相
机光路外，当进行星上辐射定标时，控制器根据温度传感器采集得到的温度，通过控温元件将黑体控制到预设温度，然后控制器控制电机反转，驱动传动机构带着黑体切入光路，完成星上辐射定标后移出光路。
[0009]
优选地，所述黑体为矩形，每条边向外设有个凸台，凸台的中间设有平行于边长的通孔；安装板平面上设有个固定座和对固定圆柱，固定座为弧形柱结构，且中间带有凹槽；黑体放置在安装板上，个固定座位于黑体的个角处；
[0010]
所述绳首先绕在安装板上的第一个固定座的凹槽上，穿过黑体上的第一个凸台中的通孔，再绕在安装板上的第二个固定座的凹槽上、穿过黑体上的第二个凸台中的通孔，然后绕在安装板上的第三个固定座的凹槽上，穿过黑体上的第三个凸台中的通孔，接着绕在安装板上的第四个固定座的凹槽上，穿过黑体上的第四个凸台中的通孔，最后，绳的两端拉紧后，分别绕在两个固定圆柱上点胶固定。
[0011]
优选地，所述用于提高定标速度的多级星上定标装置还包括个限位块，安装板上设有个限位座，限位块安装在安装板的限位座上，个限位块位于在黑体的个凸台的上方，将黑体限制在限位块与安装板之间。
[0012]
优选地，在限位块与安装板朝向黑体侧分别局部设置一块柔性垫片。
[0013]
优选地，所述限位块优选铝合金，柔性垫片优选硅橡胶垫片、橡胶垫片。
[0014]
优选地，所述黑体采用金属铜加工而成，黑体正面开v型槽。黑体背面有加强筋，温度传感器粘贴在加强筋上，控温元件避开加强筋位置。
[0015]
优选地，所述控温元件为加热元件或制冷元件，如果环境温度低于黑体预设温度，则在黑体背面粘贴加热元件，如果环境高于黑体预设温度，则在黑体背面粘贴制冷元件。
[0016]
优选地，所述温度传感器选用铂电阻温度传感器。
[0017]
优选地，所述电机优选步进电机，传动机构优选齿轮传动机构。
[0018]
优选地，所用绳优选聚酰亚胺绳或者玻璃纤维绳。
[0019]
本发明与现有技术相比的优点在于：
[0020]
(1)、本发明黑体采用绳拉悬空固定，黑体与安装板的总导热热阻达到10000℃/w以上，导热漏热可以忽略不计，黑体温度均匀性好。
[0021]
(2)、本发明采用绳穿过黑体凸台中的通孔与安装板上的角固定器连接固定，既确保了黑体与安装板之间有足够长的导热传热距离。又确保了黑体组件在光路方向即垂直黑体表面的方向上尺寸小，便于黑体进出光路。
[0022]
(3)、同样的温度均匀性指标下，本发明黑体厚度更薄，重量更轻，热容更小，黑体多级定标时的升、降温时间更短，而且定标范围更宽。
[0023]
(4)、本发明将绳拉固定与限位块限位结合，既确保黑体组件的力学性能满足火箭发射的力学环境要求，又确保黑体组件整体在光路方向上的尺寸小，对光路设计影响小。
附图说明
[0024]
图1(a)为本发明实施例中的黑体背面视图；
[0025]
图1(b)为本发明实施例中的黑体正面视图；
[0026]
图1(c)为本发明实施例中的黑体侧面视图；
[0027]
图1(d)为本发明实施例中的黑体图1(c)局部放大视图；
[0028]
图2(a)为本发明实施例中的安装板结构俯视图；
[0029]
图2(b)为本发明实施例中的安装板结构侧视图；
[0030]
图3(a)为本发明实施例中的黑体组件装配体的结构示意图；
[0031]
图3(b)为本发明实施例中的黑体组件装配体的剖视图；
[0032]
图3(c)为本发明实施例中图3(b)的局部放大图；
[0033]
图4为本发明实施例定标装置总体结构图；
[0034]
图5为本发明实施例中黑体定标345k的温度场云图；
[0035]
图6为本发明实施例中黑体定标300k的温度场云图；
[0036]
图7为本发明对比例2中黑体定标345k的温度场云图；
具体实施方式
[0037]
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0038]
如图4所示，本发明一种用于提高定标速度的多级星上定标装置，包括黑体1、控制器10、控温元件2、温度传感器3、绳7、安装板4、电机11、传动机构12；黑体背面布置有控温元件和温度传感器，二者与控制器连接，通过控制器实现对黑体的多级控温。
[0039]
黑体1通过绳7与安装板4悬空固定，黑体2背面粘贴控温元件2和温度传感器3，并整体包覆多层隔热结构13进行辐射隔热；安装板4固定安装在传动机构12上，电机用于驱动传动机构12运动；
[0040]
在星载红外相机对目标成像时，电机1正转驱动传动机构12带着黑体1置于星载红外相机光路外，当进行星上辐射定标时，控制器10根据温度传感器3采集得到的温度，通过控温元件2将黑体1控制到预设温度，然后控制器10控制电机反转，驱动传动机构12带着黑体1切入光路，完成星上辐射定标后移出光路。
[0041]
如图1(a)～图1(d)所示，所述黑体1为矩形，每条边向外设有1个凸台，凸台的中间设有平行于边长的通孔；安装板4平面上设有4个固定座5和1对固定圆柱6，固定座5为弧形柱结构，且中间带有凹槽；黑体1放置在安装板4上，4个固定座5位于黑体的4个角处；
[0042]
所述绳7首先绕在安装板上的第一个固定座5的凹槽上，穿过黑体1上的第一个凸台中的通孔，再绕在安装板上的第二个固定座5的凹槽上、穿过黑体1上的第二个凸台中的通孔，然后绕在安装板上的第三个固定座5的凹槽上，穿过黑体1上的第三个凸台中的通孔，接着绕在安装板上的第四个固定座5的凹槽上，穿过黑体1上的第四个凸台中的通孔，最后，绳7的两端拉紧后，分别绕在两个固定圆柱6上点胶固定。
[0043]
本发明采用绳穿过黑体凸台中的通孔与安装板上的角固定器连接固定，既确保了黑体与安装板之间有足够长的导热传热距离。又确保了黑体组件在光路方向即垂直黑体表面的方向上尺寸小，便于黑体进出光路。
[0044]
多级星上定标装置，其特征在于还包括4个限位块8，安装板上设有4个限位座，限位块8通过螺钉安装在安装板的限位座上，4个限位块8位于在黑体1的4个凸台的上方，将黑体1限制在限位块8与安装板4之间。在限位块8与安装板4朝向黑体1侧分别局部设置一块柔性垫片9。
[0045]
本发明通过限位座以及柔性垫片对黑体的可移动范围进行限制，确保黑体在火箭发射振动时不受损伤。
[0046]
优选地，所述黑体由热导率大于180w/(m.k)的材质制成，黑体朝向探测器的表面为正面，开v槽，喷黑漆，黑体背面安装控温元件和温度传感器，控温元件主要包括加热元件或制冷元件。加热元件可以是薄膜型加热器，而制冷元件可以是半导体制冷器，如果环境温度低于黑体预设温度，则在黑体背面粘贴薄膜型加热器，加热器根据黑体外形设计，尽量布满整个黑体的背面。如果环境高于黑体预设温度，则在黑体背面粘贴半导体制冷器。温度传感器优选测温精度优于
±
0.01℃的pt1000铂电阻。温度传感器3粘贴在加强筋上，控温元件避开加强筋位置。。
[0047]
所述绳优选导热性能较差，同时力学性能满足要求的聚酰亚胺绳，或者玻璃纤维绳。所述安装板优选铝合金板，所述限位块优选铝合金块，柔性垫片优选硅橡胶垫片或橡胶垫片，以确保火箭发射振动时黑体和安装板不会撞伤。所述电机优选步进电机，传动机构优选齿轮传动结构。
[0048]
实施例：
[0049]
黑体为长方形，尺寸为110mm
×
130mm，见图1，要求黑体温度均匀性优于0.1℃，稳定性优于
±
0.1℃/30min。以环境温度为20℃，低于黑体多级定标温度(300k，320k，345k)为例，设计黑体组件如下：如图1所示，黑体1采用导热性能优异，热容小的紫铜t4加工而成，黑体背面有筋，黑体正面有v型槽，黑体正面喷黑漆处理。黑体1背面用硅橡胶粘贴厚度约0.1mm的薄膜型电加热器2，除4根加强筋外，电加热器布满整个黑体背面。在黑体1背面的2根较粗的加强筋中分别有1个圆形孔洞，用于粘贴2支圆柱型的温度传感器3。温度传感器3和电加热器2通过控制器10的pid算法进行控温。黑体1背面整体包覆10个单元低温多层隔热组件13进行辐射隔热。黑体周边每条边中间上有1个凸台，4条边共计4个。每个凸台中心有一个用于直径1.5mm左右的用于穿线的通孔。
[0050]
如图2(a)和图2(b)所示，安装板4上加工有4个用于固定绳的角固定座5，2个用于最终点胶固定绳的固定圆柱6以及4组用于固定限位块的安装孔。如图3(a)～(c)所示，所述绳7首先绕在安装板上的第一个固定座5的凹槽上，穿过黑体1上的第一个凸台中的通孔，再绕在安装板上的第二个固定座5的凹槽上、穿过黑体1上的第二个凸台中的通孔，然后绕在安装板上的第三个固定座5的凹槽上，穿过黑体1上的第三个凸台中的通孔，接着绕在安装板上的第四个固定座5的凹槽上，穿过黑体1上的第四个凸台中的通孔，最后，绳7的两端拉紧后，分别绕在两个固定圆柱6上点胶固定。4个限位块8固定在黑体1的4个凸台的上方，将黑体凸台限制在限位块与安装板之间，在限位块与安装板朝向黑体侧分别局部设置一块柔性垫片9。黑体凸台与上下垫片之间距离均约0.2mm，确保黑体组件在火箭发射振动时不会损伤。当进行星上辐射定标时，控制器10控制控温元件将黑体1控制到预设温度，然后控制器控制电机及传动机构11驱动黑体组件切入光路，完成星上辐射定标后移出光路。
[0051]
上述具体实施方式中的黑体1优选紫铜t4加工而成，黑体正面有v型槽，黑体正面喷黑漆处理，发射率实测可达0.97，黑体平均厚度仅为1.4mm。所述黑体重量仅为209g。热容仅73j/℃。温度传感器3优选4线制pt1000铂电阻温度传感器，标定精度优于
±
0.01℃。控制器10采用具有高精度测控温能力控温设备，其温度采集系统能力优于
±
0.01℃，所述多层隔热组件13由具有低发射率的反射屏和低导热率的隔离层相互交替叠合而成，每一层反射屏和一层隔离层的组合为一个单元。优选10单元的低温隔热多层组件，其等效发射率小于0.03。
[0052]
所述绳7优选直径1mm的聚酰亚胺绳或玻璃纤维绳，柔性垫片9优选硅橡胶垫片。限位块优选铝合金材料，限位块总高仅5.5mm。安装板优选铝合金材料，厚度为4mm，黑体及其固定组件的总厚度仅为9.5mm，体积小，便于黑体进出光路。所述电机11优选步进电机，传动机构12优选齿轮传动机构12，黑体组件安装在齿轮传动机构12上，当电机11正转时，齿轮传动机构12将黑体1送入光路中，当电机11反转时，齿轮传动机构12将黑体组件送至光路外。见图4。
[0053]
从黑体1到四个角固定座5共计通过8段绳连接，总导热热阻为8段绳导热热阻的并联值。由图3知其中4段绳长46mm，另4段长57mm。导热热阻计算公式如下；δ-绳子长度mm，a-绳的横截面积,绳子直径为1mm；λ-绳的导热系数，聚酰亚胺绳的导热系数为0.4w/m.k。则8段绳的并联的总热阻r为20267℃/w。根据总导热漏热量等于温差/总导热热阻，即使黑体与角安装座的温差为100℃，二者之间的总导热漏热量也仅为0.005w。
[0054]
由于本发明的黑体导热漏热小，当环境温度为20℃即293.15k，黑体定标为最高温度345k时，黑体从293.15k升温至345k的时间约360s，黑体在345k附近时的温度场见图5，最大温差为0.09k。由于黑体背面有筋的地方无电加热器，所以温度场非严格中心对称。黑体从最高标定温度345k降温至最低标定温度300k需时1668s，此时黑体温度均匀性为0.01k，见图6。
[0055]
对比例1，黑体与安装板等均不变，只改变黑体在安装板上的固定形式，即采用传统做法，在黑体周边的4个凸台与安装板之间垫4个面积与凸台相当的聚酰亚胺隔热垫，并用钛合金螺钉紧固固定。4个隔热垫横截面积均为外径10mm，内径4.5mm的圆柱形垫片，钛合金螺钉直径为4mm。则要达到相同的隔热效果，需要聚酰亚胺垫片的厚度约9000mm，体积巨大，远超出一般相机光路系统的尺寸，黑体组件无法进出光路。
[0056]
对比例2，黑体与安装板等均不变，只改变黑体在安装板上的固定形式，仍然采用传统做法，聚酰亚胺隔热垫以及钛合金螺钉的横街面积均与对比例1相同，调整隔热垫的高度，使得对比例2的黑体及隔热垫的总高度与本发明的限位块的高度5.5mm相当，因为黑体凸台的厚度为3mm，所以聚酰亚胺隔热垫的厚度仅为2.5mm，则此时对比例2的4个隔热垫加螺钉的总隔热热阻约25℃/w。当温差为100℃，漏热量达到4w。当环境温度同样为293.15k，黑体定标为最高温度的345k时，黑体最大温差达到0.8k，见图7，而相同定标温度345k下，本发明的最大温度仅为0.09k，二者差了接近一个量级。
[0057]
通过以上分析知：本发明黑体组件具有温度均匀性好，重量轻，热容小，体积小，升降温速度快的优势。
[0058]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

技术特征：
1.一种用于提高定标速度的多级星上定标装置，其特征在于包括黑体(1)、控制器(10)、控温元件(2)、温度传感器(3)、绳(7)、安装板(4)、电机(11)、传动机构(12)；黑体(1)通过绳(7)与安装板(4)悬空固定，黑体(2)背面粘贴控温元件(2)和温度传感器(3)，并整体包覆多层隔热组件(13)进行辐射隔热；安装板(4)固定安装在传动机构(12)上，电机(11)用于驱动传动机构(12)运动；在星载红外相机对目标成像时，电机(1)正转驱动传动机构(12)带着黑体(1)置于星载红外相机光路外，当进行星上辐射定标时，控制器(10)根据温度传感器(3)采集得到的温度，通过控温元件(2)将黑体(1)控制到预设温度，然后控制器(10)控制电机反转，驱动传动机构(12)带着黑体(1)切入光路，完成星上辐射定标后移出光路。2.根据权利要求1所述的一种用于提高定标速度的多级星上定标装置，其特征在于所述黑体(1)为矩形，每条边向外设有1个凸台，凸台的中间设有平行于边长的通孔；安装板(4)平面上设有4个固定座(5)和1对固定圆柱(6)，固定座(5)为弧形柱结构，且中间带有凹槽；黑体(1)放置在安装板(4)上，4个固定座(5)位于黑体的4个角处；所述绳(7)首先绕在安装板上的第一个固定座(5)的凹槽上，穿过黑体(1)上的第一个凸台中的通孔，再绕在安装板上的第二个固定座(5)的凹槽上、穿过黑体(1)上的第二个凸台中的通孔，然后绕在安装板上的第三个固定座(5)的凹槽上，穿过黑体(1)上的第三个凸台中的通孔，接着绕在安装板上的第四个固定座(5)的凹槽上，穿过黑体(1)上的第四个凸台中的通孔，最后，绳(7)的两端拉紧后，分别绕在两个固定圆柱(6)上点胶固定。3.根据权利要求2所述的一种用于提高定标速度的多级星上定标装置，其特征在于还包括4个限位块(8)，安装板上设有4个限位座，限位块(8)安装在安装板的限位座上，4个限位块(8)位于在黑体(1)的4个凸台的上方，将黑体(1)限制在限位块(8)与安装板(4)之间。4.根据权利要求3所述的一种用于提高定标速度的多级星上定标装置，其特征在于在限位块(8)与安装板(4)朝向黑体(1)侧分别局部设置一块柔性垫片(9)。5.根据权利要求4所述的一种用于提高定标速度的多级星上定标装置，其特征在于所述限位块优选铝合金，柔性垫片优选硅橡胶垫片、橡胶垫片。6.根据权利要求1所述的一种用于提高定标速度的多级星上定标装置，其特征在于：所述黑体(1)采用金属铜加工而成，黑体(1)正面开v型槽。黑体背面有加强筋，温度传感器(3)粘贴在加强筋上，控温元件避开加强筋位置。7.根据权利要求1所述的一种用于提高定标速度的多级星上定标装置，其特征在于：所述控温元件为加热元件或制冷元件，如果环境温度低于黑体预设温度，则在黑体背面粘贴加热元件，如果环境高于黑体预设温度，则在黑体背面粘贴制冷元件。8.根据权利要求1所述的一种用于提高定标速度的多级星上定标装置，其特征在于：所述温度传感器(3)选用铂电阻温度传感器。9.根据权利要求1所述的一种用于提高定标速度的多级星上定标装置，其特征在于所述电机(11)优选步进电机，传动机构(12)优选齿轮传动机构。10.根据权利要求1～9任一项所述的一种用于提高定标速度的多级星上定标装置，其特征在于：所用绳(7)优选聚酰亚胺绳或者玻璃纤维绳。

技术总结
本发明为一种用于提高定标速度的多级星上定标装置，包括黑体、控制器、控温元件、温度传感器、绳、安装板及其上的角固定座与固定圆柱、限位块、胶垫、电机以及传动机构、多层。所述绳穿过黑体4个凸台中的通孔，然后与安装板上的四个角固定座连接。绳拉紧后最终绕在固定圆柱上点胶固定。4个限位块固定在黑体4个凸台的上方，将黑体限制在限位块与安装板之间，在限位块与安装板朝向黑体侧分别局部设置一块柔性垫片，黑体背面粘贴控温元件和高精度温度传感器。温度传感器和控温元件通过控制器进行多级控温。黑体背面整体包覆多层隔热组件(MLI)进行辐射隔热。通过控制器控制电机及传动结构运转来控制黑体进、出光路。本发明具有温度均匀性好，多级定标温度间切换速度快、定标范围宽、质量轻，体积小的特点。体积小的特点。体积小的特点。


技术研发人员：阳明 罗世魁 高超 王磊 宋欣阳 于峰 赵宇 曹东晶 贾宇
受保护的技术使用者：北京空间机电研究所
技术研发日：2022.12.13
技术公布日：2023/7/11