为满足搭载于高空气球平台的地-月成像光谱仪的长时观测需求, 对其载荷系统进行了热设计。分析了载荷系统的热环境, 建立了载荷系统的换热模型, 利用Spearman等级相关系数公式以及反向传播神经网络与Garson公式结合的BP-Garson方法对影响载荷系统温度水平的主要参数进行了全局灵敏度分析, 详细阐述了载荷系统的热设计方案。利用I-DEAS/TMG软件建立了载荷系统的有限元模型, 对冬至、夏至两工况进行了仿真分析。仿真结果显示: 在冬至与夏至工况下, 气球放飞2 h内光谱仪均能快速降温至-5 ℃, 光谱仪维持(-5±2) ℃温度水平大于3.5 h, 光学窗口温度高于海拔20 km当地露点温度, 满足设计指标, 热控方案合理。该研究方法对球载光学遥感器的热设计具有一定的指导和借鉴作用。

为了获取中高轨道变姿态空间相机准确的外热流数据, 提出一种求解其变姿态外热流的方法。以地球静止轨道空间相机为例, 首先确定卫星-太阳-地球三者之间的相对位置关系; 然后, 根据相机对日成像的工作任务确定其不同时刻的姿态; 最后, 根据相机姿态变化后的环境映射面以及直接积分法获得的辐射角系数计算相机各表面的瞬时外热流。计算结果表明, 在相同轨道条件下, 相机由于在轨姿态变化导致其接受到的外热流总和比姿态恒定的相机有所减少, 其中春分日总热流减少372.5 W/m2, 冬至日总热流减少771.5 W/m2。入光口所在的+X面外热流增大了2倍左右, 该面进出地球阴影区时外热流在0~1 378 W/m2之间剧烈波动。计算结果可指导相机热设计, 该方法同样适用于多维变姿态航天器的外热流计算。

为了得到准确的二维变姿态空间相机外热流数据, 提出了一种在J2000坐标系下进行二维变姿态空间相机的外热流算法。首先, 在J2000坐标系下确定了相机的位置、太阳的位置及其辐射强度; 其次, 根据空间相机的视轴始终指向太阳的工作特点及太阳的位置, 计算出其在极端情况下的二维姿态角; 然后, 根据得到的姿态角计算出姿态变换矩阵。最后, 利用Matlab编程计算出一个轨道周期内的不变姿态以及二维变姿态条件下的复杂外热流。该方法计算得到的不变姿态外热流与I-deas/TMG软件得到的结果能够很好地吻合。与姿态不变的相机相比, 相机二维姿态的变化会导致其外热流发生较大的变化, 尤其是入光口所在的-Y面, 其太阳直射热流的波动范围为0~1 394 W/m2。得到的姿态角为热仿真模型姿态的调整提供了重要参考。由变姿态外热流数据可以看出, -Z面的外热流最小, 其最大平均外热流小于4 W/m2。另外±X面和+Y面的外热流也较小, ±X面最大平均外热流小于80 W/m2, +Y面最大平均外热流小于110 W/m2。在实际应用中, 由于卫星平台的遮挡, ±X面和+Y面的外热流会更小, 因此可以将-Z面, ±X面和+Y面作为散热面, 为热设计工作提拱了很好的指导。