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非对称空间光学遥感器主动热控系统多目标优化设计

张帆,李景林,孙斌,张军,王书新

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张帆, 李景林, 孙斌, 张军, 王书新. 非对称空间光学遥感器主动热控系统多目标优化设计[J]. , 2016, 9(4): 463-471. doi: 10.3788/CO.20160904.0463
引用本文: 张帆, 李景林, 孙斌, 张军, 王书新. 非对称空间光学遥感器主动热控系统多目标优化设计[J]. , 2016, 9(4): 463-471.doi:10.3788/CO.20160904.0463
ZHANG Fan, LI Jing-lin, SUN Bin, ZHANG Jun, WANG Shu-xin. Design of asymmetric space optical remote sensor active thermal control system by multi-objective optimization[J]. Chinese Optics, 2016, 9(4): 463-471. doi: 10.3788/CO.20160904.0463
Citation: ZHANG Fan, LI Jing-lin, SUN Bin, ZHANG Jun, WANG Shu-xin. Design of asymmetric space optical remote sensor active thermal control system by multi-objective optimization[J].Chinese Optics, 2016, 9(4): 463-471.doi:10.3788/CO.20160904.0463

非对称空间光学遥感器主动热控系统多目标优化设计

doi:10.3788/CO.20160904.0463
基金项目:

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目No.863-2-5-1-13B

详细信息
    通讯作者:

    张帆(1979-),男,辽宁锦州人,博士,助理研究员,2003年于宁波大学获得学士学位,2008年、2011年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所分别获得硕士、博士学位,主要从事空间相机光机结构、热设计及仿真分析方面的研究。E-mail:zhangfan@ciomp.ac.cn

  • 中图分类号:TP394.1;TH691.9

Design of asymmetric space optical remote sensor active thermal control system by multi-objective optimization

Funds:

National High-tech R & D Program of ChinaNo.863-2-5-1-13B

More Information
  • 摘要:针对大口径、离轴、非对称结构的空间光学遥感器主动热控功率最小分配的难题,提出一种基于多目标遗传算法的功率优化方法。首先根据空间相机结构建立有限元模型。然后,凭借设计者的经验,根据相机结构特点及大致热分布规律,初步划分热控区域,规划设计变量和目标变量。之后,将设计变量和目标变量代入多目标遗传算法求出Pareto最优解集。最后,在最优解集中选出合适的功率分配代入到仿真模型中进行计算,得到优化后的功率分配及温度场。对某离轴三反空间相机进行了功率优化和地面热平衡试验。经TMG仿真计算,优化后整机波动范围在低温工况和高温工况分别降低了4.76%和35.7%,并且总功耗降低了6.85%。经地面热平衡试验表明,整机温度场温差控制在±0.5℃以内,满足±2℃的指标要求。

  • 图 1多目标遗传算法框图

    Figure 1.Diagram of multi-objective genetic algorithm

    图 2某非对称结构空间光学遥感器热控区域分布图

    Figure 2.Thermal control area distribution of a space optical remote with non-symmetrical structure

    图 3常规主动热控设计流程

    Figure 3.Framework of common active thermal control design

    图 4稳态温度分布

    Figure 4.Steady-state temperature distribution

    图 5多目标优化循环结构

    Figure 5.Loop structure of multi-objective optimization

    图 6运算结果中的Pareto解集

    Figure 6.Pareto set in calculation results

    图 7优化后低温工况温度分布

    Figure 7.Cryogenic temperature distribution after optimization

    图 8优化后高温工况温度分布

    Figure 8.Temperature distribution under high temperature conditions after optimization

    图 9热平衡试验装置

    Figure 9.Thermal balance testing device

    图 10低温24 ℃工况温度曲线

    Figure 10.Cryogenic temperature curves at 24 ℃

    图 11高温16 ℃工况温度曲线

    Figure 11.Temperature curves of high temperature conditions at 16 ℃

    表 1相机热控分区

    Table 1.Thermal control district of cameras

    序号 加热区位置
    H1 左梁前段
    H2 左梁后段
    H3 右梁前段
    H4 右梁后段
    H5 次镜背板
    H6 折迭镜背板
    H7 支撑板
    H8 焦面
    H9 遮光罩1
    H10 遮光罩2
    H11 遮光罩3
    H12 遮光罩4
    H13 三镜对应背板
    H14 主镜对应背板
    H15 支撑架1
    H16 支撑架2
    H17 支撑架3
    H18 电控箱
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    表 2常规方法分区热控功率分配

    Table 2.Power distribution of common subarea thermal control

    序号 设计功率/W
    H1 8
    H2 8
    H3 16
    H4 16
    H5 4
    H6 12
    H7 6
    H8 0
    H9 5
    H10 5
    H11 5
    H12 5
    H13 15
    H14 16
    H15 3
    H16 3
    H17 3
    H18 0
    总功率 130
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    表 3设计变量编号及位置

    Table 3.Designed variable number and location

    编号 加热区位置
    H1 左梁前段
    H2 左梁后段
    H3 右梁前段
    H4 右梁后段
    H5 次镜背板
    H6 折迭镜背板
    H7 支撑板
    H9 遮光罩
    H10 三镜对应背板
    H11 主镜对应背板
    H12 支撑架1
    H13 支撑架2
    H14 支撑架3
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    表 4目标变量编号及位置

    Table 4.Target variable number and location

    编号 代表区域 节点号 目标/℃
    ZJ 主镜 12058 20
    CJ 次镜 10368 20
    SJ 三镜 11244 20
    ZDJ 折叠镜 11655 20
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    表 5设计变量的约束

    Table 5.Constraints of the designed variables

    编号 上边界/mW 下边界/mW
    H1 1×106 5.6×107
    H2 1×106 5.6×107
    H3 1×106 5.6×107
    H4 1×106 5.6×107
    H5 1×106 5.6×107
    H6 1×106 5.6×107
    H7 1×106 5.6×107
    H9 1×106 5.6×107
    H10 1×106 5.6×107
    H11 1×106 5.6×107
    H12 1×106 5.6×107
    H13 1×106 5.6×107
    H14 1×106 5.6×107
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    表 6整理后的优化结果

    Table 6.Optimization results after finishing

    编号 优化结果
    H1 7
    H2 8.3
    H3 16
    H4 12.3
    H5 3
    H6 10.5
    H7 6
    H9 18.2
    H10 15.2
    H11 15.8
    H12 3
    H13 3
    H14 2.8
    总功率 121.1
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    表 7优化前后稳态分析结果对比

    Table 7.Results contrast of steady-state analysis before and after optimization

    名称 优化前/℃ 优化后/℃ 优化率/%
    低温工况 高温工况 低温工况 高温工况 低温工况 高温工况
    主镜 18.8~19.5 19.0~19.9 18.8~19.4 19.0~19.6 14.3 33.3
    次镜 18.8~19.0 20.0~20.1 18.8~19.0 20.0~20.1 0 0
    三镜 20.7~20.9 20.4~20.7 20.7~20.8 20.4~20.6 50 33.3
    折叠镜 19.7~20.1 20.3~20.4 19.8~20.1 20.3~20.4 25 0
    整机 18.8~20.9 19.1~21.9 18.8~20.8 19.1~20.9 4.76 35.7
    总功耗 130 W 121.1 W 6.85%
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  • [1] 卢锷,颜昌翔,吴清文,等.空间光学遥感器环境适应性设计与试验研究[J].中国光学与应用光学,2009,10(5):364-376.

    LU E,YAN CH X,WU Q W,et al.. Research on adaptability of optical remote sensors in mechanical and space thermal environments[J]. Chinese J. Optics and Applied Optics,2009,10(5):364-376.(in Chinese)
    [2] 辛宏伟,关英俊,李景林,等.大孔径长条反射镜支撑结构的设计[J].光学 精密工程,2011,19(07):1560-1567.

    XIN H W,GUAN Y J,LI J L,et al.. Design of support for large aperture rectangular mirror[J]. Opt. Precision Eng.,2011,19(07):1560-1567.(in Chinese)
    [3] HOLLAND J H. Adaptive of Natural and Artificial Systems[M]. Michigan:University of Michigan Press,1975.
    [4] GOLDBERG D E. Genetic Algorithm in Search, Optimization and Machine Learning[M]. Reading,Massachusetts:Addison Wesley Longman,Inc,1989:152-154.
    [5] DAVIEL D. Handbook of Genetic Algorithm[M]. New York:Van Nostrand Reinhold,1991:345-248.
    [6] DEB K,AGRAWAL S,PRATAP A,et al.. A fast elitist non-dominated sorting genetica algorithm for multi-objective optimization: NSGA-II[C]. Proceedings of the Parallel Problem Solving from Nature VI Conference. Paris France,2000:848-859.
    [7] 李小玉,郑建华,吴霞,等.基于多目标遗传算法的太阳高纬探测器轨道设计[J].空间科学学报,2011,31(5):653-658.

    LI X Y,ZHENG J H,WU X,et al.. Sun polar probe trajectory design based on multi-objective genetic algorithm[J]. Chin. J. Space Sci.,2011,31(5):653-658.(in Chinese)
    [8] VAN VELDHUIZEN D A,LAMONT G B. Multiobjective evolutionary algorithms:analyzing the state-of-theart[J]. Evolutionary Computation,2000,8(2):125-147.
    [9] 訾克明,吴清文,李泽学,等.空间光学遥感器的热设计实例及仿真分析[J].计算机仿真,2008,25(12):77-80.

    ZI K M,WU Q W,LI Z X,et al.. Simulation analysis of a space optical remote-sensor's thermal design[J]. Computer Simulation,2008,25(12):77-78.(in Chinese)
    [10] 杨献伟,吴清文,李书胜,等.空间光学遥感器热设计[J].中国光学,2011,4(2):139-146.

    YANG X W,WU Q W,LI SH SH,et al. Thermal design of space optical remote sensor[J]. Chinese Optics,2011,4(2):139-146.(in Chinese)
    [11] 张星祥,任建岳.TMA空间相机性能稳定性的全状态分析与测试[J].红外与 工程,2014,43(9):2996-3004.

    ZHANG X X,REN J Y. Analysis and testing on imaging-performance stability of TMA space camera at various states[J]. Infrared and Laser Engineering,2014,43(9):2996-3004.(in Chinese)
    [12] 任建岳,陈长征,何斌,等.SiC和SiC/Al在TMA空间遥感器中的应用[J].光学 精密工程,2008,16(12):2537-2543.

    REN J Y,CHEN CH ZH,HE B,et al.. Application of SiC and SiC/Al to TMA optical remote sensor[J]. Opt. Precision Eng.,2008,16(12):2537-2543.(in Chinese)
    [13] 王书新,李景林,张帆,等.响应面模型的大口径空间反射镜优化[J].红外与 工程,2013,42(S2):291-297.

    WANG SH X,LI J L,ZHANG F,et al.. Optimization of large aperture space reflector based on RSM[J]. Infrared and Laser Engineering,2013,42(S2):291-297.(in Chinese)
    [14] 陈立恒,李延春,罗志涛,等.空间相机大功率CCD器件的热设计与热试验[J].光学 精密工程,2011,19(9):2117-2122.

    CHEN L H,LI Y CH,LUO ZH T,et al.. Thermal design and testing of CCD for space camera[J]. Opt. Precision Eng.,2011,19(9):2117-2122.(in Chinese)
    [15] 韩冬,吴清文,陈立恒,等.空间相机热设计中的极端工况确定[J].光学技术,2009,35(6):843-850.

    HAN D,WU Q W,CHEN L H,et al.. Determination of extreme working conditions for attitude-varied space camera in thermal design[J]. Optical technique,2009,35(6):843-850.(in Chinese)
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出版历程
  • 收稿日期:2016-03-14
  • 修回日期:2016-04-28
  • 刊出日期:2016-08-01

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