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光学精密工程 2024年第19期32卷 2877-2888页

作者：上官爱红张昊苏曹钰谢友金张海洋姜泳帆王熹苏盛明中国科学院西安光学精密机械研究所陕西西安710119 中国科学院空间精密测量技术重点实验室陕西西安710119 中国科学院大学北京100049

为了实现空间高功率激光二极管泵浦源阵列的快速散热,建立了空间高功率激光二极管泵浦源阵列相变热控系统,对热控系统的热界面材料(TIM)、紫铜热沉、相变材料、相变增强材料、主动加热回路和太空辐射板进行了研究与设计。首先,介绍了激... 详细信息

为了实现空间高功率激光二极管泵浦源阵列的快速散热,建立了空间高功率激光二极管泵浦源阵列相变热控系统,对热控系统的热界面材料(TIM)、紫铜热沉、相变材料、相变增强材料、主动加热回路和太空辐射板进行了研究与设计。首先,介绍了激光二极管泵浦源阵列的热特性与热控指标,从而提出热控设计思路,详细设计了热控系统,并在有无泡沫铜填空的条件下制定了两种热控方案。然后,用NX软件分析了两种不同的方案。分析结果显示:不填充泡沫铜方案的整个相变过程在800 s完成,LD上的温度最高达到59.98℃,相变材料上表面温度最高达到47.12℃;填充泡沫铜方案在200 s内完成相变过程,LD最高温度为38.35℃,并且LD在360 s后和相变温度点温度一致。填充泡沫铜方案可以满足10~40℃的温度指标要求。最后,根据填充泡沫铜方案设计加工了激光二极管泵浦源阵列热控系统,通过实验验证,该系统可以满足空间高功率激光二极管泵浦源阵列快速散热要求。

关键词：空间高功率激光器激光二极管泵浦源阵列相变热控系统

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空间二维转台模型参数响应面选调优化

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光学精密工程 2024年第23期32卷 3446-3456页

作者：张昊苏王振宇曹钰上官爱红谢友金王熹苏盛明姜泳帆中国科学院西安光学精密机械研究所陕西西安710119 中国科学院微小卫星创新研究院上海201203 中国科学院空间精密测量技术重点实验室陕西西安710119 中国科学院大学北京100049

为提高空间光学系统的侦察和监视效能,降低星上产品质量及功耗,优化星上资源配置,针对空间二维转台进行轻量化设计以提高其负载比。提出了一种适用于空间二维转台的模型参数响应面选调优化方法,通过有限元仿真与力学试验结合的手段提升... 详细信息

为提高空间光学系统的侦察和监视效能,降低星上产品质量及功耗,优化星上资源配置,针对空间二维转台进行轻量化设计以提高其负载比。提出了一种适用于空间二维转台的模型参数响应面选调优化方法,通过有限元仿真与力学试验结合的手段提升力学仿真的计算精度。首先,建立结构的有限元力学网格模型,通过显著性分析选取合适的仿真参数作为匹配对象,通过最小二乘法得到二次项响应面系数矩阵,并对响应面的有效性进行评价;最后,通过优化算法得到修正后的模型参数。采用匹配后的有限元模型对二维转台进行力学分析,得到了100 Hz内结构的模态频率、特征点低频正弦振动加速度响应、特征点随机振动应力响应等三类结构响应的分析结果,该结果与力学试验的最大误差相比匹配前分别由8%降至3%,17%降至4.9%,8.5%降至2.2%。该方法有效提升了力学仿真的计算精度,并成功应用于某型号的二维转台研制,使其负载比由上一代型号的0.6提升到1.6。

关键词：空间二维转台力学仿真计算精度负载比

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空间高精密运动机构热变形研究及控制技术

空间高精密运动机构热变形研究及控制技术

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作者：上官爱红中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

学位级别：博士

空间高精密运动机构指支撑光学系统或其他精密系统的两轴运动机构,被广泛应用在空间自由光通信、空间雷达扫描、空间预警、空间天文所需的精确指向机构、深空探测等领域,可以实现目标捕获、跟踪、瞄准,其对跟踪精度和跟踪平稳度提出了... 详细信息

空间高精密运动机构指支撑光学系统或其他精密系统的两轴运动机构,被广泛应用在空间自由光通信、空间雷达扫描、空间预警、空间天文所需的精确指向机构、深空探测等领域,可以实现目标捕获、跟踪、瞄准,其对跟踪精度和跟踪平稳度提出了很高的要求,而运动机构支撑结构和轴系之间的耦合作用及热变形严重影响了运动机构的精度,同时运动机构工作的复杂的空间环境如高真空、温度交变、高低温及辐射等都对运动机构的工作性能和寿命产生很大的影响,从而可能导致运动机构―卡死‖而导致航天任务失败。本文从理论和实际应用角度出发,研究空间运动机构热变形对运动机构高可靠、长寿命影响因素作用机理,揭示了空间运动机构主体支撑结构与轴系耦合热变形及轴系内部赫兹接触应力与运动机构工作性能和寿命的关系,并在此基础了提出提高轴系工作性能和寿命的措施和方法。本文以空间二维运动机构为研究对象,开展空间运动机构结构-热变形和轴系可靠性和长寿命研究,主要研究内容如下:针对空间高精密运动机构的工作环境及工作特点,揭示了结构-热变形对―精密‖运动机构跟踪性能的影响机理,研究了固体润滑膜层的特性及润滑机理,探究了载荷、温度等因素对影响固体润滑性能的影响。针对运动机构U型结构与轴系的特点,以空间换热、热传导、热辐射理论为基础,建立运动机构及运动轴系温度场计算模型和轴系热阻模型,并以热弹性力学、热静力学为理论基础,建立运动机构主体结构、半封闭U型结构与轴系耦合及轴系内部的温度-应力场数学模型,采用有限元仿真、理论分析的方法研究了热变形引起的轴系载荷的变化,通过地面试验和在轨试验验证验证了数学模型的正确性和分析方法的可行性。针对高可靠的空间固体润滑―精密‖运动轴系,揭示温度、预紧力、温差和转速多物理量与摩擦力矩的影响机理,建立摩擦力矩和多个物理量的耦合关系网络。通过大量数据的试验结果,量化的测量了不同温度、温度梯度、预紧力和速度条件下的轴系的摩擦力矩,揭示了摩擦力矩与多物理量之间的变化规律,为空间运动机构―精密‖运动轴系高可靠工作提供理论和试验数据基础。试验定量测试了真空条件下MoS2固体润滑轴承热特性,验证了轴系热阻模型,将试验结果用于修正轴系热模型,为空间运动机构温度场分析和控制提供理论支撑和数据支持。针对运动机构轴系预紧力的变化影响其寿命的内在机理,并考虑将轴系装配进运动机构中的工作性能,对运动机构进行整机分析和试验,揭示MoS2基复合薄膜轴承磨损与发射环境、高低温和温度交变的关系并建立膜层磨损模型,设计运动机构―整机‖加速寿命试验,通过试验后滚道和滚珠上的固体润滑膜层EDS分析结果,验证了膜层磨损理论,预测了运动机构的在轨寿命。基于运动机构预载荷对运动机构寿命影响的研究,以热弹性理论和赫兹接触理论为理论基础,以轴系可靠性试验为试验数据支撑,揭示轴系预载荷与赫兹接触应力之间的关系,提出了一种空间轴系可调预紧力、温度调控设计与工艺实施方案,实现了运动机构预紧力的最佳控制,保证了空间轴系在轨高可靠工作。对空间载荷的热控制技术进行了介绍,提出一套切实可行的热控方案,通过热平衡试验和在轨应用验证了热控系统设计的合理性。本文主要技术进步与创新点如下:1)以热弹性力学、热静力学理论为基础,建立了运动机构半封闭U型结构与轴系之间及轴系内部的温度-应力场数学模型和轴承内外圈热阻模型,通过在轨与地面环模实测数据,验证了结构-热耦合数学模型及热阻模型的准确性,为空间运动机构温度场分析和热控提供了理论和数据支持。2)研究了温度、温度梯度、预紧力和速度对轴系摩擦力矩的影响,开展了不同温度、温度梯度、预紧力和速度条件下的轴系摩擦力矩的系统性试验测量,得到了摩擦力矩与上述多物理量之间的变化规律,为空间运动机构温度指标设定提供了理论依据。3)提出了一种基于温度控制的空间轴系预紧力调控方法,实现了运动机构预紧力的在轨调控,为提高轴系在轨运动寿命提供了一种新颖的技术途径。上述成果已成功应用于创新三号卫星和嫦娥三号月基光学望远镜项目中。

关键词：空间高精密运动机构结构-热耦合空间轴系可靠性轴系寿命 MoS2固体润滑摩擦力矩轴系预载荷轴系热阻热控制技术

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空间大口径拼接反射镜磁通钉扎连接机构的力学特性

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光学精密工程 2019年第12期27卷 2609-2617页

作者：张昊苏上官爱红初昶波文延李创中国科学院西安光学精密机械研究所陕西西安710119 中国科学院大学北京100049

应用于空间光学系统的机械拼接机构存在润滑、热膨胀系数匹配、结构复杂、拼接偏心距小等问题,本文提出了可应用于空间大口径拼接反射镜的磁通钉扎接口方案,采用永磁体的等效电流分布模型并融合磁场法,建立了超导-永磁体磁通钉扎接口的... 详细信息

应用于空间光学系统的机械拼接机构存在润滑、热膨胀系数匹配、结构复杂、拼接偏心距小等问题,本文提出了可应用于空间大口径拼接反射镜的磁通钉扎接口方案,采用永磁体的等效电流分布模型并融合磁场法,建立了超导-永磁体磁通钉扎接口的数学模型进行仿真分析,并通过实验验证了模型的有效性。结果表明,超导体-永磁体的间隔在5 mm时,垂直连接刚度ky可达7000 N/m;当磁体-超导体的间隔为10 mm,二者处于中心位置时侧向刚度kx可达3800 N/m;磁通钉扎接口在偏心距Δx=4 mm时的垂直刚度ky相比于Δx=0时下降约20%,刚度下降不显著。相比于传统机械接口,磁通钉扎接口在反射镜对接时具备足够的连接刚度,可以允许更大的偏心距Δx,同时接口的力特性使得拼接镜在重构过程中满足缓冲定位的要求。

关键词：空间光学系统磁通钉扎拼接反射镜磁场法接口刚度

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一种温控系统及电子学箱体

一种温控系统及电子学箱体

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作者：王晨洁秦德金杨文刚李旭阳上官爱红 710119 陕西省西安市高新区新型工业园信息大道17号

本发明提供了一种温控系统及电子学箱体，解决了现有电子学箱体温控系统存在散热功率有限，无法满足高功率电子学箱体散热需求，以及拆装不便的问题。其中，温控系统装配于电子学单元的外侧，其包括与电子学单元外形相适配的温控壳体；... 详细信息

标准号: CN110167318B

本发明提供了一种温控系统及电子学箱体，解决了现有电子学箱体温控系统存在散热功率有限，无法满足高功率电子学箱体散热需求，以及拆装不便的问题。其中，温控系统装配于电子学单元的外侧，其包括与电子学单元外形相适配的温控壳体；温控壳体采用高导热率材料，包括三层，分别为外层、内层以及填充在外层与内层之间的相变储能层；温控壳体的外表面涂覆有热控涂层；温控壳体的内表面设置有控温传感器、加热器、以及与电子学箱体接触的导热凸台或传热热管；导热凸台或传热热管为多个，且间隔设置。

关键词：电子学壳体温控温控系统导热电子学单元传热热管内层凸台高导热率材料加热器控温传感器相变储能层间隔设置热控涂层散热功率散热需求高功率内表面拆装三层适配涂覆填充装配

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一种热控实施加压装置

一种热控实施加压装置

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作者：秦德金贺天兵王晨洁辛伟杨文刚上官爱红 710119 陕西省西安市高新区新型工业园信息大道17号

本实用新型涉及一种热控实施加压装置。该装置包括支架以及至少两组伸缩单元，所述伸缩单元设置在被压件与支架之间；伸缩单元包括伸出杆、伸长杆和压块；伸出杆两端分别与伸长杆以及支架连接；伸长杆与压块一个端面连接；压块的另一个... 详细信息

标准号: CN210116657U

本实用新型涉及一种热控实施加压装置。该装置包括支架以及至少两组伸缩单元，所述伸缩单元设置在被压件与支架之间；伸缩单元包括伸出杆、伸长杆和压块；伸出杆两端分别与伸长杆以及支架连接；伸长杆与压块一个端面连接；压块的另一个端面与被压件接触，且该端面的形状与被压件的形状相适配，支架与伸出杆之间、伸出杆与伸长杆之间以及伸长杆和压块之间连接方式至少有一处为螺纹连接。使用该装置解决了现有航天器热控实施电加热器粘贴过程中加压方式存在应用范围窄、可靠性差、受力不确定的问题。

关键词：伸长杆伸出杆压块伸缩单元被压件支架本实用新型航天器热控电加热器端面连接加压方式加压装置连接方式螺纹连接支架连接两组适配受力粘贴应用

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一种高功率激光二极管泵浦源阵列的相变热控系统及方法

一种高功率激光二极管泵浦源阵列的相变热控系统及方法

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作者：上官爱红王晨洁张雯秦德金杨文刚杨森王英豪 710119 陕西省西安市高新区新型工业园信息大道17号

本发明属于激光器技术领域，提供了一种高功率激光二极管泵浦源阵列的相变热控系统及方法，解决现有激光二极管阵列使用寿命短和可靠性差的问题。其中系统包括热沉、相变材料、相变增强材料、散热器、信息数据采集及处理模块、设在热沉... 详细信息

标准号: CN109244805A

本发明属于激光器技术领域，提供了一种高功率激光二极管泵浦源阵列的相变热控系统及方法，解决现有激光二极管阵列使用寿命短和可靠性差的问题。其中系统包括热沉、相变材料、相变增强材料、散热器、信息数据采集及处理模块、设在热沉上的加热元件和测温元件，热沉为空腔结构，激光二极管阵列通过热沉上表面的热界面材料设置在热沉上，相变增强材料为填充在热沉空腔内带空隙的导热增强体，并与热沉内表面整体接触充分，相变材料的熔点在激光二极管正常工作范围之内，相变材料填充于导热增强体的空隙中，散热器设置在热沉的下表面，信息数据采集及处理模块分别与加热元件、测温元件连接。

关键词：热沉相变材料散热器激光二极管阵列信息数据采集导热增强体测温元件处理模块加热元件增强材料填充高功率激光二极管激光器技术领域熔点激光二极管热界面材料空腔结构使用寿命整体接触泵浦源内表面上表面下表面相变热空腔内带

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一种高功率激光二极管泵浦源阵列的相变热控系统

一种高功率激光二极管泵浦源阵列的相变热控系统

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作者：上官爱红王晨洁张雯秦德金杨文刚杨森王英豪 710119 陕西省西安市高新区新型工业园信息大道17号

本实用新型属于激光器技术领域，提供了一种高功率激光二极管泵浦源阵列的相变热控系统，解决现有激光二极管阵列使用寿命短和可靠性差的问题。该系统包括热沉、相变材料、相变增强材料、散热器、信息数据采集及处理模块、设在热沉上的... 详细信息

标准号: CN209046004U

本实用新型属于激光器技术领域，提供了一种高功率激光二极管泵浦源阵列的相变热控系统，解决现有激光二极管阵列使用寿命短和可靠性差的问题。该系统包括热沉、相变材料、相变增强材料、散热器、信息数据采集及处理模块、设在热沉上的加热元件和测温元件，热沉为空腔结构，激光二极管阵列通过热沉上表面的热界面材料设置在热沉上，相变增强材料为填充在热沉空腔内带空隙的导热增强体，并与热沉内表面整体接触充分，相变材料的熔点在激光二极管正常工作范围之内，相变材料填充于导热增强体的空隙中，散热器设置在热沉的下表面，信息数据采集及处理模块分别与加热元件、测温元件连接。

关键词：热沉相变材料散热器激光二极管阵列信息数据采集导热增强体测温元件处理模块加热元件增强材料填充高功率激光二极管激光器技术领域熔点本实用新型激光二极管热界面材料空腔结构使用寿命整体接触泵浦源内表面上表面下表面相变热空腔内带

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一种温控系统及电子学箱体

一种温控系统及电子学箱体

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作者：王晨洁秦德金杨文刚李旭阳上官爱红 710119 陕西省西安市高新区新型工业园信息大道17号

标准号: CN110167318A

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月基望远镜反射镜转台的热-结构耦合分析及验证

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光学精密工程 2016年第8期24卷 1956-1964页

作者：上官爱红王晨洁张昊苏秦德金刘朝晖中国科学院西安光学精密机械研究所陕西西安710119 中国科学院大学北京100049 西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室陕西西安710049

为了提高月基望远镜反射镜转台的工作性能,对反射镜转台进行了热-结构耦合分析以及试验验证和在轨验证。根据输入条件、热载荷、热边界等建立有限元模型对反射镜转台结构及主要发热部件进行了温度场计算。将温度载荷,预紧力载荷,边界条... 详细信息

为了提高月基望远镜反射镜转台的工作性能,对反射镜转台进行了热-结构耦合分析以及试验验证和在轨验证。根据输入条件、热载荷、热边界等建立有限元模型对反射镜转台结构及主要发热部件进行了温度场计算。将温度载荷,预紧力载荷,边界条件输入结构有限元模型进行了热-结构耦合分析,得到了半封闭U型结构、高精密运动轴系、蜗轮蜗杆热变形和热应力。推导了轴系摩擦力矩的计算公式,将分析计算中的数据代入公式中获得了轴系的摩擦力矩,并根据摩擦力矩选取了合适力矩的电机。计算结果显示,左轴系在低温工况-25℃下摩擦力矩较大,达14.163N·mm;高温工况下摩擦力矩较小,55℃时为4.796N·mm。垂直轴轴系在低温工况-25℃时摩擦力矩为16.45N·mm;高温工况下由于轴系卸载,摩擦力矩为零。结果表明反射镜转台可以在-25℃^+55℃下正常工作。文中还通过试验验证和在轨验证证明了反射镜转台热-结构耦合分析的有效性和合理性。

关键词：月基望远镜反射镜转台热-结构耦合分析热变形热应力轴系摩擦力矩

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