中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

系外行星探测，一直是国际天文学领域研究的热点之一。近年来，随着美国、欧洲和日本等国家和地区相继发布詹姆斯-韦布空间望远镜（JWST），欧几里得空间望远镜（Euclid），斯皮策空间望远镜（SST）等多台空间望远镜的同时，中国也提出了中国巡天空间望远镜（CSST）计划，搭载了空间星冕仪，来完成系外行星探测这一宏伟的科学任务。为了实现10-9高对比度成像观测，星冕仪引入自适应光学系统矫正波前畸变。而波前探测相机焦面组件，正是自适应光学系统波前探测的核心部件，直接影响波前探测的精度，进而决定了星冕仪的探测精度。然而，温度过高所引起的暗电流和热噪声，将严重影响CCD的成像质量，因此对其进行合理的热设计，至关重要。本文以波前探测相机焦面组件为研究对象，开展了其热控技术的研究。

首先，本文对国内外航天器常用的主被动热控技术进行了总结，简要介绍了其工作原理和发展现状，以为后续热设计提供参考。另外，还详细介绍了詹姆斯-韦布空间望远镜上三大终端仪器，资源一号02D卫星高光谱相机，高分六号甚宽视场相机，高分辨率立体测绘相机的热设计方案，以作为国内外空间相机热设计的典型案例。

然后，对波前探测相机的机械结构和热设计任务进行分析，提出了总体热设计方案。通过对热设计输入、热设计指标（CCD的热设计指标为不高于-20 ℃）和热边界条件的分析，得出了热设计的初步思路，在初步思路的指导下，提出了分为导热设计和隔热设计的总体热设计方案。其中，针对CCD独立散热通道的设计，提出了四种方案：（1）柔性热管；（2）平板型环路热管；（3）柔性石墨烯导热索加铝氨槽道热管；（4）柔性铜导热索加铝氨槽道热管。综合考虑传热能力，加工精度，结构尺寸等因素，初步确定了方案三和方案四两种热设计方案，以待在理论计算中做进一步对比。

接着，进行了细节方案设计和理论分析计算，并根据热阻理论分析，对方案进行了优化。对两种方案的散热部件进行了结构设计，进而根据相关的结构和热物性参数，对其展开了热阻理论分析，得出了CCD热平衡温度的初步理论结果。但两种方案的理论结果均不理想，因此进行了热设计优化，最后确定了柔性铜导热索加并联双热管的优化方案，作为最终方案，其理论计算结果为-25.316 ℃，满足热设计指标要求。

随后，基于传热理论和有限元模型的建立，开展焦面组件的热仿真分析，给出了稳态下的分析结果——CCD的热平衡温度为-26.60 ℃。对各部件的热仿真结果进行了分析，并与理论结果进行了对比，得出了CCD和其余部件的热平衡温度均满足热设计指标需求的结论，同时也验证了理论分析的初步正确性。

最后，对焦面组件进行了热平衡试验。详细介绍了热平衡试验方案，对试验方法、试验装置和试验步骤做了重点介绍。试验结果显示，CCD的热平衡温度为-22.47 ℃。对所得试验结果进行了误差分析，并将其与理论结果和仿真结果进行了对比，得出了CCD热设计方案合理可行的最终结论，并验证了前期理论和仿真分析的准确性。