一种星敏感器图像探测器组件的制作方法
【专利摘要】一种星敏感器图像探测器组件，包括光学系统云台(1)、图像探测器电路组件(2)、电路支撑柱(3)、铜块支撑柱(4)、导热铜块组件(5)、致冷器(6)和热沉结构(7)；图像探测器电路组件(2)通过电路支撑柱(3)安装在热沉结构(7)上；导热铜块组件(5)通过铜块支撑柱(4)安装于热沉结构(7)上；致冷器(6)位于导热铜块组件(4)下方，并粘接于热沉结构(7)上；光学系统云台(1)位于图像探测器电路组件(2)上方，并安装于热沉结构(7)上；所述的图像探测器电路组件(2)包括刚挠板(8)和图像探测器(9)，所述刚挠板(8)外部为刚性板，内部为挠性板；图像探测器(9)焊接在挠性板上。
【专利说明】
一种星敏感器图像探测器组件
技术领域
[0001] 本发明涉及航天器姿态控制技术，是一种星敏感器图像探测器组件。
【背景技术】
[0002] 星敏感器以恒星为测量目标，通过光学系统将恒星成像于图像探测器上，输出信 号经过A/D转换送至数据处理单元，经星点提取和星图识别，确定星敏感器光轴矢量在惯性 坐标系下的指向，通过星敏感器在航天器上的安装矩阵，确定其在惯性坐标系下的三轴姿 态。星敏感器一般由遮光罩、光学系统、图像探测器组件及其电路、数据处理电路、二次电 源、软件(系统软件、应用软件及星表）、主体结构和基准镜等组成。
[0003] 星敏感器图像探测器组件的结构需要保证整机各项性能指标的实现，并且需要在 满足航天恶劣的力学环境(加速度、强振动和冲击)与热学环境(极端高、低温及循环）的同 时，构型简单、体积小、结构重量比(结构重量/整机重量)小。在恶劣的力、热环境中，星敏感 器图像探测器组件的高可靠度、高精度的定位及导热设计是结构设计的重点和难点。其中 定位设计包括装配阶段图像探测器与光学系统中心对齐，以及图像探测器的位置稳定性受 力、热环境的影响在允许范围内。导热设计是指图像探测器的热量能够通过装配结构有效 的导至热沉，实现图像探测器保持在最佳的工作温度范围内。
[0004] 现有的星敏感器图像探测器组件按安装方式分为一体式和分体式。与光学系统一 体式是指图像探测器组件直接安装在光学系统上，可以通过轴孔配合直接保证二者对齐关 系;分体式是指图像探测器组件与光学系统分别装在同一结构上，二者无配合关系。后者的 定位设计相对难度大，但由于整机的构型设计的约束，很多图像探测器组件的安装方式必 须要采用后者方式。
[0005] 在图像探测器的标称温度范围内，其温度越低，噪声越小。因此，在星敏感器的设 计中，图像探测器多采用半导体致冷器进行致冷，以实现星敏感器的宽幅的工作温度范围 和高精度的测量。半导体致冷器由两片陶瓷和PN结阵列组成，构成顺序为陶瓷、PN结阵列、 陶瓷，两两间采用胶粘合。两片陶瓷分别为致冷器的冷、热端。
[0006] 现有的星敏感器图像探测器的导热设计为:为保证致冷器致冷效果，其冷、热端是 隔离状态。致冷器作为其导热通道仅是通过胶粘进行定位与紧固，冷端粘接图像探测器端， 热端粘接热沉端，以实现冷热端理想的温差效果。
[0007] 目前图像探测器组件分体式的结构设计存在以下不足：
[0008] 1、图像探测器与光学系统中心对齐无高精度控制:仅是通过机械设计尺寸及装配 人员经验保证图像探测器中心与光学系统中心对齐，在装配过程中无监测和装调环节，随 机性较大，存在二者未对齐导致边缘像素损失的风险。
[0009] 2、抗力学、热学环境性能较差：
[0010] 1)图像探测器存在过定位：图像探测器的管脚焊接在刚性电路板上，底部粘接在 导热路径的结构上，存在过定位的问题，在航天力、热环境中，焊点会不同程度的受力，存在 焊点裂纹或断裂的风险。因此，该设计所能承受的力学、热学环境量级较低。
[0011] 2)致冷器定位方式存在风险:致冷器仅靠胶粘固定，无高强度结构进行辅助固定。 在恶劣的力学环境中，存在致冷器陶瓷片和PN结脱离的风险。
[0012] 3、力、热稳定性较差：图像探测器有高精度的定位要求，而刚性电路板刚度较差， 且其底部的导热路径结构仅为胶粘固定，二者均不能作为图像探测器在航天力、热环境下 的高精度及高可靠度定位的保证。
[0013] 4、批量生产的一致性、互换性较差：图像探测器底部的导热路径中的若干胶层，在 粘接过程中未采用高精度的定量控制，胶层厚度取决于装配人员的手法，一致性较差，组件 间互换性较差。
【发明内容】
[0014] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种星敏感器图像探测器 组件，解决了光学中心对齐的精度无控制、力热性能较差和批量生产一致性较差的问题。
[0015] 本发明的技术方案是:一种星敏感器图像探测器组件，包括光学系统云台、图像探 测器电路组件、电路支撑柱、铜块支撑柱、导热铜块组件、致冷器和热沉结构；图像探测器电 路组件通过电路支撑柱安装在热沉结构上;导热铜块组件通过铜块支撑柱安装于热沉结构 上;致冷器位于导热铜块组件下方，并粘接于热沉结构上;光学系统云台位于图像探测器电 路组件上方，并安装于热沉结构上;所述的图像探测器电路组件包括刚挠板和图像探测器， 所述刚挠板外部为刚性板，内部为挠性板;图像探测器焊接在挠性板上。
[0016] 所述的导热铜块组件位于图像探测器电路组件下方，由铜块、钛支撑结构、隔热垫 片和隔热套筒组成;铜块位于钛支撑结构中心的方形孔中，铜块的安装耳位于钛支撑结构 的两边上;铜块通过隔热垫片和隔热套筒安装于钛支撑结构上。
[0017] 所述的铜块为方形结构，有4个安装耳，两两分别位于相对两侧。
[0018] 所述的钛支撑结构为回字型结构，4边各有两个安装孔，其中相对两边上的安装孔 为一组接口，分别为与铜块的安装接口和与铜块支撑柱的配合接口。
[0019] 所述隔热垫片为聚酰亚胺材料所制，扁平状，位于铜块的安装耳与钛支撑结构之 间。
[0020] 所述的隔热套筒为聚酰亚胺材料所制，T字型筒状结构，位于螺母与钛支撑结构之 间。
[0021] 致冷器与热沉结构之间采用GD414硅橡胶粘接，胶层厚度在装配过程中控制在 0. lmm~0.2mm〇
[0022]铜块与致冷器、铜块与图像探测器之间，采用GD414硅橡胶粘接，胶层厚度在装配 过程中控制在0 ? 1mm~0 ? 2mm〇
[0023]所述的光学系统云台安装在热沉结构，用于安装外部光学系统，光学系统云台的 中心为圆形孔，图像探测器的中心与光学系统云台中心孔的圆心对齐。
[0024] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0025] 1、图像探测器与光学系统中心定量对齐：
[0026]通过在结构上刻标识，并采用万能工具显微镜，将图像探测器光敏面中心与光学 系统中心对齐。光学系统云台与光学系统轴孔配合公差为A，贝IJ对齐精度为〇.〇6_+A。 [0027] 2、抗力学、热学环境性能良好：
[0028] 1)图像探测器无过定位:图像探测器的管脚焊接在挠性板上，底部粘接在铜块上， 挠性板具有较大的柔性，因此图像探测器的主承力结构为铜块，避免过定位的问题。
[0029] 2)致冷器有辅助固定：导热铜块组件通过支撑柱安装在热沉结构上，对致冷器起 到保护的作用。铜块若仅是粘接于致冷器上表面，则在力学环境中，铜块将成为致冷器的负 载，对致冷器陶瓷片和PN结将产生较大分离作用力。
[0030] 3、力、热稳定性良好：
[0031] 1)导热铜块组件通过支撑柱安装在热沉结构上，避免了仅靠胶粘固定的方式，提 高了图像探测器在航天力、热环境下的高精度及高可靠度定位，即力、热环境的影响下，图 像探测器的位置漂移在设计允许范围内。
[0032] 2)导热铜块组件采用支撑柱安装在热沉结构上，形成了回热路径。但通过合理设 计路径构型及材料，大大提高了导热效率。目前该结构能够实现致冷器冷热端20度温差的 指标要求。
[0033] 4、批量生产的一致性、互换性良好：
[0034]采用测高仪控制粘接用胶的厚度，控制在0.1mm~0.2mm之间，提高了批量化生产 的一致性、互换性。
【附图说明】
[0035] 图1为本发明星敏感器图像探测器组件的高可靠度装配结构的剖视图；
[0036] 图2为本发明装配结构中图像探测器电路组件示意图；
[0037]图3a、3b为本发明装配结构中导热铜块组件示意图；
[0038] 图4为本发明装配结构中导热铜块结构示意图；
[0039] 图5为本发明装配结构中钛支撑结构示意图；
[0040] 图6为本发明装配结构中隔热垫片示意图
【具体实施方式】
[0041] 如附图1所示，该结构由光学系统云台1、图像探测器电路组件2、电路支撑柱3、铜 块支撑柱4、导热铜块组件5、致冷器6和热沉结构7组成。图像探测器电路组件通过电路支撑 柱安装在热沉结构上。导热铜块组件通过铜块支撑柱安装于热沉结构上。致冷器位于导热 铜块组件下方，粘接于热沉结构上。光学系统云台位于图像探测器电路组件上方，安装于热 沉结构上。
[0042] 如附图2所示，图像探测器电路组件由刚挠板8和图像探测器9组成，刚挠板外部为 刚性板，内部为挠性板，图像探测器焊接在挠性板上。如附图3所示，导热铜块组件位于图像 探测器组件下方，由铜块10、钛支撑结构11、隔热垫片12和隔热套筒13组成。铜块通过隔热 垫片和隔热套筒安装于钛支撑结构上。
[0043]该结构设计方案具备以下特点：
[0044] 1、致冷器与热沉结构、铜块与致冷器、铜块与图像探测器之间，均采用GD414硅橡 胶粘接，胶层厚度在装配过程中控制在〇. 1mm~〇.2mm。
[0045] 2、热沉结构刻有高精度标识，即4个均布的十字叉，作为图像探测器粘接过程中的 定位基准。光学系统云台与光学系统为高精密的轴孔配合关系，因此将图像探测器中心与 光学系统云台中心孔对齐，即能保证图像探测器与光学系统中心对齐的关系。
[0046] 3、导热铜块组件位于致冷器上方，对致冷器起到保护作用。通过合理构型和材料 选择，提高热传导效率9。
[0048] 其中，0为导热结构热传导效率，巾导为导热热流量，巾回为回热热流量，A T为冷热 端温差，K@为回热路径的导热系数，K导为导热路径的导热系数。根据公式得到，若要提高热 传导效率，需要减小K@，提高K导。
[0049] 铜块为导热路径，钛支撑结构、铜块支撑柱为回热路径。设计中采用聚酰亚胺隔热 垫片、套筒和钛合金支撑柱、紧固件等低导热系数的材料零件以减小K@，同时构型上也采取 将自身支撑部分与和导热铜块连接部分进行90度隔开设计，延长传热路径，进而减小K回。
[0050] 4、铜块支撑柱和电路支撑柱的高度设计为系列尺寸，步进0.1mm。在装配中，通过 高精度测高，选择合适高度尺寸的支撑柱进行装配。
[0051 ] >装调方法，步骤如下：
[0052] 1、粘接致冷器热端至热沉结构:采用高精度测高仪测量热沉结构上表面高度H1和 致冷器冷热端厚度H2，在致冷器热端均匀涂抹硅橡胶，并粘接至热沉结构上表面，采用测高 仪监测粘接后致冷器冷端高度H3，当H3 = Hl+H2+(0.1mm~0.2mm)时，停止调整。
[0053] 2、装配导热铜块组件。
[0054] 3、安装导热铜块组件：测量铜块下表面相对钛支撑结构安装耳底面的高差H4,选 择4个高度一致，高为H3+H4+(0.1mm~0.2mm)的铜块支撑柱，安装导热铜块组件。
[0055] 4、安装图像探测器电路组件:测量铜块上表面相对热沉上电路支撑柱安装面的高 度H5，图像探测器底面相对于刚挠板安装面高度H6，选择4个高度一致，高为H5+H6+(0.1mm ~0.2mm)的电路支撑柱。在图像探测器底面均匀涂抹硅橡胶，通过4个电路支撑柱安装图像 探测器电路组件至热沉结构，螺钉不紧固。
[0056] 5、通过万能工具显微镜精测热沉结构的4个十字叉，测得热沉结构几何中心，同时 通过测量图像探测器光敏面4个顶角，测量光敏面的几何中心。通过水平微调图像探测器电 路组件，保证光敏面几何中心与热沉结构几何中心对齐，对齐精度为0.1_。
[0057]安装光学系统云台：安装光学系统云台至热沉结构，采用万能工具显微镜在云台 中部的配合孔边缘测量6个点，通过拟合圆得到圆心点。通过水平调整光学系统云台，使得 光学系统云台的圆孔中心和光敏面的几何中心对齐，对齐精度为0. 〇6_。
[0058]本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
【主权项】
1. 一种星敏感器图像探测器组件，其特征在于：包括光学系统云台（1)、图像探测器电 路组件(2)、电路支撑柱(3)、铜块支撑柱(4)、导热铜块组件(5)、致冷器(6)和热沉结构(7); 图像探测器电路组件(2)通过电路支撑柱(3)安装在热沉结构(7)上;导热铜块组件(5)通过 铜块支撑柱(4)安装于热沉结构(7)上;致冷器(6)位于导热铜块组件(4)下方，并粘接于热 沉结构（7)上;光学系统云台（1)位于图像探测器电路组件(2)上方，并安装于热沉结构（7) 上;所述的图像探测器电路组件（2)包括刚挠板(8)和图像探测器(9)，所述刚挠板(8)外部 为刚性板，内部为挠性板;图像探测器(9)焊接在挠性板上。2. 根据权利要求1所述的一种星敏感器图像探测器组件，其特征在于:所述的导热铜块 组件(5)位于图像探测器电路组件(2)下方，由铜块（10)、钛支撑结构（11)、隔热垫片（12)和 隔热套筒（13)组成;铜块（10)位于钛支撑结构（11)中心的方形孔中，铜块（10)的安装耳位 于钛支撑结构（11)的两边上;铜块(10)通过隔热垫片（12)和隔热套筒（13)安装于钛支撑结 构（11)上。3. 根据权利要求2所述的一种星敏感器图像探测器组件，其特征在于:所述的铜块（10) 为方形结构，有4个安装耳，两两分别位于相对两侧。4. 根据权利要求2所述的一种星敏感器图像探测器组件，其特征在于:所述的钛支撑结 构（11)为回字型结构，4边各有两个安装孔，其中相对两边上的安装孔为一组接口，分别为 与铜块(1 〇)的安装接口和与铜块支撑柱(4)的配合接口。5. 根据权利要求2所述的一种星敏感器图像探测器组件，其特征在于：所述隔热垫片 (12) 为聚酰亚胺材料所制，扁平状，位于铜块(10)的安装耳与钛支撑结构（11)之间。6. 根据权利要求2所述的一种星敏感器图像探测器组件，其特征在于:所述的隔热套筒 (13) 为聚酰亚胺材料所制，T字型筒状结构，位于螺母与钛支撑结构（11)之间。7. 根据权利要求1所述的一种星敏感器图像探测器组件，其特征在于:致冷器(6)与热 沉结构(7)之间采用⑶414娃橡胶粘接，胶层厚度在装配过程中控制在0.1mm~0.2_。8. 根据权利要求1所述的一种星敏感器图像探测器组件，其特征在于:铜块（10)与致冷 器(6)、铜块（10)与图像探测器(9)之间，采用GD414硅橡胶粘接，胶层厚度在装配过程中控 制在 0 · 1mm ~0.2mm。9. 根据权利要求1所述的一种星敏感器图像探测器组件，其特征在于:所述的光学系统 云台（1)安装在热沉结构(7)，用于安装外部光学系统，光学系统云台（1)的中心为圆形孔， 图像探测器(9)的中心与光学系统云台（1)中心孔的圆心对齐。
【文档编号】G01C21/02GK106052679SQ201610677217
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年8月16日
【发明人】刘婧, 余成武, 钟红军, 梁士通, 洪帅, 严微, 李晓, 郑璇, 张中杰, 隋杰
【申请人】北京控制工程研究所