一种滤光片固定及加热装置与一种光学遥感器的制作方法

本发明属于航空航天技术领域，涉及空间远紫外光学遥感器滤光片组件的结构设计方法及热设计方法，尤其涉及一种滤光片固定及加热装置以及一种光学遥感器。

背景技术：

滤光片是空间远紫外波段光学遥感器中必不可少的组成部分。根据远紫外波段光学遥感器的成像需求，滤光片需在系统光路中对低于140nm波段光线进行截止滤波。符合这一滤波特性的滤光片光学晶体材料有氟化钡、氟化钙、氟化镁等材料。由于滤光片材料均为较脆且易潮解的光学晶体材料，并且在发射过程中需经受恶劣的力学环境，使得滤光片的固定、支撑成为一个难题。同时，前述光学晶体材料的温度需精确保持在100℃左右高温才能保证其对140nm波段光线的截止功能，因此，如何对滤光片进行加热并且控制热量的散失也成为一个亟待解决的问题。

目前，国内空间远紫外波段光学遥感器使用的滤光片多数并不考虑高温热控的实施，且滤光片多采用光学环氧胶大面积粘贴于固定零件上，易产生粘接应力，导致滤光片变形，进而影响光学性能，或者由于发射振动和冲击导致滤光片破裂。在考虑高温热控实施的情况下，如果采用此种固定滤光片的方式，滤光片与固定零件间的热阻过小，滤光片上积累的热量将很快被导出，滤光片将无法保持在工作温度，光学遥感器将无法实现成像功能。此外，航天领域对光学零件的加热过程通常是先将中间金属零件加热，然后将中间金属零件的热量传导至光学零件。而这种加热方式的加热效率较低，滤光片温度不能达到100℃左右的较高工作温度。

因此，通过合理的结构设计和热设计方法，保证滤光片具有足够的刚度且工作在合适的温度范围显得尤为重要。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于解决滤光片固定、支撑以及将滤光片温度保持在工作温度范围的技术问题，并且将滤光片的固定、支撑与热控措施相匹配，从而使滤光片能够承受住遥感器发射时所需经受的恶劣力学环境并且保证在轨时能够稳定工作于合理温度范围之内，实现其对140nm波段光线的截止功能。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种滤光片固定及加热装置，包括：

用于与滤光片边缘接触的加热片；

用于承托所述滤光片的滤光片座，所述滤光片座设有多个与所述滤光片下表面边缘对应接触的第一支撑胶点；

设置于所述滤光片座上方的滤光片压盖，所述滤光片压盖设有多个与所述滤光片上表面边缘对应接触的第二支撑胶点；

用于与所述滤光片侧边接触的测温传感器。

优选地，在上述滤光片固定及加热装置中，所述加热片包括用于与所述滤光片上表面边缘接触的上加热片以及用于与所述滤光片下表面边缘接触的下加热片。

优选地，在上述滤光片固定及加热装置中，多个所述第一支撑胶点均匀分布于所述滤光片下表面边缘，多个所述第二支撑胶点均匀分布于所述滤光片上表面边缘。

优选地，在上述滤光片固定及加热装置中，所述第一支撑胶点的直径和所述第二支撑胶点的直径均小于等于3mm。

优选地，在上述滤光片固定及加热装置中，所述滤光片座的两侧设有用于和光学遥感器安装固定的支撑端盖，所述支撑端盖通过紧固件连接于所述光学遥感器，所述紧固件设有隔热套和隔热垫。

优选地，在上述滤光片固定及加热装置中，所述支撑端盖上开设有镂空槽。

优选地，在上述滤光片固定及加热装置中，所述隔热套和所述隔热垫均采用聚酰亚胺材料制作。

优选地，在上述滤光片固定及加热装置中，所述滤光片座和所述滤光片压盖外部设有多层隔热包覆。

优选地，在上述滤光片固定及加热装置中，所述滤光片座设有用于与所述滤光片侧边对应的凹槽，所述测温传感器固定于所述凹槽内。

本发明提供的滤光片固定及加热装置，包括：用于与滤光片边缘接触的加热片、用于承托滤光片的滤光片座、设置于滤光片座上方的滤光片压盖以及用于与滤光片侧边接触的测温传感器，滤光片座设有多个与滤光片下表面边缘对应接触的第一支撑胶点；滤光片压盖设有多个与滤光片上表面边缘对应接触的第二支撑胶点。

该滤光片固定及加热装置的工作过程如下：加热片产生的热量直接作用于滤光片，可使滤光片的温度快速升高至100℃，测温传感器与滤光片侧边直接接触，用于实时反馈滤光片温度控制水平，便于温控单元对滤光片的温度进行实时调节。由于滤光片仅通过上、下表面边缘的多个离散的支撑胶点与滤光片座和滤光片压盖接触，因此，滤光片的热量只能通过这些离散的支撑胶点传递至滤光片座和滤光片压盖，热传递效率大大降低，使滤光片很容易控制在100℃的目标工作温度，实现了滤光片的有效的高温热控。同时，由于支撑胶点的粘接力较小且分布于滤光片的上、下表面边缘位置，因此，能大大减小滤光片的应力变形，使滤光片能够承受各个方向的振动和冲击载荷，实现了滤光片的高刚度固定与支撑，满足其力学安装要求。

与现有技术相比较，本发明对空间光学遥感器中的光学晶体滤光片具有更快速、稳定、精确的高温热控能力，同时提高了滤光片承受粘接应力和发射振动、冲击的能力。

本发明还提供了一种光学遥感器，包括滤光片以及如上所述的滤光片固定及加热装置。该光学遥感器产生的有益效果的推导过程与上述滤光片固定及加热装置带来的有益效果的推导过程大体类似，故本文不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施例中的滤光片固定及加热装置安装滤光片后的正向剖视图；

图2为本发明具体实施例中的滤光片固定及加热装置安装滤光片后的俯视图；

图3为本发明具体实施例中的滤光片固定及加热装置安装滤光片后的侧向剖视图。

图1至图3中：

1-滤光片座、2-多层隔热包覆、3-隔热套、4-支撑端盖、5-隔热垫、6-滤光片、7-滤光片压盖、8-安装螺钉、9-测温传感器、10-上加热片、11-下加热片、12-镂空槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1至图3，图1为本发明具体实施例中的滤光片固定及加热装置安装滤光片后的正向剖视图，图2为本发明具体实施例中的滤光片固定及加热装置安装滤光片后的俯视图，图3为本发明具体实施例中的滤光片固定及加热装置安装滤光片后的侧向剖视图。

在一种具体实施例方案中，本发明提供了一种滤光片固定及加热装置，包括：

用于与滤光片6边缘接触的加热片；

用于承托滤光片6的滤光片座1，滤光片座1设有多个与滤光片6下表面边缘对应接触的第一支撑胶点；

设置于滤光片座1上方的滤光片压盖7，滤光片压盖7设有多个与滤光片6上表面边缘对应接触的第二支撑胶点；

用于与滤光片6侧边接触的测温传感器9。

加热片用于加热滤光片6，其形状及尺寸需与滤光片6尺寸相匹配，例如某滤光片6的尺寸为60mm×22.5mm×2mm，加热片外形尺寸需略小于滤光片6以预留适当的溢胶空间，具体可为59mm×22mm，并且，在加热片中间开设有矩形通光孔以保证滤光片6正常工作。加热片两端引线需平直引出且有位置要求，并应在根部实施保护措施以防止导线裸露。加热片与滤光片6可以通过胶水粘接固定，本领域技术人员可以选用环氧树脂胶涂覆固定，胶层厚度控制在0.1mm以内且要求厚度尽量均匀，要求粘接面清洁无污物且需清除边缘多余溢胶。当然，本领域技术人员还可以采用现有其他胶水如单组份室温硫化硅橡胶、丙烯酸胶或其他固定方式来固定加热片和滤光片6，本文不再赘述。

需要说明的是，本领域技术人员可以在滤光片6的边缘设置一片或多片加热片来对滤光片6进行加热，为了提高加热效率，优选地，本方案中的加热片包括用于与滤光片6上表面边缘接触的上加热片10以及用于与滤光片6下表面边缘接触的下加热片11。具体的，本方案中采用了矩形的滤光片6，滤光片6上、下表面粘接的上加热片10和下加热片11则均为矩形的环状加热片，加热片中间留有矩形通光口。通过在滤光片6上、下两表面均设置加热片，进一步提高了加热效率，从而使滤光片6可以快速加热到100℃。

滤光片座1用于支撑和容纳滤光片6，滤光片压盖7用于将滤光片6固定在滤光片座1中。具体的，滤光片座1和滤光片压盖7均采用高比刚度、高比强度但导热系数相对其他金属材料较低的钛合金TC4材料，以保证结构刚度及热阻。当然，本领域技术人员还可以选用其他金属或非金属材料如不锈钢、硅铝合金、工程塑料等来制作滤光片座1和滤光片压盖7。滤光片座1内优选设有用于容纳滤光片6的台阶状的凹槽，凹槽尺寸略大于滤光片6的尺寸，凹槽每侧可与滤光片6外边缘保持一定间隔的余量(例如0.5mm)，用于保证滤光片6顺利安装。滤光片座1内的矩形凹槽与滤光片压盖7共同形成用于容纳滤光片6的空间。

在安装滤光片6时，先在滤光片6上、下表面粘接加热片。待胶干结固化后，将带有上、下加热片的滤光片6通过其下表面边缘的多个第一支撑胶点粘接固定于滤光片座1的凹槽中，并将滤光片压盖7通过滤光片6上表面边缘的多个第二支撑胶点粘接固定于滤光片6的上方，从而使得滤光片6仅通过离散的支撑胶点与滤光片座1和滤光片压盖7的金属内壁接触。在利用支撑胶点固定滤光片6时，可以先在滤光片6的边缘划分多个注胶点作为参照，便于注胶操作。

优选地，本方案中的多个第一支撑胶点均匀分布于滤光片6的下表面边缘，多个第二支撑胶点均匀分布于滤光片6的上表面边缘，如此设置，使得用于支撑固定滤光片6的支撑胶点均匀分布于滤光片6的边缘，就可以使得胶点的粘接应力沿各个方向均匀分布，使得滤光片6产生极小的应力变形且能够承受各个方向的振动和冲击载荷，因此，实现了滤光片6的高刚度固定与支撑。

优选地，上述各个第一支撑胶点的直径和第二支撑胶点的直径均小于等于φ3mm，如此设置，在保证连接强度的基础上进一步减小胶点直径，较小的胶点横截面积有利于使支撑胶点具有较高的传递热阻，从而进一步减少滤光片6的热量损耗。

优选地，滤光片座1和滤光片压盖7外部设有多层隔热包覆2。多层隔热包覆2对滤光片座1和滤光片压盖7组合后的外部进行包裹，可以进一步防止热量散失。在组装时，多层隔热包覆2的尺寸需裁剪至与滤光片座1尺寸相匹配，并通过首尾搭接的方式实现粘接封闭，可以有效抑制热量散失。需要说明的是，为了确保整个滤光片固定及加热装置占用较小的空间，进一步地，上述多层隔热包覆2的厚度控制在3mm以内。

需要说明的是，滤光片座1的两侧设置有用于与光学遥感器安装固定的支撑端盖4，支撑端盖4通过紧固件连接于光学遥感器上的对应位置，如图1至图3所示，支撑端盖4上设有用于安装滤光片座1的多个安装孔以及用于连接光学遥感器的多个安装孔。为了减少通过支撑端盖4传递到光学遥感器的热量，优选地，本方案在紧固件上设置有隔热套3和隔热垫5，如图1所示，隔热套3和隔热垫5可以使支撑端盖4与光学遥感器以及滤光片座1之间实现大热阻的隔热安装目的。具体的，支撑端盖4同滤光片座1一样采用TC4钛合金材料，当然，也可以采用其他金属或非金属材料。支撑端盖4为3mm厚的板状零件，如图1所示。当然，其厚度可以根据安装需求具体设定，本文不再赘述。另外，上述紧固件具体可以采用螺栓、螺钉、销钉等部件，优选地，本方案中的紧固件为安装螺钉8，安装螺钉8外周套设有隔热套3，并且在安装螺钉8与支撑端盖4的连接端面处设有隔热垫5。

需要说明的是，上述隔热套3和隔热垫5优选采用导热系数较低的聚酰亚胺材料制成，成对使用于支撑端盖4的安装孔中，用于阻隔热量由滤光片6向滤光片座1乃至光学遥感器的传递，并具备一定的弹性以阻隔外界对滤光片6的振动冲击。当然，本领域技术人员还可以采用其他导热系数较低的材料如聚四氟乙烯、玻璃钢、硅橡胶等来制作隔热套3和隔热垫5。

优选地，本方案还在上述支撑端盖4上开设有镂空槽12，如图3所示。如此设置，不仅可以使支撑端盖4进一步轻量化，而且还可以通过开槽的方式实现更长的传热路径以提高热阻，因此，能够进一步降低热传递效应。

为了便于安装测温传感器9，优选地，本方案在滤光片座1设有用于与滤光片6侧边对应的凹槽，测温传感器9就固定于该凹槽内。优选地，本方案在滤光片座1长度方向的两侧开设有与滤光片6的两个侧边分别对应的凹槽，测温传感器9可采用环氧树脂胶粘接安装于凹槽内并与滤光片6的侧边直接接触，实时检测滤光片6的温度，便于温控单元对滤光片6的温度进行实时调节。

本发明的工作过程如下：该滤光片固定及加热装置的热源为粘贴在滤光片6上、下表面边缘的上加热片10和下加热片11，两侧加热片通电加热产生的热量直接作用于滤光片6，结合高热组传递路径以及多层隔热包覆2的共同作用，可使滤光片6的温度在短时间内升高至100℃左右，然后，通过测温传感器9连接温控单元，利用测温传感器9的反馈与控制策略的结合对滤光片6的温度进行实时调控，可使滤光片6温度波动控制在±3℃以内。

由于上述滤光片6仅通过周围离散的支撑胶点与滤光片座1以及滤光片压盖7接触，因此，滤光片6的热量只能通过这些离散的支撑胶点传递至滤光片座1以及滤光片压盖7。滤光片座1和滤光片压盖7外周包裹的多层隔热包覆2进一步抑制了热量的对外散失。热量由滤光片座1向支撑端盖4以及光学遥感器的传递过程中，会依次经过隔热垫5和隔热套3以及支撑端盖4上较长的传热路径，这些高热阻阻碍使得热源产生的热量只有少量能够传递至光学遥感器上。由于本方案严格控制了热量的传递路径，使得对滤光片6的加热效率大大提高，滤光片6的温度较易控制在100℃左右的目标工作温度，上下波动不超过3℃，因此，本方案实现了滤光片6的有效的高温热控。同时，滤光片6上、下表面以及四周通过离散的胶点与滤光片座1和滤光片压盖7构成的安装空间内表面进行粘接，由于胶点的粘接应力较小且沿各个方向分布均匀，使得滤光片6产生极小的应力变形，且能够承受各个方向的振动和冲击载荷，因此，本方案实现了滤光片6的高刚度固定与支撑。

本发明可实现脆性滤光片6的高刚度固定与支撑，满足其力学安装要求，同时实现了滤光片6的有效的高温热控，保证其工作在目标温度范围。已通过热真空试验验证其可控制滤光片6工作在100℃左右上下波动不超过3℃的温度范围，由常温加热至工作温度仅需2分钟，并通过振动及冲击试验验证了滤光片固定与支撑的有效性。

与现有的滤光片固定及加热装置相比，本发明对空间光学遥感器中的光学晶体滤光片具有更快速、稳定、精确的高温热控能力，同时具有更有效的承受粘接应力和发射振动、冲击的能力。本发明采用的离散胶点式滤光片固定方法以及加热片直接接触式加热、高热组式的传递路径在力学及热控方面具有明显的优势。

本发明还提供了一种光学遥感器，包括滤光片6以及如上所述的滤光片固定及加热装置。该光学遥感器产生的有益效果的推导过程与上述滤光片固定及加热装置带来的有益效果的推导过程大体类似，故本文不再赘述。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。