一種星敏感器圖像探測器組件的制作方法
【專利摘要】一種星敏感器圖像探測器組件，包括光學系統(tǒng)云臺(1)、圖像探測器電路組件(2)、電路支撐柱(3)、銅塊支撐柱(4)、導熱銅塊組件(5)、致冷器(6)和熱沉結構(7)；圖像探測器電路組件(2)通過電路支撐柱(3)安裝在熱沉結構(7)上；導熱銅塊組件(5)通過銅塊支撐柱(4)安裝于熱沉結構(7)上；致冷器(6)位于導熱銅塊組件(4)下方，并粘接于熱沉結構(7)上；光學系統(tǒng)云臺(1)位于圖像探測器電路組件(2)上方，并安裝于熱沉結構(7)上；所述的圖像探測器電路組件(2)包括剛撓板(8)和圖像探測器(9)，所述剛撓板(8)外部為剛性板，內部為撓性板；圖像探測器(9)焊接在撓性板上。
【專利說明】
一種星敏感器圖像探測器組件
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及航天器姿態(tài)控制技術，是一種星敏感器圖像探測器組件。
【背景技術】
[0002] 星敏感器以恒星為測量目標，通過光學系統(tǒng)將恒星成像于圖像探測器上，輸出信 號經過A/D轉換送至數(shù)據(jù)處理單元，經星點提取和星圖識別，確定星敏感器光軸矢量在慣性 坐標系下的指向，通過星敏感器在航天器上的安裝矩陣，確定其在慣性坐標系下的三軸姿 態(tài)。星敏感器一般由遮光罩、光學系統(tǒng)、圖像探測器組件及其電路、數(shù)據(jù)處理電路、二次電 源、軟件(系統(tǒng)軟件、應用軟件及星表）、主體結構和基準鏡等組成。
[0003] 星敏感器圖像探測器組件的結構需要保證整機各項性能指標的實現(xiàn)，并且需要在 滿足航天惡劣的力學環(huán)境(加速度、強振動和沖擊)與熱學環(huán)境(極端高、低溫及循環(huán)）的同 時，構型簡單、體積小、結構重量比(結構重量/整機重量)小。在惡劣的力、熱環(huán)境中，星敏感 器圖像探測器組件的高可靠度、高精度的定位及導熱設計是結構設計的重點和難點。其中 定位設計包括裝配階段圖像探測器與光學系統(tǒng)中心對齊，以及圖像探測器的位置穩(wěn)定性受 力、熱環(huán)境的影響在允許范圍內。導熱設計是指圖像探測器的熱量能夠通過裝配結構有效 的導至熱沉，實現(xiàn)圖像探測器保持在最佳的工作溫度范圍內。
[0004] 現(xiàn)有的星敏感器圖像探測器組件按安裝方式分為一體式和分體式。與光學系統(tǒng)一 體式是指圖像探測器組件直接安裝在光學系統(tǒng)上，可以通過軸孔配合直接保證二者對齊關 系;分體式是指圖像探測器組件與光學系統(tǒng)分別裝在同一結構上，二者無配合關系。后者的 定位設計相對難度大，但由于整機的構型設計的約束，很多圖像探測器組件的安裝方式必 須要采用后者方式。
[0005] 在圖像探測器的標稱溫度范圍內，其溫度越低，噪聲越小。因此，在星敏感器的設 計中，圖像探測器多采用半導體致冷器進行致冷，以實現(xiàn)星敏感器的寬幅的工作溫度范圍 和高精度的測量。半導體致冷器由兩片陶瓷和PN結陣列組成，構成順序為陶瓷、PN結陣列、 陶瓷，兩兩間采用膠粘合。兩片陶瓷分別為致冷器的冷、熱端。
[0006] 現(xiàn)有的星敏感器圖像探測器的導熱設計為:為保證致冷器致冷效果，其冷、熱端是 隔離狀態(tài)。致冷器作為其導熱通道僅是通過膠粘進行定位與緊固，冷端粘接圖像探測器端， 熱端粘接熱沉端，以實現(xiàn)冷熱端理想的溫差效果。
[0007] 目前圖像探測器組件分體式的結構設計存在以下不足：
[0008] 1、圖像探測器與光學系統(tǒng)中心對齊無高精度控制:僅是通過機械設計尺寸及裝配 人員經驗保證圖像探測器中心與光學系統(tǒng)中心對齊，在裝配過程中無監(jiān)測和裝調環(huán)節(jié)，隨 機性較大，存在二者未對齊導致邊緣像素損失的風險。
[0009] 2、抗力學、熱學環(huán)境性能較差：
[0010] 1)圖像探測器存在過定位：圖像探測器的管腳焊接在剛性電路板上，底部粘接在 導熱路徑的結構上，存在過定位的問題，在航天力、熱環(huán)境中，焊點會不同程度的受力，存在 焊點裂紋或斷裂的風險。因此，該設計所能承受的力學、熱學環(huán)境量級較低。
[0011] 2)致冷器定位方式存在風險:致冷器僅靠膠粘固定，無高強度結構進行輔助固定。 在惡劣的力學環(huán)境中，存在致冷器陶瓷片和PN結脫離的風險。
[0012] 3、力、熱穩(wěn)定性較差：圖像探測器有高精度的定位要求，而剛性電路板剛度較差， 且其底部的導熱路徑結構僅為膠粘固定，二者均不能作為圖像探測器在航天力、熱環(huán)境下 的高精度及高可靠度定位的保證。
[0013] 4、批量生產的一致性、互換性較差：圖像探測器底部的導熱路徑中的若干膠層，在 粘接過程中未采用高精度的定量控制，膠層厚度取決于裝配人員的手法，一致性較差，組件 間互換性較差。

【發(fā)明內容】

[0014] 本發(fā)明解決的技術問題是：克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種星敏感器圖像探測器 組件，解決了光學中心對齊的精度無控制、力熱性能較差和批量生產一致性較差的問題。
[0015] 本發(fā)明的技術方案是:一種星敏感器圖像探測器組件，包括光學系統(tǒng)云臺、圖像探 測器電路組件、電路支撐柱、銅塊支撐柱、導熱銅塊組件、致冷器和熱沉結構；圖像探測器電 路組件通過電路支撐柱安裝在熱沉結構上;導熱銅塊組件通過銅塊支撐柱安裝于熱沉結構 上;致冷器位于導熱銅塊組件下方，并粘接于熱沉結構上;光學系統(tǒng)云臺位于圖像探測器電 路組件上方，并安裝于熱沉結構上;所述的圖像探測器電路組件包括剛撓板和圖像探測器， 所述剛撓板外部為剛性板，內部為撓性板;圖像探測器焊接在撓性板上。
[0016] 所述的導熱銅塊組件位于圖像探測器電路組件下方，由銅塊、鈦支撐結構、隔熱墊 片和隔熱套筒組成;銅塊位于鈦支撐結構中心的方形孔中，銅塊的安裝耳位于鈦支撐結構 的兩邊上;銅塊通過隔熱墊片和隔熱套筒安裝于鈦支撐結構上。
[0017] 所述的銅塊為方形結構，有4個安裝耳，兩兩分別位于相對兩側。
[0018] 所述的鈦支撐結構為回字型結構，4邊各有兩個安裝孔，其中相對兩邊上的安裝孔 為一組接口，分別為與銅塊的安裝接口和與銅塊支撐柱的配合接口。
[0019] 所述隔熱墊片為聚酰亞胺材料所制，扁平狀，位于銅塊的安裝耳與鈦支撐結構之 間。
[0020] 所述的隔熱套筒為聚酰亞胺材料所制，T字型筒狀結構，位于螺母與鈦支撐結構之 間。
[0021] 致冷器與熱沉結構之間采用GD414硅橡膠粘接，膠層厚度在裝配過程中控制在 0. lmm~0.2mm〇
[0022]銅塊與致冷器、銅塊與圖像探測器之間，采用GD414硅橡膠粘接，膠層厚度在裝配 過程中控制在0 ? 1mm~0 ? 2mm〇
[0023]所述的光學系統(tǒng)云臺安裝在熱沉結構，用于安裝外部光學系統(tǒng)，光學系統(tǒng)云臺的 中心為圓形孔，圖像探測器的中心與光學系統(tǒng)云臺中心孔的圓心對齊。
[0024] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于：
[0025] 1、圖像探測器與光學系統(tǒng)中心定量對齊：
[0026]通過在結構上刻標識，并采用萬能工具顯微鏡，將圖像探測器光敏面中心與光學 系統(tǒng)中心對齊。光學系統(tǒng)云臺與光學系統(tǒng)軸孔配合公差為A，貝IJ對齊精度為〇.〇6_+A。 [0027] 2、抗力學、熱學環(huán)境性能良好：
[0028] 1)圖像探測器無過定位:圖像探測器的管腳焊接在撓性板上，底部粘接在銅塊上， 撓性板具有較大的柔性，因此圖像探測器的主承力結構為銅塊，避免過定位的問題。
[0029] 2)致冷器有輔助固定：導熱銅塊組件通過支撐柱安裝在熱沉結構上，對致冷器起 到保護的作用。銅塊若僅是粘接于致冷器上表面，則在力學環(huán)境中，銅塊將成為致冷器的負 載，對致冷器陶瓷片和PN結將產生較大分離作用力。
[0030] 3、力、熱穩(wěn)定性良好：
[0031] 1)導熱銅塊組件通過支撐柱安裝在熱沉結構上，避免了僅靠膠粘固定的方式，提 高了圖像探測器在航天力、熱環(huán)境下的高精度及高可靠度定位，即力、熱環(huán)境的影響下，圖 像探測器的位置漂移在設計允許范圍內。
[0032] 2)導熱銅塊組件采用支撐柱安裝在熱沉結構上，形成了回熱路徑。但通過合理設 計路徑構型及材料，大大提高了導熱效率。目前該結構能夠實現(xiàn)致冷器冷熱端20度溫差的 指標要求。
[0033] 4、批量生產的一致性、互換性良好：
[0034]采用測高儀控制粘接用膠的厚度，控制在0.1mm~0.2mm之間，提高了批量化生產 的一致性、互換性。
【附圖說明】
[0035] 圖1為本發(fā)明星敏感器圖像探測器組件的高可靠度裝配結構的剖視圖；
[0036] 圖2為本發(fā)明裝配結構中圖像探測器電路組件示意圖；
[0037]圖3a、3b為本發(fā)明裝配結構中導熱銅塊組件示意圖；
[0038] 圖4為本發(fā)明裝配結構中導熱銅塊結構示意圖；
[0039] 圖5為本發(fā)明裝配結構中鈦支撐結構示意圖；
[0040] 圖6為本發(fā)明裝配結構中隔熱墊片示意圖
【具體實施方式】
[0041] 如附圖1所示，該結構由光學系統(tǒng)云臺1、圖像探測器電路組件2、電路支撐柱3、銅 塊支撐柱4、導熱銅塊組件5、致冷器6和熱沉結構7組成。圖像探測器電路組件通過電路支撐 柱安裝在熱沉結構上。導熱銅塊組件通過銅塊支撐柱安裝于熱沉結構上。致冷器位于導熱 銅塊組件下方，粘接于熱沉結構上。光學系統(tǒng)云臺位于圖像探測器電路組件上方，安裝于熱 沉結構上。
[0042] 如附圖2所示，圖像探測器電路組件由剛撓板8和圖像探測器9組成，剛撓板外部為 剛性板，內部為撓性板，圖像探測器焊接在撓性板上。如附圖3所示，導熱銅塊組件位于圖像 探測器組件下方，由銅塊10、鈦支撐結構11、隔熱墊片12和隔熱套筒13組成。銅塊通過隔熱 墊片和隔熱套筒安裝于鈦支撐結構上。
[0043]該結構設計方案具備以下特點：
[0044] 1、致冷器與熱沉結構、銅塊與致冷器、銅塊與圖像探測器之間，均采用GD414硅橡 膠粘接，膠層厚度在裝配過程中控制在〇. 1mm~〇.2mm。
[0045] 2、熱沉結構刻有高精度標識，即4個均布的十字叉，作為圖像探測器粘接過程中的 定位基準。光學系統(tǒng)云臺與光學系統(tǒng)為高精密的軸孔配合關系，因此將圖像探測器中心與 光學系統(tǒng)云臺中心孔對齊，即能保證圖像探測器與光學系統(tǒng)中心對齊的關系。
[0046] 3、導熱銅塊組件位于致冷器上方，對致冷器起到保護作用。通過合理構型和材料 選擇，提高熱傳導效率9。
[0048] 其中，0為導熱結構熱傳導效率，巾導為導熱熱流量，巾回為回熱熱流量，A T為冷熱 端溫差，K@為回熱路徑的導熱系數(shù)，K導為導熱路徑的導熱系數(shù)。根據(jù)公式得到，若要提高熱 傳導效率，需要減小K@，提高K導。
[0049] 銅塊為導熱路徑，鈦支撐結構、銅塊支撐柱為回熱路徑。設計中采用聚酰亞胺隔熱 墊片、套筒和鈦合金支撐柱、緊固件等低導熱系數(shù)的材料零件以減小K@，同時構型上也采取 將自身支撐部分與和導熱銅塊連接部分進行90度隔開設計，延長傳熱路徑，進而減小K回。
[0050] 4、銅塊支撐柱和電路支撐柱的高度設計為系列尺寸，步進0.1mm。在裝配中，通過 高精度測高，選擇合適高度尺寸的支撐柱進行裝配。
[0051 ] >裝調方法，步驟如下：
[0052] 1、粘接致冷器熱端至熱沉結構:采用高精度測高儀測量熱沉結構上表面高度H1和 致冷器冷熱端厚度H2，在致冷器熱端均勻涂抹硅橡膠，并粘接至熱沉結構上表面，采用測高 儀監(jiān)測粘接后致冷器冷端高度H3，當H3 = Hl+H2+(0.1mm~0.2mm)時，停止調整。
[0053] 2、裝配導熱銅塊組件。
[0054] 3、安裝導熱銅塊組件：測量銅塊下表面相對鈦支撐結構安裝耳底面的高差H4,選 擇4個高度一致，高為H3+H4+(0.1mm~0.2mm)的銅塊支撐柱，安裝導熱銅塊組件。
[0055] 4、安裝圖像探測器電路組件:測量銅塊上表面相對熱沉上電路支撐柱安裝面的高 度H5，圖像探測器底面相對于剛撓板安裝面高度H6，選擇4個高度一致，高為H5+H6+(0.1mm ~0.2mm)的電路支撐柱。在圖像探測器底面均勻涂抹硅橡膠，通過4個電路支撐柱安裝圖像 探測器電路組件至熱沉結構，螺釘不緊固。
[0056] 5、通過萬能工具顯微鏡精測熱沉結構的4個十字叉，測得熱沉結構幾何中心，同時 通過測量圖像探測器光敏面4個頂角，測量光敏面的幾何中心。通過水平微調圖像探測器電 路組件，保證光敏面幾何中心與熱沉結構幾何中心對齊，對齊精度為0.1_。
[0057]安裝光學系統(tǒng)云臺：安裝光學系統(tǒng)云臺至熱沉結構，采用萬能工具顯微鏡在云臺 中部的配合孔邊緣測量6個點，通過擬合圓得到圓心點。通過水平調整光學系統(tǒng)云臺，使得 光學系統(tǒng)云臺的圓孔中心和光敏面的幾何中心對齊，對齊精度為0. 〇6_。
[0058]本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。
【主權項】
1. 一種星敏感器圖像探測器組件，其特征在于：包括光學系統(tǒng)云臺（1)、圖像探測器電 路組件(2)、電路支撐柱(3)、銅塊支撐柱(4)、導熱銅塊組件(5)、致冷器(6)和熱沉結構(7); 圖像探測器電路組件(2)通過電路支撐柱(3)安裝在熱沉結構(7)上;導熱銅塊組件(5)通過 銅塊支撐柱(4)安裝于熱沉結構(7)上;致冷器(6)位于導熱銅塊組件(4)下方，并粘接于熱 沉結構（7)上;光學系統(tǒng)云臺（1)位于圖像探測器電路組件(2)上方，并安裝于熱沉結構（7) 上;所述的圖像探測器電路組件（2)包括剛撓板(8)和圖像探測器(9)，所述剛撓板(8)外部 為剛性板，內部為撓性板;圖像探測器(9)焊接在撓性板上。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種星敏感器圖像探測器組件，其特征在于:所述的導熱銅塊 組件(5)位于圖像探測器電路組件(2)下方，由銅塊（10)、鈦支撐結構（11)、隔熱墊片（12)和 隔熱套筒（13)組成;銅塊（10)位于鈦支撐結構（11)中心的方形孔中，銅塊（10)的安裝耳位 于鈦支撐結構（11)的兩邊上;銅塊(10)通過隔熱墊片（12)和隔熱套筒（13)安裝于鈦支撐結 構（11)上。3. 根據(jù)權利要求2所述的一種星敏感器圖像探測器組件，其特征在于:所述的銅塊（10) 為方形結構，有4個安裝耳，兩兩分別位于相對兩側。4. 根據(jù)權利要求2所述的一種星敏感器圖像探測器組件，其特征在于:所述的鈦支撐結 構（11)為回字型結構，4邊各有兩個安裝孔，其中相對兩邊上的安裝孔為一組接口，分別為 與銅塊(1 〇)的安裝接口和與銅塊支撐柱(4)的配合接口。5. 根據(jù)權利要求2所述的一種星敏感器圖像探測器組件，其特征在于：所述隔熱墊片 (12) 為聚酰亞胺材料所制，扁平狀，位于銅塊(10)的安裝耳與鈦支撐結構（11)之間。6. 根據(jù)權利要求2所述的一種星敏感器圖像探測器組件，其特征在于:所述的隔熱套筒 (13) 為聚酰亞胺材料所制，T字型筒狀結構，位于螺母與鈦支撐結構（11)之間。7. 根據(jù)權利要求1所述的一種星敏感器圖像探測器組件，其特征在于:致冷器(6)與熱 沉結構(7)之間采用⑶414娃橡膠粘接，膠層厚度在裝配過程中控制在0.1mm~0.2_。8. 根據(jù)權利要求1所述的一種星敏感器圖像探測器組件，其特征在于:銅塊（10)與致冷 器(6)、銅塊（10)與圖像探測器(9)之間，采用GD414硅橡膠粘接，膠層厚度在裝配過程中控 制在 0 · 1mm ~0.2mm。9. 根據(jù)權利要求1所述的一種星敏感器圖像探測器組件，其特征在于:所述的光學系統(tǒng) 云臺（1)安裝在熱沉結構(7)，用于安裝外部光學系統(tǒng)，光學系統(tǒng)云臺（1)的中心為圓形孔， 圖像探測器(9)的中心與光學系統(tǒng)云臺（1)中心孔的圓心對齊。
【文檔編號】G01C21/02GK106052679SQ201610677217
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月16日
【發(fā)明人】劉婧, 余成武, 鐘紅軍, 梁士通, 洪帥, 嚴微, 李曉, 鄭璇, 張中杰, 隋杰
【申請人】北京控制工程研究所