新一代重力测量卫星光学平台在轨热环境分析与温度噪声抑制研究

本文针对新一代重力测量卫星中高精度星间激光干涉测量技术面临的温度噪声挑战，研究团队通过建立轨道热环境模型，创新设计遮光罩结构，结合有限元仿真分析，实现了光学平台(OB)在太阳直射条件下温度噪声低于0.1 K/Hz1/2@1 mHz、遮光环境下低于0.1 mK/Hz1/2@1 mHz的突破性成果，为pm级激光干涉测量提供了关键热稳定性保障。

　　

在空间重力场探测领域，高精度星间激光干涉测量技术正推动着地球科学研究的革命性进步。然而，这项技术的核心组件——搭载激光干涉仪的光学平台(Optical Bench, OB)却面临着严峻挑战：轨道环境中太阳辐射等外部热流通过激光发射/接收孔径侵入系统，引发光学平台温度波动，进而导致干涉测量光程变化。以GRACE-FO卫星为例，其三重镜组件(TMA)要求轨道周期内温度波动<±0.1 K，而传统分布式干涉仪架构难以满足新一代卫星更高集成度的需求。

为解决这一难题，中国科学院的研究团队创新性地提出集成式高精度激光干涉仪方案，将精密测量模块集成于卫星前板边缘舱。通过建立轨道热环境理论模型，结合GRACE-FO双星轨道数据分析，研究人员发现8 mm孔径在太阳直射时最大辐射功率达0.28 W，导致光学平台单轨道温度波动达0.052°C。研究团队突破传统遮光膜设计思路，采用虹膜式遮光罩结构，通过优化内壁倾角使辐射角系数从0.0063降至0.0024，实现次级辐射能量降低60%。

关键技术方法包括：基于Lambert余弦定律建立太阳辐射模型（公式I=H₀(AU/d)²cosα）；利用有限元软件模拟轨道热环境；采用18.6°最小规避角的遮光罩机械设计；通过黑体辐射模型计算宇宙冷黑辐射（公式E₄=S₁σ(T₂⁴-T₀⁴)）。

研究结果揭示：

1. 太阳辐射模型：轨道数据分析显示1月太阳辐射强度峰值达1407.5 W/m²，4月最低仅63.7 W/m²，对应孔径入射能量波动范围0.02-0.28 W。
2. 遮光罩设计：倾斜内壁结构使次级辐射能量控制在3.8×10^-3-7.7×10^-3 W，较直筒式设计降低60%。
3. 在轨热环境：遮光罩可实现每年2次、每次持续4个月的完全遮光期，期间温度噪声低至0.6 mK/轨道。
4. 温度噪声谱：太阳直射时温度噪声<0.1 K/Hz^1/2@1 mHz，遮光环境下<0.1 mK/Hz^1/2@1 mHz，满足pm级测量要求的0.72 mK阈值。

这项发表于《Geodesy and Geodynamics》的研究具有三重重要意义：首先，建立的轨道热环境分析模型为重力测量卫星任务窗口规划提供理论依据；其次，创新的遮光罩设计实现了机械集成与热稳定的双重优化；最后，温度噪声控制方案使集成式干涉仪架构成为可能，为后续重力卫星小型化发展奠定基础。研究团队在讨论中指出，未来需进一步攻克卫星主动温控系统与电子元件功耗波动带来的温度噪声挑战，这将推动空间激光干涉测量技术向更高精度迈进。