阅读说明：本技术 一种火星车aps太阳敏感器防尘光学装置 (Dustproof optical device of Mars APS sun sensor ) 是由 张建福 李连升 熊胜明 王立 尹路 常晔 高长山 陈建新 顾朋 于海祥 张业 于 2021-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种火星车APS太阳敏感器防尘光学装置,包括半球罩、光线引入器、球罩压环和紧固螺钉；半球罩安装在太阳敏感器顶盖上,半球罩的球心对准光线引入器的通光小孔,球罩压环套在半球罩外侧,在球罩压环与半球罩之间涂抹硅橡胶以固定半球罩,球罩压环通过紧固螺钉固定在太阳敏感器顶盖上。本发明利用光线穿过半球罩球心时光路不发生改变的特性,创造性的提出将光线引入器的通光小孔置于半球罩球心的方案,在半球罩的外壳表面增镀超疏水膜,避免灰尘颗粒落到太阳敏感器光线引入器的小孔上后引起太阳敏感器输出数据跳动,保证火星车的偏航方向不受影响。(The invention relates to a dustproof optical device of an APS (active light sensor) sun sensor of a mars vehicle, which comprises a hemispherical cover, a light introducer, a spherical cover compression ring and fastening screws, wherein the hemispherical cover is provided with a light guide hole; the hemisphere cover is installed on the sun sensor top cover, the sphere center of the hemisphere cover is aligned to the light-passing small hole of the light introducer, the sphere cover pressing ring is sleeved on the outer side of the hemisphere cover, silicon rubber is coated between the sphere cover pressing ring and the hemisphere cover to fix the hemisphere cover, and the sphere cover pressing ring is fixed on the sun sensor top cover through fastening screws. The invention utilizes the characteristic that the light path is not changed when the light passes through the spherical center of the hemispherical cover, creatively provides a scheme of placing the light-passing small hole of the light introducer in the spherical center of the hemispherical cover, and the super-hydrophobic film is additionally plated on the surface of the shell of the hemispherical cover, thereby avoiding the bounce of the output data of the sun sensor caused by the dust particles falling on the small hole of the light introducer of the sun sensor and ensuring that the yaw direction of the mars is not influenced.)

一种火星车APS太阳敏感器防尘光学装置

技术领域

本发明属于光学姿态敏感器领域，涉及一种火星车APS太阳敏感器防尘光学装置。

背景技术

太阳敏感器是以太阳为基准方位，测量航天器姿态与太阳光线矢量夹角的一种光学姿态敏感器。在火星车上太阳敏感器测得太阳矢量方向，为火星车在火星表面行进提供偏航指向，确保火星车按照预定方向前进，同时完成陀螺长时间漂移的修正。

火星车太阳敏感器采用的面阵APS CMOS图像传感器作为光电探测器，利用光线引入器上的通光小孔实现光线引入，太阳光线通过小孔到达APS图像传感器形成一个太阳亮斑，通过提取太阳亮斑的能量中心即可确定太阳的矢量方向。

根据文献资料在火星南半球春季晚期或者夏季时，火星表面温度梯度最大，火星的全球性尘暴通常那时候从南半球开始，迅速扩张到全球，并持续数周，火星全球性的尘暴通常一年有一次或者两次。全球性尘暴后火星表面重新布上了厚0.1～11.1μm的薄尘层。由于全球性尘暴的存在，火星大气尘埃已经经过了周期性的混合，各处尘埃的成分较为稳定。火星尘埃会降低大气对可见光的透过率，火星尘埃落到着陆器以及巡视器的太阳电池阵上，会降低太阳能电池阵的功率，影响探测器工作能力。

火星尘埃按照大小尺寸分布和运动方式可分为3种：

①气载尘埃(airbone dust)：半径小于2μm，长期悬浮在大气中，这些尘埃具有磁性，因为它们主要由磁铁矿和橄榄石构成。

②落尘(settled dust)：颗粒半径≤10μm，可被尘卷(dust devil)和尘暴卷到大气中，但会很快降落到地面上。

③跳跃颗粒(saltating particles)：直径＞80μm，主要运动形式为跳跃，其轨迹一般集中在距离地表15厘米到20厘米的范围内。

从前面资料可见火星表面灰尘颗粒与太阳敏感器通过小孔的尺寸相当，如果灰尘颗粒落到太阳敏感器光线引入器的小孔上后将会引起太阳敏感器输出数据跳动，进而影响火星车的偏航方向。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种火星车APS太阳敏感器防尘光学装置。

本发明解决技术的方案是：

一种火星车APS太阳敏感器防尘光学装置，包括半球罩、光线引入器、球罩压环和紧固螺钉；

半球罩安装在太阳敏感器顶盖上，半球罩的球心对准光线引入器的通光小孔，光线引入器以粘接方式固定到太阳敏感器顶盖，球罩压环套在半球罩外侧，在球罩压环与半球罩之间涂抹硅橡胶以固定半球罩，球罩压环通过紧固螺钉固定在太阳敏感器顶盖上；半球罩内腔增镀减反增透膜，半球罩外表面增镀超疏水膜；半球罩的内半径比光线引入器的直径小1mm，外半径与光线引入器的直径相同。

半球罩内腔增镀减反增透膜，膜层厚度300nm，透过率大于98％。

半球罩外表面增镀超疏水膜，膜层厚度300nm，透过率大于97％。

超疏水膜表面最高接触角不超过125°，

光线引入器通光谱段为700nm～1100nm，

光线引入器通光小孔尺寸为150um。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明利用光线穿过半球罩球心时光路不发生改变的特性，创造性的提出将光线引入器的通光小孔置于半球罩球心的方案，增加半球罩的同时未增加太阳敏感器测太阳方位角度的复杂性；

(2)本发明在半球罩内腔增镀减反增透膜，保证半球罩的引入不会增加干扰光；

(3)本发明在半球罩的外壳表面增镀超疏水膜，利用其本身的超疏水性可以使得大颗粒灰尘落到球壳表面时能够滚落，小颗粒灰尘不易沉积。而且由于超疏水表面抗灰尘机理较低的固-固相互作用力，使得灰尘可以被微风带走，当火星风吹过时可以将防尘罩表面沉积的灰尘吹落。避免灰尘颗粒落到太阳敏感器光线引入器的小孔上后引起太阳敏感器输出数据跳动，保证火星车的偏航方向不受影响。

附图说明

图1本发明半球罩示意图；

图2本发明防尘装置示意图；

图3沉积灰尘厚度小于50um情况；

图4沉积灰尘厚度大于200um情况。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

针对太阳敏感器在火星表面随着火星车工作时受到火星灰尘影响的问题，本发明在太阳敏感器光线引入器前端设计了一种火星车太阳敏感器防尘装置。

本发明利用光线穿过半球罩球心时光路不发生改变的特性，创造性的提出将光线引入器的通光小孔置于半球罩球心的方案，增加半球罩的同时未增加太阳敏感器测太阳方位角度的复杂性。

本发明在半球罩内腔增镀减反增透膜，保证半球罩的引入不会增加干扰光。

本发明在半球罩的外壳表面增镀超疏水膜，超疏水膜具有优异的机械性能、耐老化性能、化学稳定性能等优势，并且超疏水膜不影响玻璃本身高透光性。利用其本身的超疏水性可以使得大颗粒灰尘落到球壳表面时能够滚落，小颗粒灰尘不易沉积。而且由于超疏水表面抗灰尘机理较低的固-固相互作用力，使得灰尘可以被微风带走，当火星风吹过时可以将防尘罩表面沉积的灰尘吹落。

本发明首次在地外天体应用超疏水膜。

实施例：

如图1所示，火星车太阳敏感器防尘装置主要是一个半球球壳形成的半球罩，根据光线引入器的尺寸Φ10mm，设计半球罩的内半径为9mm，外半径为10mm，并将半球罩和光线引入器装配到一起，组成太阳敏感器的具有防尘功能的光学组件。

光线引入器基材为红外玻璃，通光谱段为700nm～1100nm，玻璃上表面膜层从上到下分别为减反膜、第一铬膜、减反膜，玻璃下表面膜层从上到下分别为多层介质膜、第二铬膜、减反膜，第一铬膜实现中性衰减，控制太阳光强透过率为1％～5％，多层介质膜实现太阳光强随入射角度的透过率控制，保证60度入射透过率为零度入射透过率的25倍以上。第二铬膜实现透过光外其他区域光线的完全截止，透过率小于0.1％。透光孔尺寸为150um，接近火星表面跳跃颗粒直径的两倍，为火星表面落尘颗粒直径的7倍多。

具体地，本发明装置安装过程如下：

第一步，按照如下要求，完成光线引入器加工

1)通光谱段为700nm～1100nm

2)中性衰减膜太阳光强透过率为1％～5％

3)60度入射透过率为零度入射透过率的25倍以上

4)透过光外其他区域光线完全截止，透过率小于0.1％

5)透光孔(通光小孔)尺寸为150um。

第二步，按照如下要求，完成半球罩加工。

1)半球罩外半径R＝10±0.05mm；

2)厚度控制范围0.95mm～1.05mm；

3)厚度一致性误差≤0.005mm。

第三步，半球罩内腔增镀减反增透膜，控制膜层厚度300nm，透过率大于98％。

第四步，半球罩外壳增镀超疏水膜，表面最高接触角不超过125°，控制膜层厚度300nm，透过率大于97％。

第五步，光线引入器1粘接在太阳敏感器顶盖4上，光线引入器1的通光小孔位于太阳敏感器顶盖4上方，将半球罩2安装在太阳敏感器顶盖4上，利用万工显微镜调整半球罩2使得半球罩的球心与光线引入器的通光小孔对准。

第六步：对半球罩2套入球罩压环3，并在球罩压环3与半球罩2之间涂抹硅橡胶用于半球罩2的固定，最终拧入紧固螺钉5使球罩压环3固定在太阳敏感器顶盖4上。

图2为本发明防尘装置示意图。

本实施例在太阳敏感器光线引入器前端设计了一种火星车太阳敏感器防尘装置，降低火星车太阳敏感器灰尘风险。地面试验表明，当灰尘沉积小于50um时，如图3所示，太阳敏感器不受灰尘影响，产品输出正常，当灰尘沉积厚度大于200um时，如图4所示，太阳敏感器输出出现跳动，但是跳动小于0.2°，对火星车的行进方向不会产生很大的影响。

本发明说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。