孟恒輝 譚滄海 耿利寅 李國(guó)強(qiáng)

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京100094)

激光通信是一種新興的通信方式，包含接收和發(fā)送兩部分，利用激光的單色相干光特性，有效地傳遞信息［1-2］.相比較傳統(tǒng)的微波傳輸，激光通信具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用前景.

激光通信是一個(gè)光學(xué)鏈路過(guò)程，研究表明，熱變形引起的偏差會(huì)導(dǎo)致通信質(zhì)量下降.目前，溫度場(chǎng)的影響已受到廣泛關(guān)注［3-5］.李曉峰等人［3］通過(guò)幾種典型工況對(duì)激光通信終端反射鏡熱變形導(dǎo)致的光束指向誤差進(jìn)行了定性的分析;宋義偉等人以TerraSAR-X衛(wèi)星上的激光通信終端結(jié)構(gòu)為例［6］，開(kāi)展了空間溫度場(chǎng)對(duì)平面反射鏡面形影響的理論研究.上述研究只是針對(duì)激光通信的部分部件開(kāi)展研究，很少對(duì)整個(gè)部件的溫度場(chǎng)開(kāi)展研究.研究結(jié)果均表明，系統(tǒng)的溫度水平和均勻性是關(guān)系到性能指標(biāo)的重要因素.

國(guó)外星地激光通信的發(fā)展處于領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，主要是在以下3個(gè)平臺(tái)上開(kāi)展［7-9］:STRV-2、ETS-V1(GOLD)和OICETS(KODEN/KIODO).成功進(jìn)行激光通信功能驗(yàn)證的只有ETS-V1和OICETS.而在國(guó)內(nèi)，類(lèi)似的激光通信設(shè)備的研究均處于地面研制階段，沒(méi)有公開(kāi)的文獻(xiàn)針對(duì)在軌實(shí)際應(yīng)用開(kāi)展研究，故地面的研究具有局限性.本文以某衛(wèi)星搭載的有效載荷(激光通信終端主體)為例，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了熱設(shè)計(jì)和熱分析工作，并對(duì)在軌溫度場(chǎng)進(jìn)行了比較和確認(rèn).

1 載荷介紹

激光通信終端主體是我國(guó)首例采用激光通信技術(shù)的載荷，具有低速和高速通信的功能，產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)處于國(guó)際領(lǐng)先水平.其安裝在衛(wèi)星的+Z/+Y側(cè)，由二維轉(zhuǎn)臺(tái)(滾動(dòng)軸和方位軸)、光學(xué)主體及其支架、望遠(yuǎn)鏡、雪崩光電二極管APD(Avalanche Photoelectric Diode)、電荷耦合器件 CCD(Charge-Couple Device)和激光二極管LD(Laser Diode)等組成.其中APD，CCD，LD和望遠(yuǎn)鏡組件安裝在光學(xué)主體支架上，光學(xué)主體支架與安裝板(+Z面)相連;二維轉(zhuǎn)臺(tái)位于星外+Y側(cè)，其余部件均位于星內(nèi).

圖1為激光通信終端主體工作原理圖.在軌時(shí)典型工作模式有:休眠、預(yù)備、捕獲、跟蹤和通訊.休眠工作模式，設(shè)備不工作;而捕獲、跟蹤和通訊工作模式，載荷每圈最大工作時(shí)間為30 min，期間二維轉(zhuǎn)臺(tái)熱耗0～16 W，APD熱耗2 W，CCD熱耗1.2W，LD熱耗1.33W以及誤碼器熱耗0.8W.各部件設(shè)備指標(biāo)要求見(jiàn)表1和表2所示.

圖1 激光通信終端主體原理圖

表1 熱控考核指標(biāo)

表2 溫度均勻性考核指標(biāo)

2 外熱流分析

外熱流分析，是開(kāi)展熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ).在軌航天器處于超低溫和超真空的環(huán)境，受到太陽(yáng)直射、地球反照和地球紅外的綜合作用.不同方位上到達(dá)的外熱流效果也是不同的.隨著季節(jié)變化，陰影和光照時(shí)間也發(fā)生變化.激光通信終端主體的二維轉(zhuǎn)臺(tái)暴露在星外，需要對(duì)空間環(huán)境進(jìn)行分析和確認(rèn).

激光通信終端主體的軌道參數(shù)如表3所示.在軌運(yùn)行期間衛(wèi)星+Z軸指向地心.根據(jù)太陽(yáng)同步軌道外熱流的特點(diǎn)，選取6月21日和10月15日兩典型時(shí)刻進(jìn)行分析各方向上的到達(dá)外熱流.

從表4和圖2～圖3可知，+Y面沒(méi)有太陽(yáng)直照，地球反射也很小，地球紅外熱流穩(wěn)定;+Z面，太陽(yáng)直照熱流不大，地球紅外熱流也基本穩(wěn)定.考慮到載荷對(duì)溫度的敏感性，載荷安裝在衛(wèi)星的+Z/+Y側(cè)，這對(duì)激光通信終端主體是有利的.

表3 軌道參數(shù)

圖2 衛(wèi)星夏至各面到達(dá)外熱流瞬態(tài)曲線

圖3 衛(wèi)星10月15日各面到達(dá)外熱流瞬態(tài)曲線

表4 衛(wèi)星各方向表面的到達(dá)外熱流 W/m2

3 熱設(shè)計(jì)方案

采用機(jī)、電、熱一體化的設(shè)計(jì)思路，在滿足功能和性能的前提下，選擇合理的熱材料，使整個(gè)系統(tǒng)的熱膨脹系數(shù)匹配.優(yōu)先采用成熟和有在軌飛行經(jīng)歷的熱控材料和設(shè)計(jì)手段，以被動(dòng)熱控和主動(dòng)熱控相結(jié)合開(kāi)展熱設(shè)計(jì)工作［10］.

3.1 等溫化設(shè)計(jì)

為了增強(qiáng)各部件之間的輻射換熱，各部件外表面的半球紅外發(fā)射率εh≥0.85，使得各部件之間的溫度一致;對(duì)于溫度要求苛刻的光路系統(tǒng)部分，如望遠(yuǎn)鏡的遮光罩內(nèi)表面、望遠(yuǎn)鏡次鏡支架等都需要發(fā)黑處理，一方面滿足消光需要，另一方面增強(qiáng)了各部件之間的輻射換熱效果.

3.2 隔熱設(shè)計(jì)

隔熱設(shè)計(jì)分為2種，一種是基于導(dǎo)熱性質(zhì)的隔熱設(shè)計(jì)，另一種是基于輻射性質(zhì)的隔熱設(shè)計(jì).

導(dǎo)熱隔熱設(shè)計(jì)，主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)隔熱墊上.激光通信終端主體與整星的安裝接口處均需要加5 mm玻璃鋼隔熱墊，安裝采用導(dǎo)熱性能差的鈦螺釘.星內(nèi)和星外部件之間加裝5mm玻璃鋼隔熱墊，弱化星內(nèi)和星外部件之間的熱耦合.

多層隔熱組件，對(duì)阻隔輻射換熱效果顯著，通過(guò)多層的換熱一般可忽略不計(jì).載荷除了進(jìn)光口外，所有的區(qū)域均需要包覆15單元多層隔組件，以減小空間外熱流和星內(nèi)設(shè)備溫度波動(dòng)對(duì)終端主體溫度場(chǎng)的影響.

3.3 區(qū)域化設(shè)計(jì)

載荷根據(jù)安裝、工作特點(diǎn)以及溫度指標(biāo)范圍可劃分為兩個(gè)區(qū)域:星內(nèi)和星外區(qū)域.星內(nèi)部件主要是光學(xué)平臺(tái)主體、望遠(yuǎn)鏡組件、APD、CCD、LD等部件，溫度范圍在22℃左右;而星外部件主要是二維轉(zhuǎn)臺(tái)，溫度范圍要求寬，為10～45℃.

由于兩者之間的溫度指標(biāo)不同，在設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)隔熱設(shè)計(jì)來(lái)弱化兩者之間的關(guān)聯(lián)，并且對(duì)這兩部分單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使之能更好的滿足要求.

3.4 關(guān)鍵器件散熱

激光通信終端主體對(duì)溫度要求高，但關(guān)鍵元器件由于自身熱容小和熱耗大的特點(diǎn)，工作時(shí)溫度上升明顯，需要采取有效的散熱措施，使設(shè)備溫度保持在一定的范圍內(nèi).

發(fā)熱元器件安裝時(shí)需要填涂導(dǎo)熱填料，在APD、CCD和LD上安裝導(dǎo)熱板，導(dǎo)熱板與集熱板相連，從而使熱量匯集到集熱板上.集熱板上安裝3根CDRG-NH3-O1-10×φ5(J)熱管，通過(guò)熱管把集熱板上的熱量傳導(dǎo)到散熱窗口上散出.導(dǎo)熱板與集熱板之間、熱管與集熱板和散熱窗口之間均需要填涂導(dǎo)熱填料，減小散熱途徑上的接觸熱阻.散熱途徑示意圖如圖4所示.

圖4 散熱途徑示意圖

3.5 散熱窗口設(shè)計(jì)

考慮到外貼熱管的安裝方便性和兼顧設(shè)備工作熱耗特點(diǎn)，在衛(wèi)星的+Z板上開(kāi)散熱窗口.由前面外熱流分析可知，+Z面上的外熱流穩(wěn)定，有利于發(fā)熱元器件的溫度穩(wěn)定性.

在設(shè)計(jì)散熱窗口時(shí)，除了考慮APD、CCD和LD的熱耗外，還需要考慮LD內(nèi)的TEC在特定溫度下工作時(shí)產(chǎn)生的熱耗，使熱設(shè)計(jì)有更廣泛的適應(yīng)性.散熱窗口采用OSR鈰玻璃鍍銀二次表面鏡，面積為180 mm ×150 mm.

3.6 高精度控溫

激光通信終端主體對(duì)溫度穩(wěn)定性要求極高，故采取高精度控溫措施，使熱設(shè)計(jì)具有魯棒性.

高精度控溫是由控溫盒來(lái)執(zhí)行的.圖5為控溫儀的組成和功能示意圖.控溫儀采集高精度熱敏電阻的溫度，與控溫目標(biāo)值進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算控溫回路的加熱時(shí)間，對(duì)控溫回路采取開(kāi)關(guān)加比例控制模式.控溫周期為12 s，控溫精度達(dá)0.1℃.

在光學(xué)平臺(tái)、二維轉(zhuǎn)臺(tái)、望遠(yuǎn)鏡等部位布置控溫回路;此外還需要對(duì)散熱窗口采取低溫功率補(bǔ)償措施，從而確保低溫工況下，APD，CCD，LD和光學(xué)平臺(tái)的溫度不低于溫度指標(biāo)下限.共設(shè)計(jì)12路控溫回路，并與控溫儀相連.

圖5 控溫儀組成及功能示意圖

4 熱分析

4.1 熱分析方法［11］

對(duì)航天器在軌飛行環(huán)境而言，傳導(dǎo)和輻射換熱是主要熱量交換方式，忽略對(duì)流換熱因素，故對(duì)航天器的熱網(wǎng)絡(luò)模型可簡(jiǎn)化為

其中，(cm)j代表節(jié)點(diǎn)j的熱容量;τ為時(shí)間;Qsj為節(jié)點(diǎn)j吸收的空間外熱流;Qpj為節(jié)點(diǎn)j的內(nèi)熱源;Ri，j為熱輻射角系數(shù);Di，j為傳熱系數(shù);σ 為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)(5.67×108).

4.2 熱分析模型

根據(jù)激光通信終端主體的熱設(shè)計(jì)狀態(tài)，采用Thermal Desktop軟件建立了熱分析數(shù)學(xué)模型.對(duì)主體結(jié)構(gòu)上的倒角、螺釘、墊片等不劃分網(wǎng)格，在模型中考慮其計(jì)算熱阻;發(fā)熱設(shè)備部件作為一個(gè)等溫體，平均分布在設(shè)備殼體上;忽略激光器工作時(shí)，激光脈沖對(duì)設(shè)備溫度的影響.激光通信終端主體位于星內(nèi)的部分位于1個(gè)熱分析小艙內(nèi)，來(lái)模擬其在衛(wèi)星上的真實(shí)情況.其中安裝板采用真實(shí)外熱流模擬狀態(tài)，其余艙板采用定溫邊界處理.

熱分析模型如圖6所示，共劃分784個(gè)節(jié)點(diǎn).其中對(duì)于望遠(yuǎn)鏡組件進(jìn)行局部加密，分析周?chē)h(huán)境對(duì)其溫度均勻性的影響.采用有限差分法和集總參數(shù)法進(jìn)行仿真分析［11］.

圖6 熱分析模型

4.3 熱分析工況

由于激光通信終端主體的散熱窗口布置在衛(wèi)星+Z面上，散熱面受外熱流變化影響終端主體的溫度，而其余部件由于包覆多層隔熱組件受外熱流影響小，從而決定了終端主體的高低溫工況與+Z面外熱流情況相關(guān).

由外熱流分析可知，衛(wèi)星+Z面到達(dá)外熱流最小情況出現(xiàn)在10月15日，衛(wèi)星+Z面到達(dá)外熱流最大的情況出現(xiàn)在6月21日.根據(jù)軌道外熱流、涂層性質(zhì)、載荷工作模式以及整星的溫度場(chǎng)邊界確定了極端高低溫工況的參數(shù)，詳見(jiàn)表5所示.

表5 計(jì)算工況列表

4.4 計(jì)算匯總

對(duì)激光通信終端主體進(jìn)行瞬態(tài)熱分析工作，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6，溫度均勻性統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表7.

表6 溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

表7 溫度均勻性統(tǒng)計(jì)表

4.5 結(jié)果分析

4.5.1 低溫工況

由表6可看出，在低溫工況下，滾動(dòng)軸、方位軸、望遠(yuǎn)鏡次鏡和主光學(xué)平臺(tái)的溫度都滿足要求.該工況下，APD，CCD和LD不工作，并且散熱面所吸收的空間外熱流最小，因此光學(xué)器件需要補(bǔ)償功率.熱分析結(jié)果表明控溫回路設(shè)計(jì)合理，APD，CCD和LD的溫度均能達(dá)到22±4℃的要求.

4.5.2 高溫工況

高溫工況下，APD，CCD，LD等發(fā)熱部件每圈工作30 min，使得激光通信終端主體上的各設(shè)備整體上溫度隨之波動(dòng).從表6中可看出，在高溫工況下，激光通信終端主體溫度均滿足要求，高功率部件的散熱通道設(shè)計(jì)合理.

為了進(jìn)一步分析關(guān)鍵部件的溫度的變化，圖7～圖9給出了發(fā)熱元器件、光學(xué)平臺(tái)和望遠(yuǎn)鏡次鏡相應(yīng)的變化曲線.從圖7中可看出，APD，CCD和LD的溫度都隨著設(shè)備的工作模式更替而變化，并且APD的溫度波動(dòng)大，主要是由于其設(shè)備熱耗大原因?qū)е碌?從圖8中可看到，光學(xué)平臺(tái)的溫度受到發(fā)熱元器件工作影響明顯，并且距離發(fā)熱元器件較近的光學(xué)平臺(tái)，其溫度波動(dòng)與相鄰的發(fā)熱元器件溫度波動(dòng)較為一致.這也進(jìn)一步說(shuō)明，發(fā)熱元器件的工作，一定程度上破壞了光學(xué)平臺(tái)的整體溫度水平.從圖9中可看出，望遠(yuǎn)鏡次鏡的溫度在周期內(nèi)波動(dòng)小，這是由于望遠(yuǎn)鏡次鏡遠(yuǎn)離發(fā)熱元器件，并且望遠(yuǎn)鏡遮光罩采用高精度控溫，使得望遠(yuǎn)鏡次鏡的溫度不受周?chē)h(huán)境影響.

圖7 發(fā)熱元器件溫度隨時(shí)間的變化

圖8 光學(xué)平臺(tái)溫度隨時(shí)間的變化

圖9 望遠(yuǎn)鏡次鏡溫度分布

4.5.3 溫度均勻度

由表7可知，在高低溫工況下，激光通信終端主體的溫度均勻度均滿足要求.由于滾動(dòng)軸的進(jìn)光口正對(duì)著復(fù)雜的外空間環(huán)境，使得其溫度均勻性較差.在高溫工況下，發(fā)熱部件的工作，也使得其周?chē)考臏囟炔▌?dòng)較大，尤其是光學(xué)平臺(tái)，其在高溫工況下的均勻性不如低溫工況.而望遠(yuǎn)鏡組件部分，其位于終端主體內(nèi)部，并且采用高精度控溫，受周?chē)h(huán)境影響較小，均勻性很穩(wěn)定.

4.6 在軌溫度

激光通信終端主體于2011年8月發(fā)射，目前在軌已運(yùn)行2年多，設(shè)備狀態(tài)良好.選擇在軌2個(gè)典型時(shí)刻對(duì)溫度進(jìn)行比對(duì)和說(shuō)明.在軌飛行中，激光通信終端主體大部分時(shí)段處于不工作狀態(tài).從表8中數(shù)據(jù)可看出，在軌溫度與計(jì)算分析數(shù)據(jù)誤差在1℃之內(nèi)，進(jìn)一步說(shuō)明熱設(shè)計(jì)和熱分析的正確性.

表8 溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)束語(yǔ)

以空間環(huán)境的外熱流分析為依據(jù)，結(jié)合載荷工作特點(diǎn)，以被動(dòng)熱控和主動(dòng)熱控相結(jié)合的方式開(kāi)展熱設(shè)計(jì)工作.經(jīng)過(guò)極端工況的熱分析計(jì)算，并與在軌飛行數(shù)據(jù)比對(duì)，驗(yàn)證了激光通信終端主體熱控設(shè)計(jì)的有效性和正確性.這對(duì)激光通信的精密熱控具有一定的指導(dǎo)和借鑒作用:

1)被動(dòng)熱控手段是基礎(chǔ):對(duì)不同區(qū)域和不同熱控指標(biāo)的部件要進(jìn)行隔熱設(shè)計(jì);同一區(qū)域的部件要開(kāi)展等溫化設(shè)計(jì);良好的散熱通道設(shè)計(jì)是重要環(huán)節(jié)，也是被動(dòng)熱控的主要難點(diǎn)，需要根據(jù)構(gòu)形設(shè)計(jì)適宜的有效可靠的散熱通道;

2)主動(dòng)熱控手段設(shè)計(jì)是關(guān)鍵:合理的加熱回路設(shè)計(jì)，是主動(dòng)熱控的難點(diǎn).加熱回路設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)先考慮對(duì)溫度敏感的部件，通過(guò)高精度控溫保證關(guān)鍵部件的溫度水平，同時(shí)也能一定程度的削弱周?chē)h(huán)境溫度波動(dòng)的影響.

References)

［1］徐香，王平.衛(wèi)星激光通信關(guān)鍵技術(shù)［J］.艦船電子工程，2008，28(3):87-89 Xu Xiang，Wang Ping.Key technologies of satellite laser communication［J］.Ship Electronic Engineering，2008，28(3):87-89(in Chinese)

［2］劉立人.衛(wèi)星激光通信I鏈路和終端技術(shù)［J］.中國(guó)激光，2007，34(1):1-18 Liu Liren.Laser communications in space I optical link and terminal technology ［J］.Chinese Journal of Lasers，2007，34(1):1-18(in Chinese)

［3］李曉峰.空地激光通信星載光學(xué)天線在太陽(yáng)陰影區(qū)的鏡面熱變形有限元分析［J］.光電子·激光，2006，17(2):183-186 Li Xiaofeng.Finite element analysis of mirror thermal distortion within the sun shadow in space-to-ground laser communication links［J］.Journal of Optoel Ectronics Laser，2006，17(2):183-186(in Chinese)

［4］趙立新.空間相機(jī)光學(xué)窗口的熱光學(xué)評(píng)價(jià)［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，1998，18(10):1440-1444 Zhao Lixin.Thermal-optical evaluation to optical windows of space camera［J］.Acta Optica Sinica，1998，18(10):1440-1444(in Chinese)

［5］李曉峰，汪波，胡渝.在軌運(yùn)行熱環(huán)境下的天線鏡面熱變形對(duì)空地激光通信鏈路的影響［J］.宇航學(xué)報(bào)，2005，26(5):581-585 Li Xiaofeng，Wang Bo，Hu Yu.Influence of mirror thermal distortion in therm osphere to space-to-ground laser comm unication links［J］.Journal of Astronautics，2005，26(5):581-585(in Chinese)

［6］譚立英，宋義偉，馬晶，等.溫度對(duì)潛望式激光通信終端SiC反射鏡性能影響［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2010，22(11):2545-2550 Tan Liying，Song Yiwei，Ma Jing，et al.Effects of temperature distribution on performance of SiC reflectors in periscopic laser communication terminals［J］.High Power Laser and Particle Beams，2010，22(11):2545-2550(in Chinese)

［7］ Kim I I，Hakakha H.Preliminary results of the STRV-2 satelliteto-ground lasercom experiment［C］//Free-Space Laser Communication Technologies XII.Bellingham:SPIE，2000:21-34

［8］ Arimoto Y.Preliminary result on laser communication experiment using engineering test satellite-VI(ETS-VI)［C］//Free-Space Laser CommunicationTechnologiesVII.Bellingham:SPIE，1995:151-158

［9］ Takayama Y，Jono T.Tracking and pointing characteristics of OICETS optical terminal in communication demonstrations with ground stations［C］//Free-Space Laser Communication Technologies XIX and Atmospheric Propagation of Electromagnetic Waves.Bellingham:SPIE，2007:1-9

［10］ 陳榮利，耿利寅，馬臻，等.空間相機(jī)的熱分析和熱設(shè)計(jì)［J］.光子學(xué)報(bào)，2006，35(1):154-156 Chen Rongli，Geng Liyin，Ma Zhen，et al.Thermal analysis and design for higher reslution space telescope［J］.Acta Potonica Sinica，2006，35(1):154-156(in Chinese)

［11］候增祺，胡金剛.航天器熱控制技術(shù)——原理及其應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2007:347-358，402-412 Hou Zengqi，Hu Jingang.Thema1 control techno1ogy of spacecraft［M］.Beijing:Chinese Science and Technology Press，2007:347-358，402-412(in Chinese)