劉 紅，譚 俊，唐宗斌，葛澤稷

（上海穹窿科技有限公司，上海 200240）

0 引言

隨著航天通信需求越來(lái)越高，空間激光通信產(chǎn)品向著輕量化與小型化、更高通信速率、更遠(yuǎn)通信距離發(fā)展[1-3]。近幾年，微小衛(wèi)星的發(fā)展，微波通信已不能滿(mǎn)足星載輕量化與低功耗的需求[4]，因此使得激光通信載荷光機(jī)部分變得緊湊，從而導(dǎo)致熱源呈現(xiàn)多點(diǎn)分布的特點(diǎn)，這對(duì)于控溫提出了新的要求：一方面需在資源有限的情況下，保障激光光學(xué)終端工作在20 ℃左右的環(huán)境下，溫度指標(biāo)要求比較高；另一方面，當(dāng)用于光信號(hào)傳輸?shù)墓鈱W(xué)元件因溫度變化引起變形量過(guò)大時(shí)會(huì)造成光路扭曲，從而影響激光通信的總體性能，因此對(duì)溫度穩(wěn)定性要求高。譚立英等以RerraSAR-X 衛(wèi)星上的激光通信終端結(jié)構(gòu)為例，建立了潛望式激光通信終端二維轉(zhuǎn)臺(tái)反射鏡的有限元分析模型，得出溫度與反射鏡熱形變引起的瞄準(zhǔn)誤差、遠(yuǎn)場(chǎng)功率衰減間的關(guān)系；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，結(jié)果表明系統(tǒng)的溫度是影響其性能指標(biāo)的重要因素[5]。李曉峰等指出反射鏡面的熱變形將導(dǎo)致傳輸光束擴(kuò)展、波前畸變，從而惡化空地激光通信鏈路的性能[6]。孟恒輝等介紹了激光通信器熱設(shè)計(jì)與熱試驗(yàn)中針對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和大功率密度光學(xué)器件的散熱方案，試驗(yàn)表明主動(dòng)與被動(dòng)熱控相結(jié)合可以達(dá)到控溫目標(biāo)[7]；在激光通信終端主體散熱設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)采用導(dǎo)熱條與熱管的途徑可以解決核心散熱問(wèn)題，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了該方法的可行性[8]。劉紹然等對(duì)外露式星載光機(jī)電設(shè)備進(jìn)行了熱設(shè)計(jì)的間接設(shè)計(jì)驗(yàn)證，研究表明通過(guò)熱仿真分析和地面試驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)行模型校正，可為熱試驗(yàn)難度大的光機(jī)電設(shè)備在軌溫度預(yù)示提供有效的借鑒辦法[9]。劉百麟等開(kāi)展了激光通信光學(xué)天線(xiàn)的熱控技術(shù)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，強(qiáng)日照期對(duì)天線(xiàn)采用避光策略可將主鏡與次鏡之間的溫差控制在3.8 ℃以?xún)?nèi)[10]。

綜上可以看出，溫度對(duì)激光通信系統(tǒng)性能的影響研究大都遵循傳統(tǒng)熱控思路，采用較多的輔助熱控產(chǎn)品，這一方面使得產(chǎn)品的總質(zhì)量增加，另一方面溫度的精度控制指標(biāo)較寬泛，不能滿(mǎn)足高性能激光通信載荷光學(xué)終端的熱控要求。因此，本文依托自研項(xiàng)目的特點(diǎn)與難點(diǎn)，設(shè)計(jì)了精密控溫系統(tǒng)，采用各區(qū)域獨(dú)立溫控以及主動(dòng)與被動(dòng)相結(jié)合的控溫方法，旨在將激光通信載荷的溫度穩(wěn)定性指標(biāo)控制在±1 ℃/30 min 范圍之內(nèi)，確保激光光學(xué)終端的工作性能。

1 控溫技術(shù)難點(diǎn)

基于某500 km 軌道高度的衛(wèi)星系統(tǒng)的激光通信載荷控溫技術(shù)，主要涉及的難點(diǎn)有：

1）激光通信載荷布局在衛(wèi)星艙外對(duì)地面，產(chǎn)品面臨的空間環(huán)境比較惡劣，單軌空間熱流波動(dòng)可達(dá)到180 W/m2，相應(yīng)地，載荷本體的熱流波動(dòng)較大，增加了控溫難度；

2）激光通信載荷為多空間結(jié)構(gòu)下的熱源分布，熱源可相差5 W，且結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱分布不均勻，控溫呈現(xiàn)多點(diǎn)化；

3）激光通信載荷熱容小，溫度波動(dòng)較劇烈；

4）激光通信載荷需要精密控溫，載荷的工作模式為間歇工作，單軌工作時(shí)間為20 min，要求其工作期間的溫度穩(wěn)定性須在±1 ℃/30 min 以?xún)?nèi)。

為滿(mǎn)足激光通信載荷的控溫要求，高效利用熱控的系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，本文針對(duì)此臺(tái)多空間熱分布結(jié)構(gòu)的激光通信終端（含轉(zhuǎn)臺(tái)），通過(guò)一體化設(shè)計(jì)對(duì)熱源分布進(jìn)行耦合優(yōu)化，針對(duì)單點(diǎn)熱源的局部實(shí)施多級(jí)控溫，同時(shí)利用PI 控制策略，使得整機(jī)在滿(mǎn)足精密控溫的情況下實(shí)現(xiàn)加熱補(bǔ)償需求最優(yōu)。

2 熱控設(shè)計(jì)方案

2.1 控溫對(duì)象分析

如圖1 所示，激光通信光學(xué)終端一般包含2 個(gè)信號(hào)收發(fā)模塊，并共用1 個(gè)收發(fā)分離模塊和1 個(gè)光學(xué)天線(xiàn)模塊，終端通過(guò)光學(xué)天線(xiàn)模塊向自由空間發(fā)射出激光信號(hào)，同時(shí)接收來(lái)自自由空間的激光信號(hào)。

圖1 激光通信光學(xué)終端內(nèi)部模塊組成示意Fig.1 Schematic of internal modules of optical terminal for laser communication

某自研項(xiàng)目中的激光通信載荷光學(xué)終端結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 某激光通信載荷光學(xué)終端結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic of optical terminal structure for a laser communication payload

該激光通信載荷光學(xué)終端為多空間結(jié)構(gòu)，其控溫系統(tǒng)根據(jù)控溫要求需分為核心精密控溫模塊和非精密控溫模塊，如圖3 所示，核心精密控溫模塊的控溫對(duì)象為光學(xué)終端的核心部件——主鏡、次鏡及轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)。確定核心部件主要考慮的是：當(dāng)主鏡和次鏡受溫度波動(dòng)影響時(shí)，材料容易發(fā)生形變，從而造成光路變化，可直接影響到激光信號(hào)鏈路的接收與發(fā)射；轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)作為激光通信載荷的旋轉(zhuǎn)與俯仰控制機(jī)構(gòu)，當(dāng)溫度變化過(guò)大時(shí)，軸承咬合面會(huì)發(fā)生形變，出現(xiàn)“卡死”現(xiàn)象，導(dǎo)致跟蹤與掃描功能喪失，直接影響激光捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤（APT）系統(tǒng)中光學(xué)鏡片功能的實(shí)現(xiàn)[11]。

圖3 多空間結(jié)構(gòu)控溫對(duì)象組成示意Fig.3 Schematic of thermal control object in multi-space structure

2.2 精密控溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)精密控溫要求，設(shè)計(jì)了包含多空間結(jié)構(gòu)控溫對(duì)象、屏蔽熱流層、加熱回路控制單元和控制策略的精密控溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合空間環(huán)境與內(nèi)部發(fā)熱元件的熱流影響，進(jìn)行屏蔽熱流層以及加熱回路控制單元設(shè)置，最終達(dá)到精密控制目標(biāo)對(duì)象溫度的目的。

精密控溫系統(tǒng)中屏蔽熱流層的組成如圖4 所示，主要包括多層隔熱組件和散熱涂層，其中：多層隔熱組件的主要功能是保溫，可抑制空間環(huán)境對(duì)控溫對(duì)象的降溫或者升溫影響；散熱涂層的功能為降溫，可有效降低控溫對(duì)象自身發(fā)熱對(duì)元器件溫度的影響，從而保障元器件功能性能。多層隔熱組件和散熱涂層相結(jié)合，配合電控系統(tǒng)對(duì)加熱回路控制單元的供電管理，可使控溫對(duì)象的溫度保證在精密溫控要求或者常規(guī)的在軌溫度范圍之內(nèi)。

圖4 屏蔽熱流層組成示意Fig.4 Schematic of heat flow shielding layer

圖5 加熱回路控制單元組成示意Fig.5 Schematic of heat circuit control unit

2.3 熱控設(shè)計(jì)方案

由于不同的控溫對(duì)象控溫指標(biāo)不同，考慮控溫對(duì)象為多空間的4 塊分布區(qū)域，設(shè)計(jì)方案采用對(duì)各區(qū)域獨(dú)立溫控、主動(dòng)與被動(dòng)相結(jié)合的控溫方式。

1）主鏡控溫模塊。主鏡為光學(xué)器件，位于光學(xué)終端的內(nèi)部，與空間環(huán)境沒(méi)有直接輻射換熱的關(guān)系，控溫穩(wěn)定性目標(biāo)為±1 ℃/30 min。因此，采用間接主動(dòng)控溫方案。將控溫加熱單元設(shè)計(jì)在主鏡支架上獨(dú)立均勻布置，將測(cè)溫元件布置在主鏡邊緣處（不影響光路），建立加熱回路控制系統(tǒng)，按既定的控溫軟件邏輯進(jìn)行控溫。

2）次鏡控溫模塊。次鏡為自身熱容較小的光學(xué)器件，位于艙外，受空間環(huán)境影響較大，控溫穩(wěn)定性目標(biāo)為±1 ℃/30 min，因此，也采用間接主被動(dòng)相結(jié)合控溫方案：對(duì)次鏡支架進(jìn)行主動(dòng)加熱，同時(shí)包覆多層以降低空間環(huán)境的熱波動(dòng)影響，在次鏡支架上設(shè)置測(cè)溫元件，建立加熱回路控制系統(tǒng)，按既定的控溫軟件邏輯進(jìn)行控溫。

3）方位電機(jī)控溫模塊。方位電機(jī)位于光學(xué)終端的“肩膀”內(nèi)，無(wú)法進(jìn)行直接加熱補(bǔ)償與測(cè)溫，控溫穩(wěn)定性目標(biāo)為±3 ℃/30 min，因此采用輻射方案：對(duì)光學(xué)終端的“肩膀”進(jìn)行熱補(bǔ)償，同時(shí)進(jìn)行溫度臺(tái)階控制；為了減少功率補(bǔ)償?shù)男枨螅瑢?duì)加熱器熱實(shí)施后的“肩膀”進(jìn)行多層隔熱設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足電機(jī)的溫度指標(biāo)要求。

4）轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)控溫模塊。轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)自身功耗較小，為保證其在較好的溫度條件下工作，采用多層屏蔽熱流的保溫方案，同時(shí)通過(guò)內(nèi)熱流層輻射實(shí)現(xiàn)內(nèi)部熱輻射傳遞，并通過(guò)對(duì)電機(jī)內(nèi)部側(cè)向的結(jié)構(gòu)進(jìn)行間接熱補(bǔ)償，達(dá)到精確控溫的目的，并有效降低熱補(bǔ)償需求。

圖6 為激光通信載荷光學(xué)終端的精密控溫系統(tǒng)硬件布局，包括加熱器、測(cè)溫元件、隔熱組件及散熱涂層。

圖6 某激光通信載荷光學(xué)終端精密控溫系統(tǒng)布局示意Fig.6 Layout schematic of precision thermal control system for optical terminal of a laser communication payload

加熱回路控制單元的軟件控制策略以控溫目標(biāo)為核心，根據(jù)測(cè)溫元件的溫度判讀進(jìn)行加熱回路控制：當(dāng)測(cè)溫元件溫度低于目標(biāo)溫度時(shí)，控制軟件進(jìn)行補(bǔ)償功耗需求和加熱時(shí)間計(jì)算，增加加熱器的“開(kāi)”狀態(tài)占空比控制溫度升高；考慮到熱容的過(guò)沖效應(yīng)，當(dāng)測(cè)溫元件溫度接近目標(biāo)溫度時(shí)，減小加熱器的“開(kāi)”狀態(tài)占空比，以減緩加熱過(guò)沖效應(yīng)。

3 熱控試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述熱控設(shè)計(jì)方案加工投產(chǎn)激光通信載荷光學(xué)終端的結(jié)構(gòu)熱控件，開(kāi)展熱控試驗(yàn)驗(yàn)證。熱源采用與原產(chǎn)品中等位等效的模擬辦法。激光光學(xué)終端的內(nèi)部熱源（電機(jī)、碼盤(pán)、相機(jī)等）及其表面的空間輻射熱流均采用薄膜加熱器進(jìn)行模擬，根據(jù)不同的工況進(jìn)行不同的電流供電加熱。試驗(yàn)在真空罐中進(jìn)行，產(chǎn)品與基板隔熱安裝，熱控產(chǎn)品及熱實(shí)施采用與熱控設(shè)計(jì)方案盡量一致的裝配方案，參與試驗(yàn)驗(yàn)證的熱實(shí)施成品如圖7 所示。

試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)置了5 個(gè)任務(wù)工況，覆蓋了低溫和高溫工況，針對(duì)高、低溫不同工況采用不同的控溫策略。在試驗(yàn)過(guò)程中不僅對(duì)各溫度梯度進(jìn)行了試驗(yàn)?zāi)M，還進(jìn)行了導(dǎo)熱索應(yīng)用驗(yàn)證。

3.1 低溫工況

在低溫工況下，光學(xué)終端處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，整機(jī)零功耗，外熱流按照夏至日附近的低溫?zé)崃鬟M(jìn)行模擬。為滿(mǎn)足單機(jī)在軌的低溫存儲(chǔ)溫度目標(biāo)，采用閉環(huán)控溫策略，將各核心部件溫度控制在0 ℃左右，圖8 為主要核心部件的控溫曲線(xiàn)?？梢钥闯?，通過(guò)主動(dòng)溫控、閉環(huán)控制，光學(xué)終端核心部件的溫度均控制在0 ℃左右，溫度穩(wěn)定性?xún)?yōu)于±1 ℃/30 min，滿(mǎn)足指標(biāo)要求。

3.2 高溫工況

高溫工況下光學(xué)終端處于常值工作狀態(tài)，整機(jī)功耗為5.6 W，外熱流按照冬至日附近的高溫?zé)崃鬟M(jìn)行模擬，由于本方案采用偏低溫設(shè)計(jì)，通過(guò)主動(dòng)補(bǔ)償保證溫度在工作目標(biāo)穩(wěn)定范圍內(nèi)，因此采用閉環(huán)控溫策略，將各核心部件溫度控制在20 ℃左右，圖9 為各主要核心部件的控溫曲線(xiàn)?？梢钥闯觯ㄟ^(guò)主動(dòng)溫控、閉環(huán)控制，光學(xué)終端核心部件的溫度均控制在20 ℃左右，溫度穩(wěn)定性?xún)?yōu)于±1 ℃/30 min，滿(mǎn)足指標(biāo)要求。

圖9 高溫工況下各核心部件的控溫曲線(xiàn)Fig.9 Thermal control curves of the key components under high temperature condition

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)某項(xiàng)目的激光通信載荷開(kāi)展的熱控設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證，采用了合理的熱控方法與設(shè)計(jì)邏輯，有效保障了溫度穩(wěn)定性指標(biāo)±1℃/30 min 的實(shí)現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)：針對(duì)多空間結(jié)構(gòu)的熱源分布型激光通信載荷光學(xué)設(shè)備進(jìn)行一體化耦合設(shè)計(jì)，可有效降低對(duì)能源的需求；對(duì)于熱容較小的部件，可通過(guò)間接主動(dòng)熱控的形式進(jìn)行局部分級(jí)控溫；主動(dòng)與被動(dòng)結(jié)合的熱控技術(shù)可以有效降低能耗，同時(shí)實(shí)現(xiàn)精密控溫。

本文研究結(jié)果可為同類(lèi)型產(chǎn)品的熱控設(shè)計(jì)提供借鑒。