多重疊可展開天線反射器熱控設(shè)計和數(shù)值分析①

徐向陽，王旭東，張建波，王 波

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

目前地球同步衛(wèi)星通常要求不少于15年的使用壽命，而作為艙外最重要有效載荷之一的天線分系統(tǒng)，承擔(dān)著型號傳輸和發(fā)射的關(guān)鍵作用，其可靠性必須在全壽命周期得到保障。然而，由于直接暴露于艙外環(huán)境，天線反射器在軌使用時溫度呈現(xiàn)周期性變化，且反射面溫度分布極度不均勻，呈現(xiàn)極低溫極高溫和大溫差的特點，最直接的結(jié)果是會給反射器帶來較大的熱應(yīng)力和熱變形，從而對通信容量和波束指向等產(chǎn)生不利影響。陳志華等[1]對星載拋物面天線反射器的結(jié)構(gòu)熱變形進行了分析，指出航天器繞地飛行一個周期內(nèi)天線反射器溫度極不均勻，這將使天線反射器產(chǎn)生大的瞬時熱變形。為提高對熱變形和熱應(yīng)力分析結(jié)果的預(yù)測準確性，王帥[2]對星載天線的熱-結(jié)構(gòu)耦合仿真建模方法和熱仿真分析方法進行了研究。何安琦等[3]對地球同步軌道衛(wèi)星上安裝于對地面艙板上的點波束天線進行了熱分析，指出反射器在進入和駛出地球陰影區(qū)時會發(fā)生急劇溫度變化，可能造成反射器熱致震動，妨礙反射器正常工作。

如上所述，先前的研究主要是考慮反射器溫度變化導(dǎo)致的熱致震動和熱變形，反射器自身的溫度水平和溫度耐受卻少有人提及。受現(xiàn)行反射器制備工藝的限制，為了保證反射器在軌能夠長期穩(wěn)定運行并保持型面精度，在考慮到計算確定度情況下，反射器的計算工作溫度需低于110℃。本文主要針對基于東四平臺的地球同步軌道衛(wèi)星東西艙板上的固面天線反射器熱控進行設(shè)計和數(shù)值分析，通過對多種熱控方案的計算結(jié)果進行對比分析，篩選出能滿足設(shè)計指標的反射器熱控設(shè)計方案，對反射器的熱控設(shè)計起到指導(dǎo)作用。

1 固面天線反射器傳統(tǒng)熱控設(shè)計

1.1 固面天線反射器結(jié)構(gòu)形式

東四平臺東西艙板上固面天線的反射器布置方式主要有兩種：單幅可展開式和多重疊可展開式。單幅可展開式采用單個反射面獨占艙板，通過四個鎖緊座固定在艙板上，天線展開在一個維度進行。隨著通信容量的增大，多重疊可展開式天線也開始逐漸采用，收攏狀態(tài)時多個反射面重疊布置，天線展開時通過指向機構(gòu)改變展開方向，在兩個維度向平臺兩側(cè)伸展，如圖1所示。

圖1 可展開固面天線反射器結(jié)構(gòu)布局示意圖(左側(cè)為單幅式可展開式，右側(cè)為多重 疊可展開式)Fig.1 Schematic layout of antennas(the left:single deployable antenna,the right:overlapping deployable antennas)

1.2 反射器傳統(tǒng)熱控方案介紹

傳統(tǒng)的熱控方案[4]對反射器的正面(凹面)采用噴涂防靜電白漆處理，以降低天線受照時的溫度，背面及加強筋均用低溫多層隔熱組件(即MLI，以下簡稱“多層”)進行包覆，多層的外表面膜通常采用黑色聚酰亞胺膜(簡稱“黑膜”)，目的是減小其表面反射率，以減少其反射太陽光對太敏視場的影響，如圖2所示。

圖2 固面天線反射器熱控示意圖Fig.2 Schematic diagram of thermal control method of overlapping reflectors

1.3 傳統(tǒng)熱控方案結(jié)果分析

圖3給出了某型號單幅式天線固面反射器在軌遙測溫度與數(shù)值計算結(jié)果對比，可以看出，數(shù)值分析結(jié)果與反射器在軌溫度變換趨勢和幅值均符合良好，考慮到數(shù)值模型的白漆退化速率和衛(wèi)星姿態(tài)等與實際在軌狀態(tài)存在一定偏差，認為數(shù)值方法是正確且有效的。

圖3 某型號單幅式固面反射器在軌 遙測溫度與數(shù)值分析對比Fig.3 comparison of telemetry temperature in orbit and numerical analysis of single deployable antenna

表1給出了雙重疊天線采用傳統(tǒng)的正面噴白漆背面包覆低溫多層熱控方案在典型工況下的數(shù)值分析結(jié)果。

表1 雙重疊天線反射器在軌數(shù)值計算溫度Table 1 Numerical calculated temperature of overlapping reflectors

分析結(jié)果表明，壽命初期時白漆的吸收率較低，反射器的溫度能夠控制在指標范圍內(nèi)，然而隨著時間推移，白漆出現(xiàn)退化吸收率逐漸升高，傳統(tǒng)的正面噴白漆背面包覆多層的熱控方式不足以解決反射器在壽命末期的高溫耐受問題，在考慮繼承性的基礎(chǔ)上需要對熱控方案進行變更或引入新的熱控方案。

2 天線反射器多種熱控方案對比

2.1 三種熱控方案描述

如前所述，固面反射器傳統(tǒng)的熱控方案為反射器正面噴白漆，反射器背面及支撐結(jié)構(gòu)包覆低溫多層。然而多重疊可展開這種新的天線布局形式的出現(xiàn)，導(dǎo)致反射器的受照角度和受照時間與單幅式有明顯差異，反射器出現(xiàn)高溫超標的風(fēng)險。考慮到反射器的在軌溫度均勻性和力學(xué)條件繼承性，在保持反射器背面多層包覆條件不變的情況下，需要減少反射器正面的吸收熱流，由此引入兩種改進型的新熱控方案，如表2所示。

表2 固面天線反射器熱控方案Table 2 Thermal control methods of overlapping reflectors

2.2 三種熱控方案結(jié)果分析

對三種熱控方案在典型工況下的溫度進行了數(shù)值計算，如表3所示。

表2 固面天線反射器熱控方案溫度對比Table 3 Temperature comparison of different thermal control methods

如前所述，傳統(tǒng)的熱控方案將導(dǎo)致反射器溫度過高，在軌可靠性差，無法滿足多重疊可展開天線的使用要求。反射器碳纖維裸面包覆雙面鍺膜能夠減少反射面上的到達熱流，在一定程度上可以有效降低反射器的溫度，使得反射器滿足溫度指標。而采用反射面噴白漆后再包覆雙面鍍鍺膜則能夠在減少反射面的到達熱流的同時，利用白漆的低吸收率進一步減少反射面的實際吸收熱流，使得反射器的溫度能夠進一步降低。對比新方案1(裸面+鍺膜)和新方案2(白漆+鍺膜)，如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)，新方案1的溫度接近指標要求的上限，同時由于方案1的初期和末期不存在熱控材料退化現(xiàn)象，從初期開始反射器將承受高溫和大溫差的溫度交變，這對反射器在軌長期運行不利，而方案2的反射器初期極限高溫較低，雖然反射器低溫也偏低，但總體溫差較方案1小，隨著白漆的退化，反射器總體溫度逐步緩慢升高，反射器長期在軌運行可靠性更高。然而相對于方案1，方案2的熱控重量會偏大，會一定程度上增加運載成本。

圖4 方案1和方案2初期和末期溫度對比Fig.4 Temperature comparison of method 1 and method 2 at the beginning and end of reflector life

3 結(jié)束語

隨著高通量多重疊可展開通信天線的使用，傳統(tǒng)的可展開天線反射器熱控設(shè)計已經(jīng)無法滿足反射器在軌長期穩(wěn)定的運行，在考慮繼承的基礎(chǔ)上要對傳統(tǒng)熱控方案進行改進和更新。本文以某型號雙重疊可展開天線反射器熱控設(shè)計為基礎(chǔ)，對傳統(tǒng)熱控方案和兩種改進型的熱控方案進行了對比分析，分析發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的反射面只噴涂白漆的熱控方案已經(jīng)無法滿足熱控需求，在壽命末期會出現(xiàn)高溫風(fēng)險，需要通過采用反射面包覆雙面鍺膜降低表面太陽到達熱流的方式來降低極限高溫，采用裸面包覆鍺膜的方式重量較輕，比較合適短壽命衛(wèi)星，而采用反射面噴涂白漆后包覆鍺膜的方式則能夠有效控制反射器的極限高溫，同時縮小高低溫極限溫差，對天線反射器長期穩(wěn)定運行更加有利。