激光通信終端主體熱設(shè)計與熱分析

孟恒輝 譚滄海 耿利寅 李國強

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，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，有著廣泛的應(yīng)用前景.

激光通信是一個光學鏈路過程，研究表明，熱變形引起的偏差會導致通信質(zhì)量下降.目前，溫度場的影響已受到廣泛關(guān)注［3-5］.李曉峰等人［3］通過幾種典型工況對激光通信終端反射鏡熱變形導致的光束指向誤差進行了定性的分析;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］，開展了空間溫度場對平面反射鏡面形影響的理論研究.上述研究只是針對激光通信的部分部件開展研究，很少對整個部件的溫度場開展研究.研究結(jié)果均表明，系統(tǒng)的溫度水平和均勻性是關(guān)系到性能指標的重要因素.

國外星地激光通信的發(fā)展處于領(lǐng)先優(yōu)勢，主要是在以下3個平臺上開展［7-9］:STRV-2、ETS-V1(GOLD)和OICETS(KODEN/KIODO).成功進行激光通信功能驗證的只有ETS-V1和OICETS.而在國內(nèi)，類似的激光通信設(shè)備的研究均處于地面研制階段，沒有公開的文獻針對在軌實際應(yīng)用開展研究，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，對整個系統(tǒng)進行了熱設(shè)計和熱分析工作，并對在軌溫度場進行了比較和確認.

1 載荷介紹

激光通信終端主體是我國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)指標處于國際領(lǐng)先水平.其安裝在衛(wèi)星的+Z/+Y側(cè)，由二維轉(zhuǎn)臺(滾動軸和方位軸)、光學主體及其支架、望遠鏡、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和望遠鏡組件安裝在光學主體支架上，光學主體支架與安裝板(+Z面)相連;二維轉(zhuǎn)臺位于星外+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間為30 min，期間二維轉(zhuǎn)臺熱耗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)備指標要求見表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

表2 溫度均勻性考核指標

2 外熱流分析

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

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

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

表3 軌道參數(shù)

圖2 衛(wèi)星夏至各面到達外熱流瞬態(tài)曲線

圖3 衛(wèi)星10月15日各面到達外熱流瞬態(tài)曲線

表4 衛(wèi)星各方向表面的到達外熱流 W/m2

3 熱設(shè)計方案

采用機、電、熱一體化的設(shè)計思路，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)計手段，以被動熱控和主動熱控相結(jié)合開展熱設(shè)計工作［10］.

3.1 等溫化設(shè)計

為了增強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;對于溫度要求苛刻的光路系統(tǒng)部分，如望遠鏡的遮光罩內(nèi)表面、望遠鏡次鏡支架等都需要發(fā)黑處理，一方面滿足消光需要，另一方面增強了各部件之間的輻射換熱效果.

3.2 隔熱設(shè)計

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

導熱隔熱設(shè)計，主要體現(xiàn)在設(shè)計隔熱墊上.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，對阻隔輻射換熱效果顯著，通過多層的換熱一般可忽略不計.載荷除了進光口外，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)備溫度波動對終端主體溫度場的影響.

3.3 區(qū)域化設(shè)計

載荷根據(jù)安裝、工作特點以及溫度指標范圍可劃分為兩個區(qū)域:星內(nèi)和星外區(qū)域.星內(nèi)部件主要是光學平臺主體、望遠鏡組件、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，溫度范圍要求寬，為10～45℃.

由于兩者之間的溫度指標不同，在設(shè)計時通過隔熱設(shè)計來弱化兩者之間的關(guān)聯(lián)，并且對這兩部分單獨進行設(shè)計，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，工作時溫度上升明顯，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)熱元器件安裝時需要填涂導熱填料，在APD、CCD和LD上安裝導熱板，導熱板與集熱板相連，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，通過熱管把集熱板上的熱量傳導到散熱窗口上散出.導熱板與集熱板之間、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

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，在衛(wèi)星的+Z板上開散熱窗口.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)計散熱窗口時，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產(chǎn)生的熱耗，使熱設(shè)計有更廣泛的適應(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)計具有魯棒性.

高精度控溫是由控溫盒來執(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，與控溫目標值進行比對，計算控溫回路的加熱時間，對控溫回路采取開關(guān)加比例控制模式.控溫周期為12 s，控溫精度達0.1℃.

在光學平臺、二維轉(zhuǎn)臺、望遠鏡等部位布置控溫回路;此外還需要對散熱窗口采取低溫功率補償措施，從而確保低溫工況下，APD，CCD，LD和光學平臺的溫度不低于溫度指標下限.共設(shè)計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］

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

其中，(cm)j代表節(jié)點j的熱容量;τ為時間;Qsj為節(jié)點j吸收的空間外熱流;Qpj為節(jié)點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)計狀態(tài)，采用Thermal Desktop軟件建立了熱分析數(shù)學模型.對主體結(jié)構(gòu)上的倒角、螺釘、墊片等不劃分網(wǎng)格，在模型中考慮其計算熱阻;發(fā)熱設(shè)備部件作為一個等溫體，平均分布在設(shè)備殼體上;忽略激光器工作時，激光脈沖對設(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個熱分析小艙內(nèi)，來模擬其在衛(wèi)星上的真實情況.其中安裝板采用真實外熱流模擬狀態(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個節(jié)點.其中對于望遠鏡組件進行局部加密，分析周圍環(huán)境對其溫度均勻性的影響.采用有限差分法和集總參數(shù)法進行仿真分析［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面到達外熱流最小情況出現(xiàn)在10月15日，衛(wèi)星+Z面到達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邊界確定了極端高低溫工況的參數(shù)，詳見表5所示.

表5 計算工況列表

4.4 計算匯總

對激光通信終端主體進行瞬態(tài)熱分析工作，計算結(jié)果見表6，溫度均勻性統(tǒng)計表見表7.

表6 溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

表7 溫度均勻性統(tǒng)計表

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，滾動軸、方位軸、望遠鏡次鏡和主光學平臺的溫度都滿足要求.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，因此光學器件需要補償功率.熱分析結(jié)果表明控溫回路設(shè)計合理，APD，CCD和LD的溫度均能達到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.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)計合理.

為了進一步分析關(guān)鍵部件的溫度的變化，圖7～圖9給出了發(fā)熱元器件、光學平臺和望遠鏡次鏡相應(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，光學平臺的溫度受到發(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平臺，其溫度波動與相鄰的發(fā)熱元器件溫度波動較為一致.這也進一步說明，發(fā)熱元器件的工作，一定程度上破壞了光學平臺的整體溫度水平.從圖9中可看出，望遠鏡次鏡的溫度在周期內(nèi)波動小，這是由于望遠鏡次鏡遠離發(fā)熱元器件，并且望遠鏡遮光罩采用高精度控溫，使得望遠鏡次鏡的溫度不受周圍環(huán)境影響.

圖7 發(fā)熱元器件溫度隨時間的變化

圖8 光學平臺溫度隨時間的變化

圖9 望遠鏡次鏡溫度分布

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.由于滾動軸的進光口正對著復雜的外空間環(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，也使得其周圍部件的溫度波動較大，尤其是光學平臺，其在高溫工況下的均勻性不如低溫工況.而望遠鏡組件部分，其位于終端主體內(nèi)部，并且采用高精度控溫，受周圍環(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，目前在軌已運行2年多，設(shè)備狀態(tài)良好.選擇在軌2個典型時刻對溫度進行比對和說明.在軌飛行中，激光通信終端主體大部分時段處于不工作狀態(tài).從表8中數(shù)據(jù)可看出，在軌溫度與計算分析數(shù)據(jù)誤差在1℃之內(nèi)，進一步說明熱設(shè)計和熱分析的正確性.

表8 溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

5 結(jié)束語

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，以被動熱控和主動熱控相結(jié)合的方式開展熱設(shè)計工作.經(jīng)過極端工況的熱分析計算，并與在軌飛行數(shù)據(jù)比對，驗證了激光通信終端主體熱控設(shè)計的有效性和正確性.這對激光通信的精密熱控具有一定的指導和借鑒作用:

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

2)主動熱控手段設(shè)計是關(guān)鍵:合理的加熱回路設(shè)計，是主動熱控的難點.加熱回路設(shè)計時，優(yōu)先考慮對溫度敏感的部件，通過高精度控溫保證關(guān)鍵部件的溫度水平，同時也能一定程度的削弱周圍環(huán)境溫度波動的影響.

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