靜止軌道實孔徑微波天線主反熱控方案研究

王 彥,康奧峰,曹韞真,江世臣

(1.上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109; 2.中科院 上海硅酸鹽研究所,上海 200050)

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靜止軌道實孔徑微波天線主反熱控方案研究

王 彥1,康奧峰1,曹韞真2,江世臣1

(1.上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109; 2.中科院 上海硅酸鹽研究所,上海 200050)

為減小靜止軌道高頻率、大口徑微波天線熱變形，提高天線的指向精度，對國內(nèi)外天線主反射材料和熱控方案進行了分析，發(fā)現(xiàn)其材料較一致選用碳纖維蒙皮/碳纖維蜂窩夾層，主反表面涂覆合適吸發(fā)比的真空沉積鋁(VDA)/Al2O3(SiOx)涂層，一方面保證天線電性能對反射率大于99.8%的需求，另一方面使天線整面在軌溫度梯度和波動較小。建立口徑5 m天線的熱仿真模型，分析了三種不同吸發(fā)比涂層的天線在不同典型工況下的溫度場分布，結果表明采用涂層吸發(fā)比0.2/0.2的主反熱變形較小。以碳纖維材料為基體，用真空蒸鍍沉積的方法在其表面鍍制不同厚度的銀層和二氧化硅層，制備出吸發(fā)比約0.2/0.2的VDA/SiO2熱控涂層，可用于形狀較復雜的曲面，且涂層的發(fā)射率隨保護層厚度可調(diào)，顯著提高了熱控設計的靈活性。

靜止軌道； 熱控； 實孔徑； 微波天線； 主反射面； 碳纖維增強聚合物； 真空沉積鋁； 吸發(fā)比

0 引言

靜止軌道氣象衛(wèi)星裝載毫米波與亞毫米波探測儀具有對三分之一地球連續(xù)觀測的能力，且其全天時、全天候的工作特點對迅變的災害天氣(臺風、暴雨等)的觀測具有明顯優(yōu)勢[1]。微波探測可透過強對流天氣的深厚云層，對云內(nèi)部的大氣不穩(wěn)定度進行觀測，在某些頻帶上不受云、霧、雨的限制，可對臺風和暴雨中心、路徑的內(nèi)部結構動力學、溫濕度進行細致的觀測，提高短臨即時天氣預報、臺風入境的預報和暴雨的預報精度。通過與光學衛(wèi)星、極軌氣象衛(wèi)星微波探測數(shù)據(jù)相互配合，綜合利用微波穿透非降水云的特性和可見、紅外光在晴空區(qū)探測的高精度特性，可進一步提高氣象參數(shù)的探測種類、精度、范圍、時間等指標。但靜止軌道毫米波與亞毫米波探測儀的研制難點是探測應用所需高地面分辨率的獲得。

文獻[2]指出，提高空間分辨率的方式有增大天線口徑、提高頻率和采用合成孔徑技術三種。目前國際上對地球靜止軌道微波探測儀的研究尚處于地面研制階段，無在軌運行實例。因合成孔徑技術所需的單元天線/接收機數(shù)過于龐大，系統(tǒng)復雜，不僅保持各單元天線/接收機間的一致性難度高，而且定標困難，故在軌運行的微波輻射計絕大多數(shù)采用實孔徑體制，國外主要有高級微波探測單元(AMSU)、先進技術微波輻射計(ATMS)、特種微波成像儀(SSMIS)、先進微波掃描輻射計(AMSR)和大氣溫度探測微波輻射計(MTVZA)等，國內(nèi)主要有神舟四號飛船，嫦娥一號、風云三號、海洋二號等衛(wèi)星搭載的被動式微波探測儀[3-8]。本文主要針對實孔徑天線進行研究。文獻[9]發(fā)現(xiàn)，工作頻率400 GHz的毫米波亞毫米波探測系統(tǒng)需采用4 m口徑的大反射面天線且型面精度要求優(yōu)于15 μm。靜止軌道每天外熱流的變化劇烈，不同時刻陽光的入射方向各異，主反射器凹面部分受陽光照射，部分不受照，因此沿天線主反射面方向存在較大的溫度梯度。大面陣微波天線外熱流復雜，變形影響因素非常復雜。根據(jù)變形誤差源的種類與特點，主要可分為天線構型、材料特性及溫度場的不均勻性三種。由于整流罩的限制，各國大天線陣面的結構形式均為在軌展開、拼接形式。本文分析了國外天線主反射器材料和熱控方案，研究了其材料選擇及熱控方式的較優(yōu)方案，建立熱仿真模型分析了調(diào)研數(shù)據(jù)，對靜止軌道實孔徑微波天線主反碳纖維表面VDA熱控涂層的制備進行了研究，以獲得所需的吸發(fā)比。

1 天線材料及熱控方案

20世紀70年代美國就已提出發(fā)展靜止軌道微波探測儀的設想[10]。但當時提出的頻率很寬，天線孔徑很大(通常大于4 m)，加之耗資巨大，因此僅停留在設計階段，未開展后續(xù)研制工作。

隨著元器件制造水平的不斷提高，輻射計的頻率已擴展到亞毫米波波段(頻率300 GHz以上)，美國又重新提出了靜止軌道微波輻射計(GEM)的方案。該方案將微波輻射計的頻率提高到亞毫米波段。歐洲也采納了該理念，提出了靜止軌道微波大氣探測儀(GOMAS)的靜止軌道毫米波、亞毫米波探測方案[3]。相關研究主要集中于天線的性能與應用，較少提及材料和熱控，主要涉及的是前期的方案論證報告及可行性論證報告。國內(nèi)針對靜止軌道的毫米波亞毫米波天線的材料和熱控方案尚不成熟。

歐空局在1988年第二代毫米波亞毫米波微波探測器(MWS)研究報告中指出，天線主反射面材料需具有的特性是：高反射率滿足電性能要求；低密度、高強度、高尺寸穩(wěn)定性滿足機械性能要求；高導熱系數(shù)、低熱膨脹系數(shù)滿足熱性能要求[11]。MWS天線的結構如圖1所示。

圖1 MWS天線構型Fig.1 MWS antenna structure

天文學高級研究中心(CASA)對工作頻段100～300 GHz的天線主反射面材料進行了評估。電性能方面，銅、銀、鋁和金的反射率均能滿足高于99.8%的要求。機械性能評估主要通過彈性模量與密度的比值衡量，比值越高則機械性能越好。熱性能評估則用熱導率/(膨脹系數(shù)×熱容)的值衡量，認為該值越大，材料隨溫度變化的穩(wěn)定性就越好。最終結合項目的特點，對材料的硬度、無源特性作進一步篩選，認為天線主反射面材料應選用高強度碳纖維(CFRP)復合材料，結構為蜂窩夾層結構?？紤]CFRP的反射率在工作頻率達到20 GHz已不能滿足要求，為保證天線的電性能要求需對天線表面進行金屬化涂層處理。選擇金屬涂層時認為銅、鋁更好，在夏至和冬至兩個工況下進行熱分析計算，并與白漆熱控涂層進行比較，結果發(fā)現(xiàn)天線主反射面在采用銅涂層時出現(xiàn)最高溫度，白漆則是最低溫度，鋁則表現(xiàn)出較好的熱行為。但如進一步降低天線溫度以滿足熱變形的需求，需在鋁表面真空沉積一層Al2O3，調(diào)節(jié)其表面光學屬性。之后，針對太陽吸收比和半球發(fā)射率比為0.2/0.2，0.2/0.05的兩種Al+Al2O3涂層，主反背面噴白漆和包覆多層隔熱組件兩種方式，以及不同天線反射面的4種星體布局進行16種組合在軌熱分析，發(fā)現(xiàn)：天線主反射面采用太陽吸收比和發(fā)射率(吸發(fā)比)0.2/0.2的Al+Al2O3(Al厚1.5 μm，Al2O3厚1 μm)涂層，主反背面包覆多層隔熱組件的熱控方式，天線的溫度水平居中，溫度梯度最小，對整星溫度影響最小，是最優(yōu)熱控方案。天線主反射面的位置最好布局在星體東、西面，對天線熱設計整體影響較小。

高級微波輻射計(MASR)的可行性論證報告指出：選擇天線面材料的關鍵因素是低膨脹系數(shù)和密度、高楊氏模量和抗張強度[12-14]。分析碳纖維、鎂、鈹、硼鋁、鋁、鈦、不銹鋼、不膨脹鋼材料相關四個物理量的組合發(fā)現(xiàn)：對靜止軌道上4.4 m天線主反射面來說，碳纖維材料性能遠優(yōu)于其它多種材料。

MASR大孔徑天線熱設計如圖2所示。其中：天線主反材料選擇高硬度密度比、低熱膨脹系數(shù)的石墨碳纖維材料，使其對溫度的波動和梯度不敏感；主反背面采用聚酰亞胺薄膜整體包覆，主反、副反及副反支桿全部涂覆VDA/SiOx熱控涂層，副反對地面采用厚50 μm的Kapton/Al/黑漆包覆，內(nèi)部噴涂黑漆或保持碳纖維本色增強輻射換熱。

圖2 MASR天線主反熱熱控方案Fig.2 Thermal control measures of MASR main reflector

文獻[15]對地球靜止軌道1.22 m實孔徑Q/V波段天線形面精度的預測和優(yōu)化進行了研究。天線主反射面最終采用厚0.4 mm的CFRP蒙皮，厚12 mm的碳蜂窩夾層結構。為減少形面精度天線表面熱控涂層采用太陽吸收比和發(fā)射率為0.62/0.67的物理沉積鋁(PVD)熱控涂層。仿真分析得知，其在軌RMS穩(wěn)定度可控制優(yōu)于30 μm。文獻[15]認為系統(tǒng)誤差主要包括：碳纖維上下兩層面板膠層厚度偏差；上下兩層面板的楊氏模量偏差；上下兩層的熱膨脹系數(shù)偏差；蜂窩芯的平均厚度與選擇的厚度偏差；上下兩層蒙皮厚度偏差。為減少系統(tǒng)偏差，可采取的措施有：選用同一批次的產(chǎn)品；制造加工類似產(chǎn)品部件時嚴格遵循時間進度表；CFRP蒙皮固化應采用相同的周期并保持相關參數(shù)一致；采用特殊的折疊和鍛壓絞合技術減少系統(tǒng)的角度校準誤差；對重復或類似的工序應采用相同的加工工具和機床；每個加工工藝流程應有高度的可重復性。

國外地球靜止軌道毫米波亞毫米波天線相關參數(shù)及熱控方案見表1。表1中：α，ε分別為太陽吸收率和發(fā)射率；RMS表示均方值。由表1可知：對地球靜止軌道實口徑天線，較一致地選用碳纖維蒙皮/碳纖維蜂窩夾層結構，使天線有較好的機械性能和優(yōu)良的熱穩(wěn)定性。通過天線主反射面正面采用真空沉積一層鋁(VDA)使其電性能滿足要求，而后在鋁層上再真空沉積一層硅的氧化物或氧化鋁作為VDA的保護層且通過調(diào)節(jié)其厚度獲得所需的吸發(fā)比，減小天線反射面的溫度梯度，以滿足在軌熱變形的要求。涂層的太陽吸發(fā)比主要有0.2/0.2，0.2/0.05，0.62/0.67三種。天線背面包覆多層隔熱組件減小了大反射面天線對星體的溫度影響。

2 熱仿真分析計算

本文分析計算模型為5 m拼接天線，軌道為地球同步軌道，天線本身無熱耗。天線主反射器采用碳纖維蒙皮/碳纖維蜂窩夾層結構，反射器表面采用VDA/Al2O3(SiOx)涂層，天線主反背面及背架包覆多層組件(MLI)，天線背架與星體由10 mm玻璃鋼隔熱墊進行隔熱安裝。分別取主反射面吸發(fā)比為0.62/0.67，0.2/0.05，0.2/0.2三種情況進行仿真分析，建立的有限元模型如圖3所示，所得典型工況下主反表面溫度分析結果分別如圖4～6所示。

表1 靜止軌道微波天線相關參數(shù)及熱控方案

圖3 熱仿真計算有限元模型Fig.3 Finite element model of thermal simulation computation

圖4 吸收發(fā)射比0.62/0.67時典型工況天線主反表面溫度Fig.4 Temperature curves of main reflector with 0.62/ 0.67 ratio of solar absorption and emissivity in different external heat flux conditions

圖5 吸收發(fā)射比0.2/0.05時典型工況天線主反表面溫度Fig.5 Temperature curves of main reflector with 0.2/ 0.05 ratio of solar absorption and emissivity in different external heat flux conditions

圖6 吸收發(fā)射比0.2/0.2時典型工況天線主反表面溫度Fig.6 Temperature curves of main reflector with 0.2/ 0.2 ratio of solar absorption and emissivity in different external heat flux conditions

由圖4～6可知：VDA涂層吸發(fā)比為0.2/0.05時，天線反射面最高溫度270 ℃，存在結構失效的風險；VDA涂層吸發(fā)比為0.62/0.67時，反射器在軌溫度范圍為-140～+110 ℃，反射面溫度與基準溫度(20 ℃)偏差為160，90 ℃，兩者間的差別較大不利于減少熱變形。Q/V波段天線在軌溫度及RMS分析結果如圖7所示[15]。由圖7可知：春秋分時刻溫度波動范圍為-113～+92 ℃，RMS最大值時刻反射器最高溫度約40 ℃，最低溫度-70 ℃且出現(xiàn)在夾角260°(太陽照天線側面)位置；VDA熱控涂層的太陽吸發(fā)比為0.2/0.2時，春分時刻天線主反射面溫度波動范圍為-105～+117 ℃，與基準溫度偏差分別為125，97 ℃，兩者間的差別較小且與文獻中結果對應，因此有可能將熱變形控制在較小的范圍內(nèi)。

圖7 Q/V波段天線在軌熱及熱變形仿真分析Fig.7 Thermal and RMS simulation of Q/V band reflector on orbit

3 VDA涂層研究

與中國科學院上海硅酸鹽研究所特種無機涂層重點實驗室合作開展了在60 mm×60 mm碳纖維樣片表面進行VDA熱控涂層的研究。先試驗了以Al為高反射膜層。因國內(nèi)碳纖維基材表面的粗糙度較大，沉積Al膜后太陽吸收比均大于0.4，超出了要求的0.2，為此對碳纖維基材進行拋光，再沉積鋁膜能獲得所需的太陽吸收比。但考慮大面積工程樣件拋光的難度，否決了用Al作為高反膜的可行性。

Ag的太陽光譜反射率優(yōu)于Al，在粗糙表面的反射率也較高，可滿足要求的太陽吸收比性能。但Ag在大氣和濕熱環(huán)境中的穩(wěn)定性較差，需采用好的鍍膜工藝進行保護。

采用真空蒸鍍沉積的方法在樣片表面鍍制不同厚度的銀(Ag)層與二氧化硅(SiO2)層以滿足特定的太陽吸收比與發(fā)射率需求。其中金屬Ag層為高反射層，降低樣片的太陽吸收比；二氧化硅層(SiO2)為紅外吸收層，通過控制沉積厚度實現(xiàn)不同的發(fā)射率。為提高蒸鍍薄膜的致密度與結合力，鍍制過程中采用離子源輔助沉積。制備完成的樣片如圖8所示。

為考察涂層在大氣存放環(huán)境的穩(wěn)定性，對制備的涂層進行了濕熱試驗。濕熱試驗在濕熱箱中進行，試驗溫度50 ℃，濕度95%，放置24 h，所得樣片研制過程各階段的太陽吸收比和發(fā)射率見表2。由表2可知：涂層吸發(fā)比能穩(wěn)定在0.2/0.2左右。

圖8 碳纖維樣片F(xiàn)ig.8 CFRP sample and CFRP with VDA

表2 各階段光學屬性

4 結束語

國內(nèi)對靜止軌道毫米波亞毫米波探測儀的研究尚處于起步階段，國外相關研究通過天線電性能、機械性能、熱性能要求，認為天線反射面的材料必須具有較低的密度、較高的強度及彈性模量、較低的膨脹系數(shù)和較高的導熱系數(shù)。研究多種材料后認為選用碳纖維蒙皮/碳纖維蜂窩夾層結構，將使天線在軌運行時有較好的機械強度及熱穩(wěn)定性?？紤]電性能要求天線反射率大于99.8%，需要在主反正面沉積一層VDA，而后在鋁層上再真空沉積一層硅的氧化物或氧化鋁作為VDA的保護層，通過調(diào)節(jié)厚度獲得合適的吸發(fā)比，從而使天線整面溫度梯度較小。本文針對國外報道的3種光學屬性，對5 m天線進行在軌仿真分析，獲得了采用太陽吸收比和發(fā)射率均為0.2的VDA/Al2O3(SiOx)涂層，其溫度場分布與國外研究獲得的溫度場相近，有可能滿足在軌形面精度要求。研究為后續(xù)國內(nèi)開展靜止軌道實口徑微波天線的熱設計提供了研制思路，并實現(xiàn)了碳纖維表面VDA/SiO2涂層的制備，且太陽吸收比和發(fā)射率在濕熱試驗及1個月存儲后均能穩(wěn)定在約0.2/0.2。后續(xù)將進行驗證試驗，確保涂層在軌的穩(wěn)定性和可靠性。因該種涂層為蒸發(fā)-沉積型，因此可用于形狀較復雜的曲面，且該涂層的發(fā)射率隨保護層厚度可調(diào)，顯著提高了熱控設計的靈活性。

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Research of Real Aperture Microwave Antenna Main Reflector Thermal Control Measures on Geostationary Earth Orbit

WANG Yan1, KANG Ao-feng1, CAO Yun-zhen2, JIANG Shi-chen1

(1. Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109, China; 2. Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China)

In order to reduce the thermal distortion of high-frequency and large caliber microwave antenna and improve the directional precision, the study of main reflector material and thermal control measures in domestic and abroad was carried. It found that the carbon fiber reinforcement plastic/carbon fiber reinforcement plastic honeycomb was selected as the main reflector material and the main reflector was covered with vacuum deposit aluminum (VDA)/Al2O3(SiOx) to make the reflectivity higher than 99.8% and satisfy the electrical performance and to make the main reflector have less temperature grads and fluctuation. Thermal simulation model of main reflector with 5 m was set. Temperature fields with three different ratios of solar absorption and emissivity of the coat under various operation modes were analyzed. The results showed that the thermal distortion could be less when the main reflector surface was covered with 0.2/0.2 ratio of solar absorption and emissivity of the coat. The VDA/SiO2metallic layer on CFRP surface was manufactured and the anticipant the ratio of solar absorption and emissivity (0.2/0.2) was obtained. The coat can be applied on complex curved surface and the emissivity of the coat can be adjusted according to the coat thickness, which is benefit to the design flexibility of thermal control.

Geostationary orbit; Thermal control; Real aperture; Microwave antenna; Main reflector; Carbon fiber reinforcement plastic; Vacuum deposit aluminum; Ratio of solar absorption and emissivity

1006-1630(2016)05-0106-07

2016-06-08；

2016-07-27

王 彥(1981—)，男，博士，主要研究方向為航天器熱控制技術。

V45

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2016.05.017