星載激光通信終端在軌機動對溫度影響

劉紹然，李一帆，張文睿，陶家生

(1. 中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094；2. 西安空間無線電技術(shù)研究所，西安 710100)

0 引 言

空間激光通信是一種新興的通信方式，相較于傳統(tǒng)的微波通信，具有體積小、重量輕、速率高、保密性好、無頻譜資源限制等優(yōu)勢，可滿足未來高數(shù)據(jù)率、高清晰度、高分辨率的空間數(shù)據(jù)傳輸需求，將會得到更廣泛的應(yīng)用[1-2]。激光通信是一個光學(xué)鏈路過程，終端對溫度指標要求嚴苛。研究表明，溫度交變和溫度梯度引起的指向機構(gòu)變形或鏡面畸變會導(dǎo)致跟瞄或通信質(zhì)量下降，終端的溫度水平和均勻度是關(guān)系到光通信鏈路系統(tǒng)性能的重要因素[3-4]。終端的部分結(jié)構(gòu)暴露在衛(wèi)星外側(cè)，其瞬態(tài)溫度場是由熱環(huán)境、自身構(gòu)型、姿態(tài)、熱耗和熱控措施共同作用的結(jié)果，但目前還沒有公開報道針對終端在軌機動導(dǎo)致姿態(tài)變化，進而對溫度的影響研究。

光通信終端的在軌狀態(tài)熱分析計算的溫度是終端系統(tǒng)設(shè)計及其優(yōu)化的重要參考數(shù)據(jù)。但根據(jù)公開的文獻，目前對航天器運動設(shè)備的溫度場仿真多是固定姿態(tài)、不同軌道位置下的熱分析，如文獻[4-5]進行在軌熱分析時僅考慮外熱流隨軌道的周期性變化，沒有反映設(shè)備在軌機動的影響，文獻[6]將二維轉(zhuǎn)臺認為對日定向，在日照區(qū)內(nèi)同一表面始終受陽光照射。而文獻[7-8]雖然考慮了在軌機動，但都將二維轉(zhuǎn)動簡化為“一靜一動”的一維轉(zhuǎn)動。他們都沒有根據(jù)實際在軌工作姿態(tài)仿真瞬態(tài)溫度場。另外，在研制光通信終端時，進行準確的熱試驗驗證是必要的，獲得的溫度是評價系統(tǒng)性能的主要參數(shù)[9]。要準確地模擬外熱流對復(fù)雜構(gòu)型光機電設(shè)備的影響，可選擇太陽模擬器模擬入射太陽光，但設(shè)備若要完成二維運動，需要增設(shè)大質(zhì)量的配重，對設(shè)備形成輻射遮擋和熱容附加，而如果簡化熱試驗中設(shè)備的機動模式，保持靜止或僅進行一維運動，則要討論姿態(tài)不同對溫度場的影響。

針對上述問題，根據(jù)GEO激光通信終端在軌多姿態(tài)變化的特點，建立熱分析及機動模型，進行考慮粗瞄機構(gòu)在軌機動影響下的瞬態(tài)仿真和計算，得出終端溫度的周期性瞬態(tài)響應(yīng)，分析在軌機動的熱影響。

1 激光通信終端

激光通信終端安裝在衛(wèi)星平臺對地板外部的北側(cè)，以便進行光信號的對地收發(fā)，粗瞄機構(gòu)和光學(xué)天線示意圖見圖1。這種結(jié)構(gòu)通過反射式卡塞格倫天線實現(xiàn)光束的收發(fā)合一，在粗瞄機構(gòu)上安裝兩個45°反射鏡改變光束方向。粗瞄機構(gòu)是終端進行瞄準、捕獲和跟蹤的二維粗指向調(diào)節(jié)機構(gòu)，采用潛望式結(jié)構(gòu)形式，主要由電機、支撐結(jié)構(gòu)和光電碼盤等組成，在電機驅(qū)動下帶動反射鏡實現(xiàn)方位、俯仰兩軸轉(zhuǎn)動，此時，方位和俯仰電機各有1 W的熱耗。

太陽直接照射到光學(xué)元件上時會引起鏡片表面膜系損傷，造成系統(tǒng)無法工作，甚至永久失效[10-11]。陽光對鏡組的直接照射只能采取在軌機動規(guī)避，以鏡組不被太陽直射為約束前提，經(jīng)軌道和光學(xué)計算，設(shè)計終端在軌運行策略見圖2。

相對于傳統(tǒng)的星載設(shè)備，激光通信終端在軌運行情況具有以下特點：

1)終端在1個軌道周期內(nèi)需要經(jīng)歷3次大的姿態(tài)調(diào)整，其中在星上時4∶00-12∶00時間段，為避免太陽光照射光學(xué)天線,粗瞄機構(gòu)繞方位軸機動向西，俯仰軸指向地面站工作。

2)在12∶00位置，為避免太陽光照射光學(xué)天線，粗瞄機構(gòu)繞方位軸機動向東，俯仰軸指向地面站，持續(xù)工作至20∶00。

3)在20∶00-4∶00+1時間段內(nèi)，為避免太陽光照射反射鏡和光學(xué)天線，粗瞄機構(gòu)轉(zhuǎn)向衛(wèi)星對地板，避光休眠。

以上運行策略保證了終端鏡組不會受到太陽直射，但遮光罩和粗瞄機構(gòu)的內(nèi)外表面仍會被太陽照射，在軌道周期內(nèi)產(chǎn)生大幅波動，進而導(dǎo)致溫度劇烈變化，而終端在工作時要求溫度的高穩(wěn)定度和均勻度，如主、次鏡的工作溫度指標為25±2 ℃，電機為10～60 ℃，反射鏡為0～40 ℃(不均勻度≤5 ℃)。因此對終端采取了相應(yīng)的熱控措施，主要包括：終端外表面包覆多層隔熱組件；終端隔熱安裝于衛(wèi)星；主、次鏡的正面采用高反射鍍層處理；天線筒外表面粘貼低發(fā)射率薄膜；其余各部件的外表面進行高發(fā)射率表面處理；各主要部件進行主動控溫。

2 熱分析

2.1 熱分析模型

激光通信終端瞬態(tài)溫度場分析是一個包含時間、空間變量的高度非線性的問題，很難進行理論分析，本文使用NX UG有限元軟件的Space System Thermal模塊，采用數(shù)值分析求解瞬態(tài)溫度場。終端系統(tǒng)復(fù)雜，零件繁多，運行周期內(nèi)入口面朝向不同，給整個溫度場計算帶來了困難。在正確描述終端熱結(jié)構(gòu)的前提下進行結(jié)構(gòu)簡化和合理假設(shè)，以縮短求解時間，主要如下：

1)接插件與電纜線不參與建模，并忽略其與星內(nèi)設(shè)備之間的連接導(dǎo)熱影響。

2)忽略結(jié)構(gòu)孔(槽)、結(jié)構(gòu)倒角、小短邊以及螺釘?shù)任⑿缀翁卣鲗鳠岬挠绊?，但在模型中考慮其熱容。

3)殼體、印刷線路板均為薄殼結(jié)構(gòu)，采用Shell單元劃分網(wǎng)格。

4)為準確反映主鏡、次鏡、反射鏡等溫度均勻度敏感部件的溫度，采用Solid單元進行模擬，并進行局部單元加密。

5)計算各部(零)件間的接觸熱阻，施加熱耦合關(guān)系。

6)各表面一般視為漫發(fā)射和漫反射表面，對于鏡面或輻射透過材料，按實際性質(zhì)考慮為鏡反射表面或透過性材料。

7)離散方位軸和俯仰軸的轉(zhuǎn)動時刻，使用Articulation功能，分步完成對應(yīng)維度的機動模擬。

建立的熱分析有限元模型如圖3所示(為便于顯示，隱去了多層和熱相關(guān)部件)。

2.2 熱分析工況

終端處于艙外，除了機動姿態(tài)不同，其溫度還受季節(jié)、地球陰影、涂層退化等因素的影響。研究結(jié)果表明[12]，在壽命末期極端高溫工況時，終端溫度場嚴重超出指標要求上限是制約正常光通信的癥結(jié)。根據(jù)GEO外熱流變化規(guī)律、熱控涂層退化趨勢、終端位于衛(wèi)星北側(cè)，確定壽命末期夏至和分點為2個極端高溫工況，下文以此為背景，設(shè)計3種典型姿態(tài)進行瞬態(tài)溫度場的仿真比較，如表1所示。

表1 熱分析工況設(shè)置Table 1 Simulation cases

終端機動過程用時約30 s，而終端溫度場穩(wěn)定時間大于10 min，在姿態(tài)仿真時認為機動瞬時完成，忽略中間過程。溫度場仿真的起始時刻設(shè)為星上時午夜，初始溫度設(shè)為22 ℃，進行3個軌道周期的計算，只采納第3周期的結(jié)果。

3 計算結(jié)果與討論

3.1 壽命末期夏至

整個終端的部件較多，選擇有代表性的電機表面、主鏡、次鏡和反射鏡等部位進行比較，給出其壽命末期夏至日的溫度瞬態(tài)變化，如圖4～6所示。

由圖4～6可知，終端的溫度明顯受太陽輻射影響，溫度最大峰值出現(xiàn)在午夜之后，從星上時18∶00起，太陽光逐步照射終端各部位，導(dǎo)致溫度逐漸升至高峰，在進入背陽區(qū)后溫度下降。但由于位置和熱容不同，各部件的溫度變化不一致，位于終端結(jié)構(gòu)前端的俯仰反射鏡在固定姿態(tài)模式下，溫度波動高達36.5 ℃/天；而末端的主鏡部分位于艙內(nèi)，自身熱慣性較大，溫度峰值出現(xiàn)時刻滯后且波動最小，僅8.9 ℃/天。固定姿態(tài)或一維轉(zhuǎn)動相對二維轉(zhuǎn)動，溫度變化存在較大差異，固定姿態(tài)時各部件溫度波動最大，高達22.9 ℃(俯仰反射鏡的11700 s處)。

圖4所示電機位于終端外側(cè)，雖然在軌機動導(dǎo)致吸收外熱流變化，但表面溫度波動小于光學(xué)天線和反射鏡，這反映多層隔熱組件的隔熱效果明顯；由于俯仰電機位于粗瞄機構(gòu)的出光口處，受到遮光罩和冷黑空間的影響大于方位電機，溫度波動更大。

圖5所示主次鏡位于粗瞄機構(gòu)內(nèi)部，在固定姿態(tài)下的溫度波動大于一維轉(zhuǎn)動，反映出上、下午方位軸分別機動向西、東，有利于減少午夜太陽入侵。在二維轉(zhuǎn)動下的溫度波動也大于一維轉(zhuǎn)動，這是由于機動至停靠位阻隔了光學(xué)系統(tǒng)向冷黑空間熱排散。

圖6所示俯仰反射鏡在固定姿態(tài)和一維轉(zhuǎn)動下的溫度波動程度相差不大，與二維轉(zhuǎn)動對比，表明機動至?？课唬苊馓柟庹丈浞瓷溏R，可有效緩解溫度波動，溫度最高可降低21.6 ℃。溫差變化曲線表明，如果不在午夜前后避光機動，俯仰反射鏡不能長期穩(wěn)定工作。方位反射鏡與俯仰反射鏡不同，三種機動模式的溫度水平都符合指標要求，一維轉(zhuǎn)動和二維轉(zhuǎn)動下的溫度波動程度相差不大，但在固定姿態(tài)下超出了溫差要求。

3.2 壽命末期分點

由圖7～9可知，同夏至相似，在分點的向陽區(qū)溫度大幅攀升，而在背陽區(qū)溫度下降；各部位溫度變化的特點也相似，固定姿態(tài)中俯仰電機的溫度波動最大(30.1 ℃/天)，此模式中主鏡溫度波動最小(6.3 ℃/天)；固定、一維轉(zhuǎn)動相對二維轉(zhuǎn)動，溫度存在較大差異，最大可達23.0 ℃(俯仰電機的84600 s處)。但與夏至不同，分點時午夜前后約72 min的地影區(qū)內(nèi)，除終端末端的主鏡外，各部位的溫度、溫差下降，固定姿態(tài)的俯仰反射鏡降幅最大，為9.6 ℃。此外，各前端部件的最高溫度相較于夏至有6～16 ℃下降，但后端部件的最高溫度相差不大。

綜合分析極端高溫工況，光學(xué)天線和反射鏡溫度場嚴重超出指標要求上限是制約光通信的瓶頸，其中夏至?xí)r熱環(huán)境更為惡劣，僅3.5 h的可工作時長。不同位置的各部件受到機動模式的影響程度也不同，其中光學(xué)天線工作溫度范圍窄，布置在艙外的粗瞄機構(gòu)內(nèi)部，受到外熱流劇烈變化、熱排散能力不足的雙重影響，難以控制在期望的溫度穩(wěn)定度。

4 結(jié) 論

1)對于激光通信終端，在軌機動模式對溫度場影響劇烈，在熱分析(熱試驗)過程中準確模擬機動導(dǎo)致的姿態(tài)變化是提供正確分析(試驗)結(jié)果的前提，姿態(tài)簡化后得到的結(jié)果與真實值差別巨大，不能用于檢驗熱設(shè)計。即使在部分時間段內(nèi)(如背陽區(qū))，也不能用靜止或一維運動替代模擬二維運動的熱影響。

2)受空間熱環(huán)境的影響，光學(xué)天線和反射鏡的溫度場出現(xiàn)熱致擾動現(xiàn)象制約了光通信有效時長，而電機在各種機動模式中的溫度變化都符合工作要求。在避光機動的二維轉(zhuǎn)動模式中，反射鏡可獲得16 h的最長可工作時間。

3)合適的避光機動方法可有效抑制空間熱環(huán)境誘導(dǎo)的終端溫度場擾動，是延長在軌光通信時間的重要手段。在設(shè)計避光機動策略時，為保證系統(tǒng)獲得最佳可工作時間，需要根據(jù)各部位的溫度響應(yīng)綜合制定。