光連接器在航天器型號(hào)上的應(yīng)用分析

龐博

摘要：主要介紹了美國(guó)NASA航天器用光纜組件應(yīng)用及發(fā)展，對(duì)目前在用的AVIM及MTP光連接器件進(jìn)行了介紹，并以NASA水星高度計(jì)MLA及月球高度計(jì)LOLA為例，介紹了光纜組件的組成及功能，旨在為我國(guó)航天用光纜組件的型號(hào)應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：光纜組件;航天器;激光測(cè)距;光纖器件

中圖分類號(hào)：TN253

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.08.067

1 航天器用光纖器件使用概況

自從1978年首次將無源光纖器件應(yīng)用在航天器開始，其在航天領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)走過了40多個(gè)年頭，1992美國(guó)NASA戈達(dá)德航天中心（Goddard Space Flight Center）在小型探索者項(xiàng)目（ SMEX）中證實(shí)了光纖器件可應(yīng)用在航天器總線傳輸系統(tǒng)中，1992年該項(xiàng)目所發(fā)射的第一個(gè)航天器太陽磁層異常粒子探測(cè)器截至2008年還能通過其光纜傳輸系統(tǒng)向地面?zhèn)鬏斢行У奶綔y(cè)數(shù)據(jù)。美國(guó)NASA現(xiàn)主要使用MTP陣列連接器和菱形AVIM單模/多模光連接器件[1]。

菱形AVIM單模/多模光連接器件由洛克希德馬丁公司生產(chǎn)，在20世紀(jì)90年代中期被NASA和ESA批準(zhǔn)獲得航天器應(yīng)用資格，該光連接器件首次使用在地球激光測(cè)高儀（ GIAS）實(shí)現(xiàn)單模與多模光纖的互聯(lián)上并能很好地抵抗輻照誘導(dǎo)閃爍效應(yīng)的影響，也應(yīng)用在了水星高度計(jì)（ MIA）與月球偵查軌道器（ IRO）上。

MTP連接器是20世紀(jì)90年代中期為兼容垂直腔面激光器而發(fā)展的數(shù)據(jù)通信總線連接器，由NASA戈達(dá)德航天中心第一次應(yīng)用在星載光纖數(shù)據(jù)總線（ FODB）上。以下主要對(duì)兩種光纖器件及所應(yīng)用的宇航任務(wù)進(jìn)行介紹。

2 兩種典型光連接器特點(diǎn)

MTP陣列連接器由美國(guó)Conec有限公司制造，主要與光纖數(shù)據(jù)總線（ FODB）配套使用，用于這種應(yīng)用的光纖是商用級(jí)100/140 ym多模光纖。光纖帶狀電纜由W.L.Gore公司制造。該光纜配置包括ePTFE粘合劑、芳綸纖維強(qiáng)度構(gòu)件和kynar護(hù)套。MTP連接器組件的平均插入損耗為每通道0.35 dB。每個(gè)連接器都裝配了應(yīng)變釋放裝置并使用符合太空戰(zhàn)程序的套圈墊。在質(zhì)量和成本降低方面，MTP連接器大約比以前使用的38999型連接器輕33倍，便宜20多倍。MTP連接器端面如圖1所示。

20世紀(jì)90年代中期洛克希德馬丁公司研究人員，為NASA選擇單模光纖確定空間合格或合格的光連接器件時(shí)，發(fā)現(xiàn)市場(chǎng)上沒有達(dá)到要求的產(chǎn)品，NASA要求連接器必須能夠使每對(duì)配對(duì)的初始插入損耗不超過0.5 dB的最大值，在暴露于環(huán)境之后，每對(duì)配對(duì)的插入損耗不能超過0.7 dB。隨后研究人員通過“主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)”套圈終止技術(shù)在單模光纖上實(shí)現(xiàn)典型的0.2 dB插入損耗，該種帶有主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的連接器即為AVIM DIN型光連接器件，外形如圖2所示[2]。

3 光連接器在航天器型號(hào)的應(yīng)用情況

3.1 在水星激光高度計(jì)上的應(yīng)用

水星激光高度計(jì)（ MIA）是第一個(gè)前往水星的軌道飛行器（信使號(hào)）上的七個(gè)科學(xué)儀器之一。信使號(hào)于2004-08發(fā)射，2011-03抵達(dá)水星。NASA通過建立的荷馬激光測(cè)距系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在信使號(hào)前往水星過程中跨越2 400萬千米的測(cè)距鏈路，這是迄今為止在太空中進(jìn)行的最長(zhǎng)的激光鏈路。MLA儀器由四架望遠(yuǎn)鏡組成，如圖3 （a）所示，其設(shè)計(jì)精度為0.5 m.MLA激光飛行時(shí)間測(cè)量和航天器軌道位置數(shù)據(jù)將有助于確定行星的表面高度、天平動(dòng)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)[3]。

作為接收光學(xué)系統(tǒng)的一部分，如圖3 （b）所示，四根獨(dú)立的躍折射率多模光纖從接收光學(xué)望遠(yuǎn)鏡連接到MLA獨(dú)立探測(cè)器。該光纜組件采用AVIM連接器，光纖采用丹頓公司的1 064 nm的抗反射涂層涂覆。光纖主要功能是將由4臺(tái)接收望遠(yuǎn)鏡收集行星表面反射回來的部分脈沖能量聚焦在4根光纖上，通過光學(xué)帶通濾波器將信號(hào)傳遞給硅光電二極管。4個(gè)MLA接收望遠(yuǎn)鏡安裝在主外殼的角落處。每個(gè)望遠(yuǎn)鏡的輸出信號(hào)通過光纖耦合到安裝在主外殼下的探測(cè)孔光學(xué)組件上[4]。

3.2 在月球軌道激光高度計(jì)上的應(yīng)用

LOLA效果圖如圖4所示。

月球軌道激光高度計(jì)（LOLA堤月球軌道探測(cè)器（IRO）上對(duì)月球地形環(huán)境進(jìn)行探測(cè)的儀器，LOLA僅由一架望遠(yuǎn)鏡組成，其設(shè)計(jì)精度為O.l m。使用短脈沖1 064 nm激光器工作，通過測(cè)量反射的時(shí)間進(jìn)行工作。LOLA利用衍射光學(xué)元件將一束激光分割成五束單獨(dú)的脈沖光束，在接收光的后面有五根位置非常精確的光纖，將每束光束與指定的探測(cè)器連接起來。

為了保證從儀器表面反射到儀器上的五個(gè)點(diǎn)的完整性，研制了一種光纖陣列，將整個(gè)陣列封裝成一個(gè)單一的保偏型菱形AVIM連接器。并選用200/220 μm臺(tái)階折射率FI系列光纖滿足傳輸性能要求，圖5顯示了所有5根200/220 μm階躍折射率光纖整體圖及端面圖形[5]。

激光測(cè)距（ LR）任務(wù)是LRO的一個(gè)附加任務(wù)，主要挑戰(zhàn)是如何將來自地球的532 nm的激光脈沖傳輸?shù)皆虑蚩睖y(cè)軌道飛行器的另一端，脈沖將被激光測(cè)距望遠(yuǎn)鏡收集并聚焦到陣列組件中，同時(shí)將激光和接收器的光學(xué)聚焦到月球上。主要方案是通過一根長(zhǎng)光纜將來自LR接收望遠(yuǎn)鏡的光線穿過高增益天線系統(tǒng)（ HGAS）框架，并且沿著HGAS吊桿向下，穿過一個(gè)一次性可展開的心軸，然后繞著航天器的另一側(cè)到達(dá)LOLA探測(cè)器?？偩嚯x小于lOm，但在彎曲約束下，受低溫和運(yùn)動(dòng)影響較大。戈達(dá)德太空飛行中心（ GSFC）專門開發(fā)了一種使用定制菱形AVIM PM連接器的7根光纖陣列。這項(xiàng)技術(shù)使激光測(cè)距應(yīng)用于LRO成為可能。由于高性能的要求，選用400/440 μm臺(tái)階折射率FV系列光纖，在設(shè)計(jì)初期就決定將光纖束與定制的菱形AVIM光連接器件一起使用[5]。

激光測(cè)距應(yīng)用需要總共三根電纜，如圖6所示，以便在與幾個(gè)子系統(tǒng)集成時(shí)更加容易。子系統(tǒng)包括框架、HGAS臂和LRO航天飛機(jī)。由于需要三個(gè)組件，因此，需要特別注意這些組件之間的互連。光纖陣列連接器套圈是調(diào)節(jié)這些接口插入損耗的重點(diǎn)。每根電纜由7根flexlite電纜光纜繞著與flexlite電纜外徑大致相同的PFA緩沖材料包覆而成。

4 總結(jié)

本文以NASA水星高度計(jì)和月球軌道探測(cè)器光纜組件為例，介紹了光纜組件在太空任務(wù)中功能及應(yīng)用特點(diǎn)。主要針對(duì)未來我國(guó)航天器光纜型號(hào)需求，對(duì)國(guó)外已成功應(yīng)用的宇航型號(hào)進(jìn)行分析，為我國(guó)相關(guān)研究開展航天器用光纜設(shè)計(jì)及可靠性驗(yàn)證技術(shù)研究提供有力支撐。

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