高軌星載GNSS天線與平臺結(jié)構(gòu)一體化熱耦合設(shè)計方法

李新 趙劍鋒 趙啟偉 韓崇巍

(北京空間飛行器總體設(shè)計部 空間熱控技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100094)

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)通過衛(wèi)星為用戶提供實時、高精度的位置和時間信息等服務(wù)[1]，各種軍事運載體的定位導(dǎo)航都需要衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的支持[2]。天線作為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的載體，其性能的好壞對導(dǎo)航精度有直接的影響，具有相當(dāng)重要的實際意義[3]。

高軌GNSS系統(tǒng)具有實時性高、自主性強、精度較高的特點，可以為高軌航天器提供穩(wěn)定可靠的位置、速度信息。目前GNSS天線已廣泛裝備在各種地球軌道衛(wèi)星上[4]，但在高軌衛(wèi)星上裝備GNSS天線，目前已知的作為高軌飛行器中軌道最高的一類，也是較為特殊的一類，僅在對探月軌道上的飛行器利用GNSS定位進行了初步的探索與研究[5-6]。

星載天線由于受到空間外熱流的影響，溫度變化劇烈，但天線的溫度要求范圍一般比整星的溫度要求寬，因此星載天線的熱控一般采取與整星隔熱的方式單獨考慮。雖然這種設(shè)計接口及界面清晰，但隨著天線技術(shù)的發(fā)展，特別是伴隨著天線性能的不斷提高，對天線工作溫度的要求越來越嚴(yán)苛。對于溫度范圍要求較窄的天線，單獨進行熱控就需要較多的資源(包括質(zhì)量、能源等)，而此時整星產(chǎn)生的廢熱和其本身的大熱容蓄熱功能卻不能被有效利用，從而整星設(shè)計不夠優(yōu)化。

本文以更好保證天線最佳工作溫度、縮短天線在軌高低溫差、更節(jié)省整星資源為設(shè)計優(yōu)化方向，提出了一種高軌星載GNSS天線與整星平臺一體化熱耦合的設(shè)計方法，并采用熱分析仿真和在軌實測的手段對熱控設(shè)計的有效性進行了驗證。

1 熱設(shè)計需求分析

目前，高軌衛(wèi)星主要以通信衛(wèi)星為主，但隨著天線技術(shù)的不斷發(fā)展以及衛(wèi)星本身的功能需求，在高軌衛(wèi)星上配置GNSS天線以實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的位置、速度信息已成為衛(wèi)星發(fā)展的趨勢。然而地球同步軌道空間熱環(huán)境較惡劣，外熱流變化劇烈，需要對星外GNSS天線進行單獨的熱設(shè)計。

1.1 GNSS天線的組成及溫控要求

GNSS天線是衛(wèi)星有效載荷的組成系統(tǒng)之一，包括12個天線陣元、圓形框架、蓋板及SMA型插座組成，安裝在衛(wèi)星的+Z對地面。12個小單元陣列可分為輻射單元、輻射腔體、饋電網(wǎng)絡(luò)板等幾個模塊，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

天線本身沒有熱耗，工作溫度可適應(yīng)-35～+110 ℃。雖然天線可適應(yīng)的工作溫度范圍較寬，但適宜的工作溫度、更窄的溫區(qū)無疑對天線本身性能及熱變形的影響都會更小，因此本文重點研究如何采取更優(yōu)化的熱控方案使GNSS天線盡可能工作在適宜的溫度范圍。

1.2 需求分析

GNSS天線是應(yīng)用于高軌衛(wèi)星中的地球同步軌道衛(wèi)星上的，從衛(wèi)星發(fā)射起，天線隨衛(wèi)星一同經(jīng)歷以下幾個不同的熱環(huán)境階段：發(fā)射前準(zhǔn)備階段、主動段、轉(zhuǎn)移軌道、準(zhǔn)地球同步軌道及同步軌道。

發(fā)射前和主動段，天線均位于整流罩內(nèi)，且時間很短，可保證天線處于適宜的溫度范圍內(nèi)。

轉(zhuǎn)移軌道衛(wèi)星軌道高度36 000 km，-Z軸指向太陽，天線所在的+Z面沒有太陽熱流，同時地球紅外輻射和地球反照的影響可以忽略不計，因此為低溫工況，此時主要靠主動控溫來保證天線不超工作溫度下限。

衛(wèi)星定點后，運行在36 000 km高度的地球同步軌道上，衛(wèi)星受到的地球輻射和地球反照加熱均可忽略不計，影響衛(wèi)星溫度變化的外熱源是太陽輻射。天線安裝在星體外表面，直接受空間外熱流的影響，空間外熱流的變化很大[7]。天線所在的對地面外熱流在分點和至點一天內(nèi)的變化曲線如圖2、圖3所示。

圖2 分點對地面太陽直接入射外熱流變化曲線

圖3 至點對地面太陽直接入射外熱流變化曲線Fig.3 Direct incident flux curve of the solstices on earth deck panel

由于天線自身的外形結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，加上星體及星外部件之間的相互遮擋，導(dǎo)致天線的外熱流復(fù)雜，變化劇烈，這也將導(dǎo)致天線的溫度變化劇烈。因此，必須采取措施減小天線的溫度變化幅度和梯度，控制在其能承受的范圍內(nèi)。

2 熱設(shè)計方法與原理分析

2.1 熱設(shè)計方法

星外天線一般采取與整星隔熱的方式單獨考慮熱控措施。這種設(shè)計優(yōu)點是界面清晰，星外部件不會影響整星溫度水平，但對某些星外載荷，會導(dǎo)致在軌溫度變化范圍大，為縮減高低溫差，就需要更多的資源保障。

基于GNSS天線本身構(gòu)型、尺寸大小和安裝位置，本文提出一種GNSS天線與整星一體化熱耦合設(shè)計方法，將天線與整星協(xié)同熱設(shè)計，形成封閉腔輻射換熱系統(tǒng)，從而進一步縮減天線在軌高低溫差，為整星節(jié)約能源，具體措施如下。

(1)一體化設(shè)計。在對地板天線安裝位置開出與天線同等大小的圓洞，將天線“鑲嵌”在對地板，與對地板成為一個整體，天線正面面對冷空間，背面面對整星載荷艙內(nèi)部，天線背面與整星內(nèi)部形成一個封閉腔輻射換熱系統(tǒng)。

(2)熱控涂層設(shè)計。在天線正面噴涂高發(fā)射低吸收的ACR-1白漆，用以削弱太陽外熱流的影響，降低高溫工況溫度；背面黑色陽極氧化，強化與載荷艙內(nèi)部的熱交換。

(3)主動控溫設(shè)計。為避免天線溫度過低及對天線周邊推進管路的影響，設(shè)計了兩主兩備共4路補償加熱回路，每路功率15 W，總計60 W。

2.2 原理分析

在任一時刻t，天線的能量收支平衡方程為

Q0+Qh+Qs+Qrad-in=Qrad-out

(1)

式中：Q0為天線本身熱耗，Qh為加熱器熱量，Qs為吸收的太陽外熱流，Qrad-in為天線吸收的整星內(nèi)部的輻射熱量，Qrad-out為天線向外輻射的熱量，包括向整星內(nèi)部和冷空間輻射。

如果從封閉腔輻射換熱系統(tǒng)角度考慮，式(1)又可以表達為

Q0+Qh+Qs+Φ1=Qrad-space

(2)

式中：Φ1為天線背面在所處的封閉腔內(nèi)的凈輻射換熱量，屬于多表面系統(tǒng)輻射換熱的計算，Qrad-space為天線正面向冷空間輻射的熱量。將式(2)展開[8]，即

(3)

式中：T為天線溫度，S為太陽常數(shù)，α為天線正面白漆的太陽吸收率，A為天線的表面積，θ為陽光與對地面的夾角，Eb1為天線背面的黑體輻射力，J1為天線背面的有效輻射，ε1為天線背面黑色陽極氧化的發(fā)射率，ε2為天線正面白漆的發(fā)射率。

有效輻射可計算得

(4)

式中：X1,j為天線背面對封閉腔內(nèi)各面的角系數(shù)。

由于整星艙內(nèi)溫度相較于星外天線一般變化范圍較小，溫度適中，通過此設(shè)計，由式(2)、(3)、(4)可知：高溫工況某一時刻，Q0與Qh均為0，Qs為定值，Φ1為負值，即天線可通過與艙內(nèi)設(shè)備的輻射熱交換將熱量傳至艙內(nèi)；另一方面可利用高發(fā)射低吸收的ACR-1白漆涂層將熱量輻射至冷空間，從而進一步降低天線溫度；低溫工況某一時刻，Q0為0，Qh與Qs為定值，Φ1為正值，即天線與艙內(nèi)設(shè)備通過輻射熱交換，將艙內(nèi)熱量傳遞給天線，在Qrad-space一定的情況下，減少星上主動控溫所消耗的能源。

3 熱分析及在軌驗證

3.1 熱分析驗證

為驗證熱設(shè)計的合理性和有效性，對一體化耦合設(shè)計和隔熱設(shè)計兩種設(shè)計方法分別進行了熱仿真分析。根據(jù)天線構(gòu)型、材料、表面參數(shù)，按照幾何等效和熱等效原則進行了適當(dāng)簡化；作為對設(shè)計方法的驗證，模型只考慮艙板溫度對天線的影響，忽略艙內(nèi)設(shè)備的影響。使用I-DEAS/TMG軟件建立了GNSS天線熱分析仿真模型，如圖4所示，共劃分3317個網(wǎng)格單元。

本節(jié)共分析了3個工況，包含在軌的低溫工況和高溫工況，同時結(jié)合衛(wèi)星實際在軌狀態(tài)分析了在軌初期冬至的情況，作為驗證工況。分析結(jié)果見表1，圖5為驗證工況下2個軌道周期內(nèi)的天線溫度變化曲線。

圖4 GNSS天線熱分析仿真模型

表1 GNSS天線熱仿真分析結(jié)果

注：η為熱機效率。

圖5 驗證工況下GNSS天線溫度周期變化曲線Fig.5 Temperature variation curves of verification condition

由表1仿真分析結(jié)果可見：

(1)各工況下的天線最高溫度，耦合設(shè)計均低于隔熱設(shè)計，壽命末期冬至最高溫降低6.7 ℃。由于兩種設(shè)計方法的低溫均由主動控溫保證，控溫閾值相同，因此耦合設(shè)計方法達到了縮減高低溫差的目的。

(2)隨著末期艙溫的升高，耦合設(shè)計艙溫對天線的輻射熱影響越來越大，加之末期白漆吸收率的退化，天線吸收更多的太陽外熱流，綜合因素下，加熱器的占空比不斷減小，每個軌道周期內(nèi)耦合設(shè)計對于能源的消耗顯著小于隔熱設(shè)計。末期冬至加熱器占空比減小35.8%，每個軌道周期能源消耗減小928 kJ。因此越到末期耦合設(shè)計對于能源消耗的優(yōu)勢相較隔熱設(shè)計愈發(fā)明顯。

3.2 在軌驗證

圖6為采用一體化耦合設(shè)計、天線實際在軌初期冬至點附近、兩個軌道周期的溫度變化曲線，與熱分析結(jié)果一致性較好。從圖6中可以得到，天線最高溫度為45.460 ℃，高于驗證工況5.2 ℃，可見，艙內(nèi)設(shè)備對天線溫度的熱影響較為明顯。

圖6 GNSS天線在軌初期冬至溫度曲線Fig.6 Temperature variation curves of winter solstice bol on orbit

4 結(jié)束語

本文針對高軌衛(wèi)星星載GNSS天線，提出了一種高軌星載GNSS天線與整星平臺一體化熱耦合的設(shè)計方法，將天線與整星協(xié)同熱設(shè)計，形成封閉腔輻射換熱系統(tǒng)。通過與傳統(tǒng)隔熱設(shè)計方法進行分析比較，各工況下的天線最高溫度，耦合設(shè)計均低于隔熱設(shè)計，即耦合設(shè)計方法也達到了縮減高低溫差的目的；隨著末期艙溫的升高，耦合設(shè)計加熱器的占空比不斷減小，每個軌道周期內(nèi)耦合設(shè)計對于能源的消耗顯著小于隔熱設(shè)計，即耦合設(shè)計方法達到了節(jié)省整星資源的目的。設(shè)計結(jié)果通過在軌實測進行了驗證，所提出的GNSS天線熱控設(shè)計方法也同樣適用于高軌同類型天線。隨著星外載荷對溫度的要求越來越高，一體化設(shè)計的思路可以更好的做到總體最優(yōu)，但對于大熱耗或尺寸較大的星外載荷，也應(yīng)評估對整星艙內(nèi)設(shè)備的熱影響。