微波成像儀熱設(shè)計及仿真驗證

葛如飛，劉鵬飛，王光輝，司曉龍，高一丹，宋志勇

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

某星載微波成像儀可在低能見度情況下正常工作，對大氣云層穿透力極強，其探測能力極大地提高了天氣預(yù)報精確度，也促進了全球和局部氣候的研究工作。該成像儀主要用于觀測對流層冰云，并通過反演得到冰水路徑和冰粒子尺寸。熱控設(shè)計是成像儀研制的重要組成部分[1]。為給成像儀單機提供合適的工作溫度環(huán)境，及時排除單機工作時產(chǎn)生的熱量[2-3]，維持探測頭部不開機時合適的溫度水平，需通過熱控設(shè)計保證組件的溫度指標(biāo)，從而保證探測精度[4-6]。同時還要考慮天饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)熱變形對成像儀電性能的影響。

成像儀與衛(wèi)星艙板進行隔熱安裝。成像儀與外界的熱交換主要為輻射及熱傳導(dǎo)，根據(jù)其安裝位置和構(gòu)型特點，為減小外部環(huán)境對成像儀影響，應(yīng)保證各組件工作溫度均在技術(shù)要求的指標(biāo)范圍內(nèi)。本文針對微波成像儀熱控難點，開展詳細的熱控設(shè)計，包括軌道外熱流分析、傳熱路徑設(shè)計、熱管布局以及精細化控溫等，通過熱仿真分析對熱設(shè)計方案進行驗證，同時分析了天饋系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)熱變形。

1 熱控設(shè)計

微波成像儀的安裝位置如圖1所示，安裝在衛(wèi)星+Z向艙板兩個光學(xué)儀器的遮光罩中間，靠近衛(wèi)星-Y向一側(cè)。

圖1 載荷安裝位置示意圖

1.1 產(chǎn)品構(gòu)型

衛(wèi)星運行在降交點地方時05:30 AM的太陽同步軌道上，微波成像儀三維外形如圖2所示，+Z方向指向地球，+X方向為飛行方向，+Y方向按照右手法則確定。

圖2 成像儀三維外形圖

微波成像儀安裝在衛(wèi)星+Z向艙板下方，其安裝位置周圍結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得施加在微波成像儀的外熱流更加復(fù)雜。微波成像儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間狹小，其散熱效果較差。此外載荷關(guān)機時，需要維持一定的溫度，避免單機溫度過低。以上都大大增加了熱設(shè)計的難度。

1.2 熱設(shè)計特點分析

衛(wèi)星軌道面β角一年的變化范圍為57.1°～86.0°。成像儀外罩初期、末期熱流分析選擇：β角最大值86.0°、最小值57.1°及全光照與陰影臨界角62.9°。

微波成像儀外罩表面外熱流變化曲線如圖3所示。

圖3 不同β角光照末期外熱流曲線

微波成像儀外罩各散熱面表面外熱流平均值及總外熱流見表1。

表1 微波成像儀外罩表面外熱流平均值及總外熱流

基于衛(wèi)星運行軌道特點，并結(jié)合微波成像儀布局和自身構(gòu)型特點，分析微波成像儀外罩各表面外熱流變化曲線可知：1)微波成像儀+Y面外熱流波動最小，平均值最小，與此相比，-Y面由于受到太陽直照，外熱流數(shù)值較大。2)通過曲線圖對比發(fā)現(xiàn)，+Z面和±X面在軌道運行周期內(nèi)太陽常數(shù)的變化造成外熱流發(fā)生劇烈變化。3)±X面為相對的面，衛(wèi)星運行軌道決定了這兩者表面熱流的變化趨勢相反。在軌道末期工況下，±X面的外熱流功率在5～45 W變化。

微波成像儀熱控原理如圖4所示，隔熱組件隔絕器件與外界的熱交換，保證微波成像儀內(nèi)部溫度穩(wěn)定。熱管具備較大的傳熱能力，可將熱量快速排散到比熱較大的區(qū)域。根據(jù)實際情況決定涂層的選取，如S781具有低太陽輻射能吸收率的特點，一般用在成像儀外部，減小外熱流影響，黑漆一般用于結(jié)構(gòu)內(nèi)部加強內(nèi)部熱量的交換。

圖4 微波成像儀熱控原理示意圖

微波成像儀由反射面天線、射頻前端、中頻接收機、驅(qū)動機構(gòu)、信息單元、電纜等單機及部、組件組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。熱設(shè)計方案采用被動熱控為主、主動熱控為輔的設(shè)計方法。

圖5 內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局

熱控設(shè)計方法具體如下：

1)外罩熱控：考慮到微波成像儀減重要求，其外罩采用鋁合金板和蜂窩板組合結(jié)構(gòu)。根據(jù)各表面外熱流曲線可知，-Y面?zhèn)劝迨艿教栔闭沼绊?，采用鋁合金蜂窩板導(dǎo)熱熱阻較大，可延遲側(cè)板外部熱對成像儀部件的影響?！繶面?zhèn)劝逡膊捎娩X合金蜂窩板結(jié)構(gòu)，+Y及+Z面?zhèn)劝宀捎娩X合金2Al2加工。

2)單機熱控：為增強接收機的散熱能力，在接收機2安裝支架上表貼2根工字型熱管，將單機的熱量快速轉(zhuǎn)移至外罩的+Y和+Z側(cè)板，保證單機溫度的一致性。柵網(wǎng)安裝支架、前端接收機1和2安裝支架的底板面與底板內(nèi)的矩形預(yù)埋熱管區(qū)域重疊，增強與底板的熱交換，保證安裝支架的溫度均勻性。

3)天線反射器熱控：主反射面采用鋁合金2Al2加工，反射面進行鋁合金本色陽極氧化處理，設(shè)計遮光罩減小太陽光照對天線反射面的影響，從而保證其溫度均勻性。微波成像儀與星體接口的+Z面安裝3條10 mm厚的玻璃鋼，保證隔熱安裝。

為保障低溫工況下各組件溫度下限要求，設(shè)計了電加熱溫度補償器，采用聚酰亞胺康銅箔電加熱片，在接收機1支架側(cè)面、中頻接收機側(cè)面以及信息單元上端面布置電加熱器。根據(jù)組件溫度進行補償加熱開關(guān)閉環(huán)控制，使組件溫度維持在合適的范圍內(nèi)。設(shè)計要求微波成像儀電機溫度低于-15 ℃時補償加熱器打開，射頻前端、中頻接收機和信息單元溫度低于-25 ℃時，補償加熱器打開。

2 熱仿真分析

2.1 工況設(shè)置

根據(jù)上述熱控方案和熱控措施，綜合考慮空間外熱流和星體的影響，本文采用Thermal Desktop軟件建立星載微波成像儀有限元模型[6-9]，并進行在軌瞬態(tài)熱模擬計算，建模時進行以下簡化處理：1)太陽光為平行光，即陽光擴散角為0°；2)不考慮表面之間的鏡面反射，各表面都當(dāng)作灰體處理，表面輻射滿足Lambert定律[10]；3)簡化結(jié)構(gòu)，熱耗按均勻分布處理，忽略電連接器、電纜線及設(shè)備的連接件、緊固件等。微波成像儀熱模型如圖6所示。

圖6 微波成像儀熱模型示意圖

根據(jù)微波成像儀工作模式、外熱流及熱功耗變化，并考慮熱控涂層壽命初、末期及衛(wèi)星進出陰影時刻的影響[11-12]，仿真工況設(shè)定為微波成像儀關(guān)機補償模式、高溫工況及低溫工況。

高溫工況：β角為62.9°，選取冬至日太陽常數(shù)，涂層按照末期設(shè)置，成像儀正常工作，補償加熱器不加電。

低溫工況：β角為57.1°，選取夏至日太陽常數(shù)，涂層按照初期設(shè)置，成像儀正常工作，補償加熱器不加電。

關(guān)機補償加熱工況：β角為57.1°，選取夏至日太陽常數(shù)，涂層按照初期設(shè)置，成像儀不工作，補償加熱器加電。

微波成像儀表面具體熱控處理方案以及設(shè)計所采用的熱控材料詳細參數(shù)見表2。

表2 微波成像儀熱控材料表

2.2 計算結(jié)果及分析

在軌工作模型下高溫工況、低溫工況及關(guān)機補償模式仿真計算結(jié)果見表3，其中關(guān)機補償加熱工況通過聚酰亞胺薄膜加熱片對單機進行加熱，維持各組件的溫度水平，保證各單機均能正常開機工作。

表3 微波成像儀熱仿真分析結(jié)果 單位：℃

由仿真分析結(jié)果可知：

1)圖7中給出了軌道β角為62.9°光照末期各組件溫度曲線，除了天線反射面與天線外罩外，在高溫工況下，由于受到太陽直接照射影響，各組件中天線反射面最高溫度達到55.12 ℃，反射器在軌溫度范圍為38.10～55.12 ℃。實際上由于天線反射面在軌工作時處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此會大大減小接收到的外熱流。此外其他組件的溫度波動較小，均能控制在5 ℃以內(nèi)。

圖7 高溫工況下各組件的溫度曲線圖

2)在關(guān)機補償工況下，通過主動控溫，微波成像儀各單機的溫度水平均滿足指標(biāo)要求。由于天線反射器暴露在外無遮擋，因此溫度梯度較大。而其他單機由于位于載荷內(nèi)部，溫度波動均小于1.3 ℃/軌。

3 天饋系統(tǒng)熱變形影響分析

天饋系統(tǒng)由拋物面天線反射面、極化柵網(wǎng)以及饋源喇叭組成，是微波成像儀的重要組成部分，其天饋性能直接影響成像儀的主波束效率、靈敏度、定標(biāo)精度等重要指標(biāo)。

為分析天饋系統(tǒng)在軌受熱形變所帶來的影響，通過NX軟件計算系統(tǒng)結(jié)構(gòu)熱變形，仿真模型鋁合金材料參數(shù)為彈性模量E=71 GPa、泊松比μ=0.3；蜂窩材料參數(shù)以鋁合金參數(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合蜂窩芯子規(guī)格，根據(jù)均質(zhì)化公式進行換算。

選取低溫工況和高溫工況兩個極端條件進行仿真計算。熱變形計算所需溫度數(shù)據(jù)由在軌熱分析計算結(jié)果映射得到，計算熱變形時參考溫度設(shè)為地面環(huán)境溫度20 ℃，高、低溫工況下微成像儀熱變形仿真結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 高溫工況下微波成像儀熱變形云圖

圖9 低溫工況下微波成像儀熱變形云圖

由圖可知，高溫工況和低溫工況下微波成像儀的最大熱變形分別為0.135 mm和0.296 mm。微波成像儀外罩直接受到太陽照射，高溫工況下蜂窩材料膨脹導(dǎo)致其變形較大，主要在-Y方向。由于天線反射面一端受到約束，因此其變形主要在-X方向。低溫工況下，外罩收縮導(dǎo)致的變形主要在+X和+Y方向，受此影響天線總體沿+Y方向變形。高溫工況下外罩膨脹主要沿-X和-Y方向。此外最后一個軌道周期內(nèi)天饋系統(tǒng)中的天線、柵網(wǎng)以及喇叭的變形量變化曲線如圖10和圖11所示，天線反射面暴露在環(huán)境中，在設(shè)計有遮光罩的情況下其變形量相對較大，在高溫工況下最大變形量達到0.084 mm。

圖10 低溫工況下內(nèi)部件變形量變化曲線

圖11 高溫工況下內(nèi)部件變形量變化曲線

4 結(jié)束語

本文根據(jù)星載微波成像儀在軌工作時的熱控要求，開展了詳細的熱控方案設(shè)計。根據(jù)軌道空間熱環(huán)境特點進行軌道外熱流分析，并通過主動控溫解決了單機工作時的散熱問題，也保證了低溫下單機的溫度水平。建立微波成像儀有限元熱分析模型，多個工況仿真結(jié)果表明成像儀及單機的溫度水平均滿足設(shè)計要求，驗證了熱控措施的合理有效。此外通過溫度映射分析了天饋系統(tǒng)的在軌熱變形，結(jié)果是天線反射面變形較小，可滿足設(shè)計要求。本文的研究為星載微波成像儀設(shè)計提供了有益參考。