張傳強 孟恒輝 耿利寅 殷亞州

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

星載平板有源SAR天線熱設計與驗證

張傳強 孟恒輝 耿利寅 殷亞州

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

合成孔徑雷達天線是微波遙感衛(wèi)星的重要載荷之一,一般具有尺寸大、收發(fā)單元多、熱耗大、工作模式多等特點。載荷熱耗峰值可達7000 W,同時為減小熱變形對指向精度的影響,設備溫度一致性需優(yōu)于10℃。因此大功率組件散熱和溫度一致性保持是合成孔徑雷達天線熱控的主要難題。采用被動和主動相結(jié)合的熱控手段,合理設計散熱通道,解決設備的散熱難題;采用等溫化設計,布置熱管網(wǎng)絡,降低設備間溫差;采用新型智能隨動控溫方法,解決不同工作模式切換、空間外熱流變化、輻射耦合帶來的溫度梯度保持難題。采用Thermal Desktop軟件對天線進行了熱仿真分析,并進行了熱平衡試驗。分析、試驗結(jié)果和在軌測試結(jié)果表明溫度和溫差均滿足要求。該設計方法可為大功率有源合成孔徑雷達天線熱設計提供借鑒。

SAR天線;熱設計;試驗驗證

1 引言

星載合成孔徑雷達(SAR)主要有兩種體制:平面陣體制和拋物面體制[1-4]。拋物面體制SAR天線熱耗主要集中在行波管放大器上,拋物面天線上熱耗較小。平面陣體制SAR天線熱耗集中在天線平板上,平板上設備對溫度的影響很敏感,溫度指標要求高,因此對熱控提出了很高的要求。為保證天線成像質(zhì)量,天線電子設備的溫度需控制在－20～＋45℃溫度范圍內(nèi),同時全天線陣面溫度梯度不超過10℃。天線工作時熱耗近萬瓦,尺寸超過10 m,最長工作時間近1 h。大熱耗排散和大尺寸溫度梯度保持是SAR天線熱控面對的主要難題。

本文針對高分三號衛(wèi)星(GF-3)裂隙波導式平板有源相控陣雷達天線,進行了詳細的熱控設計。通過天線各表面散熱能力的分析,選取合理的散熱面;通過布置適合于天線構(gòu)型的正交熱管網(wǎng)絡實現(xiàn)有效的熱擴散;通過智能隨動控溫方法,保證天線設備的溫差。采用熱仿真分析、地面熱試驗和在軌測試的方法對熱控措施的有效性進行了驗證。

2 熱控任務分析

2．1 衛(wèi)星與天線

GF-3衛(wèi)星SAR載荷天線有效電口徑為15 m(方位向)×1．45 m(距離向),分成獨立的4個面板,天線展開后位于衛(wèi)星的＋Z側(cè)。太陽翼位于天線的－Z方向。天線以安裝板的方式被劃分為24個獨立模塊,每個面板包括6個模塊,各模塊設備布局基本相同。每個模塊正面為裂隙波導陣列,背面為有源安裝板,中間通過碳纖維框架支撐。有源安裝板上安裝收發(fā)組件、延時放大組件、波控單元、二次電源等電子設備,天線的發(fā)熱部組件均位于安裝板上。安裝板上的電子設備通過半剛電纜同波導連接,如圖1所示。

2．2 外熱流分析

軌道外熱流是熱設計的關(guān)鍵因素,主要由衛(wèi)星所處的軌道環(huán)境和衛(wèi)星姿態(tài)決定。GF-3衛(wèi)星運行在降交點地方時為上午6:00的太陽同步晨昏軌道,SAR天線太陽入射角變化范圍為55．8°～88．4°。衛(wèi)星的工作姿態(tài)包括右側(cè)視、左側(cè)視飛行。右側(cè)視飛行時,衛(wèi)星繞滾動軸逆時針轉(zhuǎn)動31．5°,為衛(wèi)星主要工作姿態(tài);左側(cè)視飛行時,衛(wèi)星繞滾動軸順時針轉(zhuǎn)動31．5°,為衛(wèi)星的應急觀測姿態(tài)。衛(wèi)星處于近地軌道,其熱環(huán)境主要受太陽輻照、地球反照和地球紅外影響。

SAR天線為平板式結(jié)構(gòu),其主要輻射面為天線的±Z面。圖2給出了最大太陽入射角β＝88．4°和最小太陽入射角β＝55．8°時,天線±Z面到達的太陽輻照熱流、地球反照熱流和地球紅外熱流的變化曲線。從圖2中可以看出:①右側(cè)視姿態(tài)下,天線＋Z側(cè)太陽輻照熱流小,地球紅外輻射穩(wěn)定;天線－Z側(cè)受太陽照射,無地球紅外熱流;②左側(cè)視姿態(tài)下,衛(wèi)星＋Z面受太陽照射,－Z面不受太陽照射;③軌道太陽入射角較小時,天線±Z面外熱流波動大;軌道太陽入射角較大時,天線±Z面外熱流穩(wěn)定。

2．3 工作模式和熱耗

合成孔徑雷達天線有多種成像模式。熱耗最大的是聚束模式,陣面內(nèi)峰值熱流密度超過600 W/m2,局部熱流密度超過5000 W/m2,工作時間可超過10 min。條帶模式熱耗超過4000 W,工作時間超過40 min。SAR天線典型的工作模式及熱耗如表1所示。

表1 SAR天線典型工作模式設備熱耗Table 1 Typical work mode and heat dissipation of SAR W

2．4 熱控難點分析

對平板有源SAR天線來說,熱控面臨的主要問題包括:①大功率設備工作時熱耗的排散;②工作過程中設備間的溫差抑制。

聚束模式下時,陣面的發(fā)熱的熱流密度超過600 W/m2,局部熱流密度超過5000 W/m2,因此需要通過良好的擴熱措施將熱耗擴散到整個陣面,有效利用天線結(jié)構(gòu)和其他設備的熱容,避免發(fā)熱設備溫度的急劇抬升。合理規(guī)劃散熱路徑,開設一定面積的散熱面,保證每軌內(nèi)天線的發(fā)熱量可以及時排散到冷空間中。

SAR天線尺寸龐大,天線面板與衛(wèi)星本體及太陽翼之間的輻射耦合強烈。天線＋X受到太陽翼的遮擋,其背面的到達的外熱流小;天線－X不受到太陽翼的遮擋,其背面到達的外熱流大。天線背面同太陽翼和星體之間有很強的輻射耦合,增加了天線背面不同區(qū)域的溫度差異,即使包覆多層隔熱組件,透過多層隔熱組件的熱流差別也可達16 W/m2,所造成的天線設備的溫差可達10℃以上,需要采取有效的途徑控制天線設備間的溫差。

3 熱設計方案

3．1 散熱面選取

若天線采用－Z面作為散熱面,電子設備的熱耗可通過安裝板熱控涂層直接排散到空間中。若采用＋Z面作為散熱面,電子設備的熱耗需首先通過輻射傳遞到波導陣列上,然后通過波導陣列的＋Z面排散到空間中。相對于天線－Z面,天線＋Z面作為散熱面的優(yōu)勢為其視場開闊,不受星體及衛(wèi)星太陽翼遮擋和輻射耦合,輻射環(huán)境相對簡單,且在右側(cè)視常規(guī)工作模式下,天線＋Z面外熱流穩(wěn)定。SAR天線換熱模型示意圖如圖3所示。

假設天線－Z面采用鈰玻璃鍍銀二次表面鏡(OSR)作為散熱面;天線波導陣列和安裝板＋Z面采用熱控白漆作為散熱面。結(jié)合天線±Z面到達外熱流,計算得到天線±Z面溫度為0℃和10℃時,在不同太陽入射角β分別為55．8°和88．4°情況下,天線安裝板±Z面在每個軌道周期內(nèi)的散熱能力變化曲線,如圖4所示。從圖4中可以看出,天線＋Z面散熱能力相對穩(wěn)定,太陽入射角變化情況下,10℃散熱面散熱能力均維持在79～107 W/m2內(nèi)。天線－Z面散熱能力隨軌道太陽入射角變化很大,波動范圍為23～284 W/m2?？紤]到天線－Z面還受到星體和太陽翼遮擋和輻射耦合影響,造成散熱能力部分或全部喪失,因此天線的散熱面宜采用＋Z面。

天線波導表面噴涂低吸收比、高發(fā)射率白漆散熱,同時在天線安裝板＋Z面噴涂黑漆熱控涂層,強化安裝板同波導之間的輻射換熱。

3．2 熱管網(wǎng)絡

SAR天線陣面采取等溫化設計,在有源安裝板內(nèi)部預埋4根熱管,同時在外表面外貼5根熱管,形成正交熱管網(wǎng)絡,將安裝板上二次電源、收發(fā)組件、延時組件、波控單元等連接成一個熱整體。圖5給出了布置熱管網(wǎng)絡前后,有源安裝板內(nèi)溫度分布。從圖5(a)中可以看出,沒有熱管網(wǎng)絡情況下,天線工作時,安裝板內(nèi)的溫差超過40．0℃。從圖5(b)可以看出,增加熱管網(wǎng)絡后,天線安裝板內(nèi)溫差可控制在3℃以內(nèi)。

3．3 隔熱設計

天線安裝板－Z面全部包覆15單元多層隔熱材料組件,降低天線與星體的熱耦合,削弱外熱流對SAR天線工作設備溫度水平及溫度一致性的影響。

3．4 智能隨動控溫

由于SAR天線24個模塊之間相對獨立,僅通過碳纖維框架實現(xiàn)結(jié)構(gòu)連接。碳纖維熱導率低,因此天線各模塊間導熱耦合較弱。天線尺寸龐大,通過熱管、金屬等措施實現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的強導熱耦合比較困難,付出的重量代價大。因此在GF-3衛(wèi)星SAR天線熱控中采用了一種智能隨動控溫方法,通過實時獲取陣面設備的溫差并進行適度補償?shù)姆绞?控制陣面的溫度梯度。安裝板上布置加熱回路和溫度傳感器,通過溫控儀進行伺服控制,保證天線電子設備的溫度水平。同時每個模塊上的部分回路參與智能隨動的控溫策略,保證各設備之間的溫度一致性。

參與跟蹤控溫的加熱回路劃為跟蹤控溫組。該控溫組內(nèi)的回路中心點隨設備溫度的變化和溫差的變化實時調(diào)節(jié)。在每個控溫周期內(nèi),跟蹤控溫組內(nèi)溫度傳感器最高溫度為Tmax,該組內(nèi)其它回路的控溫中心點設定為(Tmax－ΔT),其中ΔT為跟蹤控溫溫差值,通過調(diào)整ΔT可實現(xiàn)不同溫差水平的溫度梯度控制。智能隨動控溫的執(zhí)行者為控溫儀,其通過采集被控對象的溫度信息,經(jīng)過相應處理后,轉(zhuǎn)化為加熱回路的控制信號,控制加熱回路的通斷,如圖6所示。

4 熱分析及驗證

4．1 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簡化,使用Thermal Desktop軟件建立了SAR天線熱分析仿真模型,如圖7所示。重點針對天線聚束工作模式,進行了瞬態(tài)的高溫工況仿真分析,獲得了在軌穩(wěn)定運行后4個軌道周期內(nèi)天線各設備的溫度和變化曲線,如表2及圖8所示,圖中橫坐標為運行時間,縱坐標為設備溫度。

表2 熱分析計算結(jié)果統(tǒng)計表Table 2 Result of thermal analysis℃

從熱分析結(jié)果可以看出,高溫工況下熱耗最為集中的收發(fā)組件溫度最高,達到了40．74℃,陣面內(nèi)收發(fā)組件的溫差控制在6．33℃以內(nèi)。低溫工況下,通過主動控溫,天線電子設備的溫度可控制在－5℃以上。

4．2 地面驗證

SAR天線在真空模擬器中完成了熱平衡試驗,采用紅外熱流模擬器模擬天線軌道外熱流。在天線關(guān)鍵電子設備上安裝溫度傳感器,監(jiān)測其溫度。熱平衡試驗結(jié)果如表3所示,收發(fā)組件的溫度最高,不超過36℃。

表3 熱平衡試驗結(jié)果統(tǒng)計Table 3 Result of TBT℃

熱平衡試驗過程中,對智能隨動控溫策略進行了驗證。圖9給出了智能隨動控溫模式開啟前后各兩個軌道周期內(nèi),天線T/R組件的溫度變化曲線。從圖9中可以看出,在不進行智能隨動控溫時,SAR天線陣面溫度梯度加大,T/R組件溫差可達到4．6℃。控溫儀開啟智能隨動控溫模式后,SAR天線陣面的溫度梯度明顯降低,T/R組件溫差降低到1．8℃。智能隨動控溫模式很好地抑制了陣面溫差。

4．3 在軌驗證

圖10為SAR天線在軌一次時長6．7 min的超精細條帶成像模式,從圖中可以看出,收發(fā)組件的最高溫度為17．4℃,同一時刻收發(fā)組件最低溫度15．3℃,最大溫差2．1℃。圖11為一次時長20 min的波模式成像,從溫度結(jié)果分析,在這次成像過程中,T/R組件最高溫度7．35℃,同時刻最低溫度6．15℃。成像期間T/R組件最大溫差2．1℃。SAR天線溫度水平和溫差水平均滿足要求。

5 結(jié)論

本文針對大尺寸、大熱耗的星載平板有源SAR天線,提出了一種天線熱控方案。通過比較天線±Z面的散熱能力及其變化規(guī)律,確認＋Z面作為散熱面更有優(yōu)勢。在有源安裝板內(nèi)構(gòu)建正交熱管網(wǎng)絡,可以將安裝板內(nèi)的溫差從40℃降低為3℃。采用智能隨動控溫方法,通過實時獲取設備溫差并適度補償,可有效降低設備工作時相互之間的溫差。該設計方法對其他同類型的星載SAR天線熱控設計具有借鑒作用。

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Thermal Design and Verification of Spaceborne Panel SAR Antenna

ZHANG Chuanqiang MENG Henghui GENG Liyin YIN Yazhou
(Beijing Key Laboratory of Space Thermal Control Technology,Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

Synthetic aperture radar(SAR)is a kind of payload for microwave remote sensing spacecraft,with characteristics of huge scale,multi modes,numerous transceiver modules,and large heat dissipation．Peak heat dissipation can reach 7000 watts．In order to reduce thermal deformation influence to pointing accuracy,temperature consistency is required to be less than 10℃．Active and passive thermal control method is used to solve the key thermal design difficulties such as heat dissipation temperature consisteney．Heat dissipation is solved by choosing reasonable heat transfer channel．Isothermal heat pipe network is arranged to reduce temperature difference among devices．A new intelligent temperature track control strategy is used to reduce temperature gradient caused by modes switching,out-flux variation and radiation couple．Numerical analysis using Thermal Desktop software and thermal balance test are accomplished．It is proves that the temperature level and difference can meet the requirements．This design method can provide guidance for thermal design of large-power SAR antenna．

SAR antenna;thermal design;test verification

2017-10-23;

2017-11-16

國家重大科技專項工程

張傳強,男,碩士,工程師,研究方向為航天器熱控設計。Email:13426199031＠163．com。

V476．3

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.016

(編輯:張小琳)