劉紹然，李一帆，張文睿，陶家生

(1. 中國空間技術研究院通信衛(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用[1-2]。激光通信是一個光學鏈路過程，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變形或鏡面畸變會導致跟瞄或通信質量下降，終端的溫度水平和均勻度是關系到光通信鏈路系統(tǒng)性能的重要因素[3-4]。終端的部分結構暴露在衛(wèi)星外側，其瞬態(tài)溫度場是由熱環(huán)境、自身構型、姿態(tài)、熱耗和熱控措施共同作用的結果，但目前還沒有公開報道針對終端在軌機動導致姿態(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，沒有反映設備在軌機動的影響，文獻[6]將二維轉臺認為對日定向，在日照區(qū)內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，但都將二維轉動簡化為“一靜一動”的一維轉動。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雜構型光機電設備的影響，可選擇太陽模擬器模擬入射太陽光，但設備若要完成二維運動，需要增設大質量的配重，對設備形成輻射遮擋和熱容附加，而如果簡化熱試驗中設備的機動模式，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，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，以便進行光信號的對地收發(fā)，粗瞄機構和光學天線示意圖見圖1。這種結構通過反射式卡塞格倫天線實現(xiàn)光束的收發(fā)合一，在粗瞄機構上安裝兩個45°反射鏡改變光束方向。粗瞄機構是終端進行瞄準、捕獲和跟蹤的二維粗指向調節(jié)機構，采用潛望式結構形式，主要由電機、支撐結構和光電碼盤等組成，在電機驅動下帶動反射鏡實現(xiàn)方位、俯仰兩軸轉動，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，經軌道和光學計算，設計終端在軌運行策略見圖2。

相對于傳統(tǒng)的星載設備，激光通信終端在軌運行情況具有以下特點：

1)終端在1個軌道周期內需要經歷3次大的姿態(tài)調整，其中在星上時4∶00-12∶00時間段，為避免太陽光照射光學天線,粗瞄機構繞方位軸機動向西，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天線，粗瞄機構繞方位軸機動向東，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，為避免太陽光照射反射鏡和光學天線，粗瞄機構轉向衛(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的內外表面仍會被太陽照射，在軌道周期內產生大幅波動，進而導致溫度劇烈變化，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)復雜，零件繁多，運行周期內入口面朝向不同，給整個溫度場計算帶來了困難。在正確描述終端熱結構的前提下進行結構簡化和合理假設，以縮短求解時間，主要如下：

1)接插件與電纜線不參與建模，并忽略其與星內設備之間的連接導熱影響。

2)忽略結構孔(槽)、結構倒角、小短邊以及螺釘?shù)任⑿缀翁卣鲗鳠岬挠绊懀谀Ｐ椭锌紤]其熱容。

3)殼體、印刷線路板均為薄殼結構，采用Shell單元劃分網格。

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動時刻，使用Articulation功能，分步完成對應維度的機動模擬。

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。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，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為星上時午夜，初始溫度設為22 ℃，進行3個軌道周期的計算，只采納第3周期的結果。

3 計算結果與討論

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，位于終端結構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，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)或一維轉動相對二維轉動，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，雖然在軌機動導致吸收外熱流變化，但表面溫度波動小于光學天線和反射鏡，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內部，在固定姿態(tài)下的溫度波動大于一維轉動，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。在二維轉動下的溫度波動也大于一維轉動，這是由于機動至?？课蛔韪袅斯鈱W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)和一維轉動下的溫度波動程度相差不大，與二維轉動對比，表明機動至?？课?，避免太陽光照射反射鏡，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，一維轉動和二維轉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、一維轉動相對二維轉動，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，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，其中夏至時熱環(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，其中光學天線工作溫度范圍窄，布置在艙外的粗瞄機構內部，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 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致的姿態(tài)變化是提供正確分析(試驗)結果的前提，姿態(tài)簡化后得到的結果與真實值差別巨大，不能用于檢驗熱設計。即使在部分時間段內(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)各部位的溫度響應綜合制定。