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

關鍵詞：光纜組件;航天器;激光測距;光纖器件

中圖分類號：TN253

文獻標識碼：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用在航天器開始，其在航天領域的應用已經走過了40多個年頭，1992美國NASA戈達德航天中心（Goddard Space Flight Center）在小型探索者項目（ SMEX）中證實了光纖器件可應用在航天器總線傳輸系統(tǒng)中，1992年該項目所發(fā)射的第一個航天器太陽磁層異常粒子探測器截至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數據。美國NASA現主要使用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，在20世紀90年代中期被NASA和ESA批準獲得航天器應用資格，該光連接器件首次使用在地球激光測高儀（ GIAS）實現單模與多模光纖的互聯上并能很好地抵抗輻照誘導閃爍效應的影響，也應用在了水星高度計（ MIA）與月球偵查軌道器（ IRO）上。

MTP連接器是20世紀90年代中期為兼容垂直腔面激光器而發(fā)展的數據通信總線連接器，由NASA戈達德航天中心第一次應用在星載光纖數據總線（ FODB）上。以下主要對兩種光纖器件及所應用的宇航任務進行介紹。

2 兩種典型光連接器特點

MTP陣列連接器由美國Conec有限公司制造，主要與光纖數據總線（ FODB）配套使用，用于這種應用的光纖是商用級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、芳綸纖維強度構件和kynar護套。MTP連接器組件的平均插入損耗為每通道0.35 dB。每個連接器都裝配了應變釋放裝置并使用符合太空戰(zhàn)程序的套圈墊。在質量和成本降低方面，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，發(fā)現市場上沒有達到要求的產品，NASA要求連接器必須能夠使每對配對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，每對配對的插入損耗不能超過0.7 dB。隨后研究人員通過“主動對準”套圈終止技術在單模光纖上實現典型的0.2 dB插入損耗，該種帶有主動對準技術的連接器即為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的應用情況

3.1 在水星激光高度計上的應用

水星激光高度計（ MIA）是第一個前往水星的軌道飛行器（信使號）上的七個科學儀器之一。信使號于2004-08發(fā)射，2011-03抵達水星。NASA通過建立的荷馬激光測距系統(tǒng)實現了在信使號前往水星過程中跨越2 400萬千米的測距鏈路，這是迄今為止在太空中進行的最長的激光鏈路。MLA儀器由四架望遠鏡組成，如圖3 （a）所示，其設計精度為0.5 m.MLA激光飛行時間測量和航天器軌道位置數據將有助于確定行星的表面高度、天平動和內部結構[3]。

作為接收光學系統(tǒng)的一部分，如圖3 （b）所示，四根獨立的躍折射率多模光纖從接收光學望遠鏡連接到MLA獨立探測器。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臺接收望遠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，通過光學帶通濾波器將信號傳遞給硅光電二極管。4個MLA接收望遠鏡安裝在主外殼的角落處。每個望遠鏡的輸出信號通過光纖耦合到安裝在主外殼下的探測孔光學組件上[4]。

3.2 在月球軌道激光高度計上的應用

LOLA效果圖如圖4所示。

月球軌道激光高度計（LOLA堤月球軌道探測器（IRO）上對月球地形環(huán)境進行探測的儀器，LOLA僅由一架望遠鏡組成，其設計精度為O.l m。使用短脈沖1 064 nm激光器工作，通過測量反射的時間進行工作。LOLA利用衍射光學元件將一束激光分割成五束單獨的脈沖光束，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器連接起來。

為了保證從儀器表面反射到儀器上的五個點的完整性，研制了一種光纖陣列，將整個陣列封裝成一個單一的保偏型菱形AVIM連接器。并選用200/220 μm臺階折射率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]。

激光測距（ LR）任務是LRO的一個附加任務，主要挑戰(zhàn)是如何將來自地球的532 nm的激光脈沖傳輸到月球勘測軌道飛行器的另一端，脈沖將被激光測距望遠鏡收集并聚焦到陣列組件中，同時將激光和接收器的光學聚焦到月球上。主要方案是通過一根長光纜將來自LR接收望遠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，穿過一個一次性可展開的心軸，然后繞著航天器的另一側到達LOLA探測器。總距離小于lOm，但在彎曲約束下，受低溫和運動影響較大。戈達德太空飛行中心（ 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。這項技術使激光測距應用于LRO成為可能。由于高性能的要求，選用400/440 μm臺階折射率FV系列光纖，在設計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]。

激光測距應用需要總共三根電纜，如圖6所示，以便在與幾個子系統(tǒng)集成時更加容易。子系統(tǒng)包括框架、HGAS臂和LRO航天飛機。由于需要三個組件，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節(jié)這些接口插入損耗的重點。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

本文以NASA水星高度計和月球軌道探測器光纜組件為例，介紹了光纜組件在太空任務中功能及應用特點。主要針對未來我國航天器光纜型號需求，對國外已成功應用的宇航型號進行分析，為我國相關研究開展航天器用光纜設計及可靠性驗證技術研究提供有力支撐。

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