王 波，程 建，徐向陽(yáng)，張建波，王耀霆

(中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

大型可展開(kāi)天線是實(shí)現(xiàn)很多例如遙感、中繼、深空探測(cè)，測(cè)控等空間任務(wù)衛(wèi)星的重要載荷，隨著用戶電性能要求的提高，此類天線在軌工作的型面精度要求也越來(lái)越高。在空間冷背景(約-269℃)和各種復(fù)雜外熱流(太陽(yáng)直射、地球反照和地球紅外)等共同作用下，在軌運(yùn)行的天線處于周期性的冷熱交變中[1]。如果天線熱設(shè)計(jì)不合理，將會(huì)導(dǎo)致天線產(chǎn)生較大的熱變形，從而影響在軌工作性能，尤其是對(duì)熱變形精度要求較高的天線?？刂铺炀€在軌熱變形最直接的手段是通過(guò)熱控設(shè)計(jì)縮小天線關(guān)鍵部件的在軌溫度范圍及溫度梯度，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此類天線熱控設(shè)計(jì)[2]、仿真分析[3]，在軌熱變形均作了大量的研究[4]。

傘狀天線是大型可展開(kāi)天線其中的一種類型，其反射面主要由肋組件和索網(wǎng)組件構(gòu)成，此類天線具有尺寸大、收納比高、輕質(zhì)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特性，同時(shí)這些結(jié)構(gòu)特性決定了其在軌溫度變化速率快，溫度分布復(fù)雜，特別是在軌受照條件下、天線各組件之間產(chǎn)生相互遮擋及溫度影響，這種不規(guī)則且極端的熱載荷使得此類型天線反射器在軌型面復(fù)雜多變。

對(duì)于高精度傘狀天線，由于作為直接接收和反射電磁波的金屬網(wǎng)無(wú)法進(jìn)行任何表面處理(包括噴白漆、包多層等常用熱控措施)，肋組件熱設(shè)計(jì)的合理性直接影響天線在軌型面穩(wěn)定及正常工作。通常認(rèn)為衛(wèi)星在運(yùn)行至地影處(最長(zhǎng)約72min)會(huì)對(duì)艙外部件，尤其是天線造成整體低溫，從而影響到天線型面精度。而星體對(duì)天線的遮擋作用也不應(yīng)忽視，其對(duì)天線部分位置，尤其是影響型面精度的部件也會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間的遮擋作用，造成天線反射器上出現(xiàn)更低的溫度及更大的溫度梯度。同時(shí)，通過(guò)對(duì)高軌衛(wèi)星平臺(tái)上的高精度傘狀天線進(jìn)行在軌熱分析及在軌熱變形分析得出的結(jié)論，天線型面精度最惡劣的時(shí)刻通常處于在軌長(zhǎng)時(shí)間受星體遮擋(約4h)，反射面上產(chǎn)生的較大范圍低溫時(shí)刻。通過(guò)指標(biāo)核算，天線在軌運(yùn)行過(guò)程中溫度范圍保持在-65℃以上時(shí)才能滿足使用要求。因此控制肋組件使其在軌受遮擋時(shí)溫度保持在合理的范圍至關(guān)重要。

本文對(duì)此類高精度傘狀天線肋組件的熱設(shè)計(jì)方案及控制措施進(jìn)行了詳細(xì)描述，并通過(guò)天線整機(jī)熱平衡試驗(yàn)驗(yàn)證了熱設(shè)計(jì)。

1 肋組件結(jié)構(gòu)及熱阻定義

肋組件主要由肋、肋板條和調(diào)節(jié)柱組成，其中肋板條用于安裝金屬網(wǎng)。在天線研制過(guò)程中，調(diào)節(jié)柱用于對(duì)天線型面進(jìn)行調(diào)整，以滿足天線型面精度的要求。出于輕量化設(shè)計(jì)及力學(xué)性能綜合考慮，肋及肋板條均由碳纖維制成。

圖1 肋組件示意圖Fig.1 Rib assemble configuration

由于肋板條正面覆蓋金屬網(wǎng)，限于電性能的要求，其外表面不能覆蓋多層這種有效縮小在軌溫度的辦法，因此調(diào)節(jié)柱作為肋與肋板條之間導(dǎo)熱的通道，必須進(jìn)行隔熱設(shè)計(jì)。

肋和肋板條連接局部的示意圖如圖2所示。

圖2 肋組件熱阻示意Fig.2 Thermal resistance of rib assemble

熱阻的含義及計(jì)算公式如下：

R1：肋板條與調(diào)節(jié)柱的接觸熱阻:

R1=(h1A1)-1

(1)

R2：調(diào)節(jié)柱的導(dǎo)熱熱阻(粗)：

R2=L1/(λ1A2)

(2)

R3：調(diào)節(jié)柱的導(dǎo)熱熱阻(細(xì))：

R3=L2/(λ1A3)

(3)

R4：調(diào)節(jié)柱與上不銹鋼螺母的接觸熱阻

R4=(h2A4)-1

(4)

R5：螺母的導(dǎo)熱熱阻

R5=L3/(λ2A5)

(5)

R6：上不銹鋼螺母與肋的接觸熱阻

R6=(h1A5)-1

(6)

A1為肋板條與調(diào)節(jié)柱接觸面積，A2為調(diào)節(jié)柱較粗部位截面積，A3為調(diào)節(jié)柱較細(xì)部位截面積，A4為調(diào)節(jié)柱與不銹鋼螺母的接觸面積，A5為螺母截面積。λ1為調(diào)節(jié)柱導(dǎo)熱系數(shù)，λ2為螺母導(dǎo)熱系數(shù)。L1為調(diào)節(jié)柱較粗部位長(zhǎng)度，L2為調(diào)節(jié)柱較細(xì)部位長(zhǎng)度，L3為螺母厚度。計(jì)算中壓緊面之間的接觸傳熱系數(shù)h1取3500W/m2℃，螺母與螺釘間的接觸傳熱系數(shù)h2取1000W/m2℃。

總熱阻R總=R1+R2+R3+R4+R5+R6

表1 三種調(diào)節(jié)柱材料的熱阻計(jì)算結(jié)果Table 1 Thermal resistance of different screw materials

通過(guò)熱阻計(jì)算表明，對(duì)肋與肋板條之間相互漏熱影響最大的是調(diào)節(jié)柱的導(dǎo)熱熱阻，雖然聚酰亞胺的漏熱影響最小，但是考慮到天線力學(xué)性能，最終選擇鈦合金作為調(diào)節(jié)柱的材料。

2 肋組件熱設(shè)計(jì)優(yōu)化

肋采用多層隔熱組件進(jìn)行整體包覆，考慮到肋上安裝有調(diào)節(jié)柱、張力繩索等，多層的開(kāi)縫處會(huì)產(chǎn)生漏熱，在第一次天線整機(jī)的熱試驗(yàn)中暴露出天線肋降溫速率過(guò)快的問(wèn)題，見(jiàn)下圖3。肋的溫度在2h內(nèi)從20℃降至-100℃，而天線在軌地影時(shí)長(zhǎng)達(dá)72min，個(gè)別肋由于星體遮擋時(shí)間可達(dá)約4h，可知多層漏熱嚴(yán)重。通過(guò)單獨(dú)肋組件的熱平衡試驗(yàn)，此時(shí)多層的當(dāng)量發(fā)射率εeff=0.5，即多層已失去其保溫能力。

圖3 熱平衡試驗(yàn)天線肋降溫曲線Fig.3 Temperature curve of rib in thermal balance test

為了減小多層漏熱，肋上包敷的多層分為內(nèi)(調(diào)節(jié)柱處開(kāi)縫)、外(張力繩處開(kāi)縫)兩部分(每部分均為5單元)，見(jiàn)圖4。同時(shí)在包覆多層時(shí)將內(nèi)、外兩部分多層在張力繩、調(diào)節(jié)柱開(kāi)口處錯(cuò)開(kāi)，使得開(kāi)縫被多層完全覆蓋。為進(jìn)一步確保肋在軌保持在合適的工作溫度，減小肋之間的溫差，每根肋上安裝的加熱功率為5.5W的電纜加熱器用于在軌溫度調(diào)節(jié)。

圖4 肋多層設(shè)計(jì)示意圖Fig.4 MLI design of rib

為縮小肋板條在軌溫差，在肋板條凹面用線縫上一層F46膜(膜面朝外)，背面包敷5單元多層。

3 熱設(shè)計(jì)優(yōu)化后天線整機(jī)熱平衡試驗(yàn)

在天線整機(jī)進(jìn)行熱真空試驗(yàn)中低溫工況時(shí)關(guān)閉所有紅外加熱籠和其他加熱工裝，僅開(kāi)啟天線肋加熱器直至溫度平衡。通過(guò)天線肋降溫曲線及可知，在降溫4h后，天線肋的溫度>-55℃，離指標(biāo)要求的-65℃仍有10℃余量，即熱控設(shè)計(jì)及實(shí)施過(guò)程控制滿足性能要求，見(jiàn)下圖5所示。

圖5 熱平衡試驗(yàn)天線肋降溫曲線Fig.5 Temperature curve of rib in thermal balance test

另外，肋在達(dá)到-65℃平衡溫度時(shí)肋加熱功率未飽和，見(jiàn)表2，說(shuō)明天線肋的加熱功率設(shè)計(jì)合理。

表2 天線肋達(dá)到溫度平衡時(shí)使用功率Table 2 Thermal compensation power of rib in different test case

4 結(jié)論

本文對(duì)高精度傘狀天線肋的傳熱路徑及熱阻進(jìn)行分析，采用“主動(dòng)”加“被動(dòng)”熱控設(shè)計(jì)方法解決了高精度天線在軌嚴(yán)格的熱控要求，結(jié)論如下：(1)調(diào)節(jié)螺釘對(duì)天線肋的漏熱有較大影響，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)兼顧力學(xué)和熱性能；(2)對(duì)于空間大型薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)上使用的多層隔熱組件，由于開(kāi)縫較多，邊界漏熱效應(yīng)增大，應(yīng)對(duì)其隔熱性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，確保主動(dòng)控溫功率設(shè)計(jì)的正確性。