壽秋爽 趙啟偉 周佐新

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部 空間熱控技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094)

一些地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星為了改善天線性能，把部分射頻設(shè)備直接安裝在天線反射器背部，因此需要在天線反射器背部設(shè)置一個(gè)高頻箱[1-2]。由于同反射器距離很近，高頻箱所處的外部熱環(huán)境非常惡劣，尤其當(dāng)反射器為固面且口徑很大時(shí)。一方面，反射器對(duì)高頻箱散熱有遮擋作用，削弱了高頻箱在半球方向的散熱能力；另一方面，反射器導(dǎo)致高頻箱外熱流成分復(fù)雜，且引起高頻箱外熱流在一個(gè)軌道周期內(nèi)的巨大波動(dòng)。上述原因使得高頻箱的熱設(shè)計(jì)非常困難。

為了優(yōu)化高頻箱熱設(shè)計(jì)，需要研究不同高頻箱外熱流成分的影響及其主要影響因素。由于高頻箱同反射器直接連接這種構(gòu)型比較復(fù)雜，目前尚未見(jiàn)到國(guó)外對(duì)類似構(gòu)型高頻箱外熱流的理論研究。國(guó)外工程中主要依靠大型太陽(yáng)模擬器進(jìn)行試驗(yàn)研究，國(guó)內(nèi)公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)中也沒(méi)有類似的研究?jī)?nèi)容。雖然使用太陽(yáng)模擬器可以較為準(zhǔn)確地進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，但試驗(yàn)只是對(duì)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)和考核，相對(duì)于設(shè)計(jì)是滯后的環(huán)節(jié)。在設(shè)計(jì)階段，分析是最重要的手段。按照傳統(tǒng)的分析方法，需要將衛(wèi)星艙板及所附多層隔熱組件、高頻箱、天線結(jié)構(gòu)及所附多層隔熱組件在模型中建立節(jié)點(diǎn)，這導(dǎo)致模型建立和分析相對(duì)復(fù)雜，不利于設(shè)計(jì)的快速迭代[3]。本文試圖通過(guò)將天線及所附多層隔熱組件等效簡(jiǎn)化為一層涂層，按此狀態(tài)分析高頻箱溫度，這樣可以快速反推其熱環(huán)境，識(shí)別對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響和評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)，方便設(shè)計(jì)的快速迭代。

綜上所述，本文基于一些特定假設(shè)，利用IDEAS_TMG熱分析軟件對(duì)高頻箱不同外熱流成分的影響進(jìn)行分析，并研究天線反射器背部不同熱控措施對(duì)高頻箱外熱流的影響，為采取措施減小高頻箱外熱流、抑制高頻箱溫度在一個(gè)軌道周期內(nèi)的波動(dòng)幅度、改善設(shè)備溫度水平提供依據(jù)。

1 高頻箱外熱流分析簡(jiǎn)化模型

GEO衛(wèi)星上某高頻箱構(gòu)型如圖1所示，高頻箱及天線反射器安裝在衛(wèi)星東板上。高頻箱、天線反射器及衛(wèi)星東板的相對(duì)位置關(guān)系如圖2所示。高頻箱和天線反射器，以及高頻箱和衛(wèi)星東板之間均采取隔熱措施，以減小它們之間的導(dǎo)熱交換。為了簡(jiǎn)化，在本文的外熱流分析中只包括高頻箱、天線反射器及衛(wèi)星東板；3個(gè)部分是獨(dú)立的，相互之間沒(méi)有連接關(guān)系。高頻箱是一個(gè)外形尺寸為1200 mm×1200 mm×400 mm的封閉六面體，內(nèi)部只考慮平行于其南板、北板散熱面的長(zhǎng)隔板，不考慮儀器設(shè)備。天線和高頻箱處于在軌展開(kāi)狀態(tài)，其中天線反射器指向地球。衛(wèi)星東板的尺寸為1720 mm×2000 mm，天線反射器的口徑約為3000 mm。圖3給出了在此幾何模型上所劃分的計(jì)算網(wǎng)格，共有1580個(gè)。另外，在本文的熱分析中，把天線反射器背部多層隔熱組件等效為涂層，并將該多層隔熱組件和天線反射器設(shè)為一層計(jì)算節(jié)點(diǎn)。

圖1 天線及高頻箱在軌構(gòu)型示意Fig.1 In-orbit configuration of antenna and RF box

圖2 高頻箱外熱流分析幾何模型Fig.2 Geometrical model of RF box for external heat flux analysis

注：高頻箱朝上/下表面分別為北/南散熱面。

上述模型中，高頻箱南板、北板外表面全部處理為光學(xué)太陽(yáng)反射鏡(OSR)散熱面，高頻箱其余外表面均為多層隔熱組件。天線反射器背部和衛(wèi)星東板外表面包覆多層隔熱組件。高頻箱南板和北板上的熱耗均為50 W，高頻箱的其余部位沒(méi)有熱耗。由于運(yùn)行在GEO上，高頻箱的最大外熱流出現(xiàn)在壽命末期夏至點(diǎn)(或冬至點(diǎn))的當(dāng)?shù)貢r(shí)間12:00[4-5]。此時(shí)，太陽(yáng)既照射高頻箱北板散熱面(或南板散熱面)，也照射天線反射器區(qū)域。因此，本文選擇壽命末期夏至當(dāng)?shù)貢r(shí)間12:00這一特定時(shí)刻進(jìn)行分析，所有分析工況均為穩(wěn)態(tài)。為了盡可能簡(jiǎn)化，本文均直接以受照的高頻箱北板散熱面平均溫度(最高和最低溫度的代數(shù)平均)高低來(lái)反映外熱流的大小。

2 高頻箱不同外熱流成分影響分析

由于運(yùn)行在GEO上，來(lái)自地球的紅外輻射和對(duì)太陽(yáng)光的反照熱流可以忽略。高頻箱外熱流可以簡(jiǎn)單劃分為：①直接入射的太陽(yáng)光外熱流；②天線反射器背部多層隔熱組件所吸收的太陽(yáng)光以紅外輻射的形式到達(dá)高頻箱的外熱流；③到達(dá)反射器背部多層隔熱組件的太陽(yáng)光以反射光的形式到達(dá)高頻箱的外熱流。后兩者均是太陽(yáng)光通過(guò)反射器背部多層隔熱組件間接到達(dá)高頻箱的外熱流。

為了研究上述3類外熱流的影響，本節(jié)基于一些特殊假設(shè)設(shè)計(jì)出4個(gè)分析工況，具體如下。

工況1：假設(shè)天線反射器背部多層隔熱組件對(duì)太陽(yáng)光的透射率τ=1。根據(jù)此假設(shè)，直接照射到該多層隔熱組件上的太陽(yáng)光和通過(guò)高頻箱反射到該多層隔熱組件上的太陽(yáng)光均不會(huì)以紅外輻射或反射光的形式再回到高頻箱。因此，本工況高頻箱外熱流將不包括上文所提到的外熱流②和③，適用于研究高頻箱直接入射太陽(yáng)光的影響。

工況2：假設(shè)天線反射器背部多層隔熱組件對(duì)太陽(yáng)光的透射率為τ(τ≠1)，反射率ρ=1-τ。根據(jù)此假設(shè)，直接照射到該多層隔熱組件上的太陽(yáng)光和通過(guò)高頻箱反射到該多層隔熱組件上的太陽(yáng)光僅以反射光的形式再回到高頻箱，多層隔熱組件所吸收的那部分太陽(yáng)光的熱影響為零。因此，本工況高頻箱外熱流將不包括外熱流②，適用于研究太陽(yáng)光經(jīng)天線反射器背部多層隔熱組件反射后以反射光形式對(duì)高頻箱的熱影響。

工況3：假設(shè)天線反射器背部多層隔熱組件對(duì)太陽(yáng)光的透射率τ=(1-αs)，太陽(yáng)吸收比為αs。根據(jù)此假設(shè)，直接照射到該多層隔熱組件上的太陽(yáng)光和通過(guò)高頻箱反射到該多層隔熱組件上的太陽(yáng)光僅以紅外輻射的形式再回到高頻箱，沒(méi)有反射光。因此，本工況高頻箱外熱流將不包括外熱流③，適用于研究太陽(yáng)光被天線反射器背部多層隔熱材料吸收后以紅外輻射形式對(duì)高頻箱的熱影響。

工況4：天線反射器背部多層隔熱材料對(duì)太陽(yáng)光的反射率ρ=(1-αs)，太陽(yáng)吸收比為αs。在這種情況下，高頻箱外熱流包括上述3類外熱流。本工況為在軌真實(shí)工況。

圖4給出了上述4種假設(shè)工況下高頻箱北板的溫度分布情況，所有工況中αs均為0.55(假設(shè)多層外表面膜為單面鍍鋁聚酰亞胺膜，膜面朝外)[6]。

圖4 外熱流對(duì)高頻箱溫度影響Fig.4 External heat flux effects on temperature of RF box

從圖4中可以看到，在只有直接入射太陽(yáng)光外熱流時(shí)，高頻箱北板的平均溫度為-5.8 ℃，見(jiàn)圖4(a)。在考慮了反射光外熱流后，高頻箱北板的平均溫度上升到1.4 ℃，見(jiàn)圖4(b)。同工況1相比，工況2中北板的平均溫度上升了7.2 ℃。在考慮紅外熱流而不考慮反射光外熱流的情況下，高頻箱北板的平均溫度上升為17.8 ℃，見(jiàn)圖4(c)，比工況1中北板的平均溫度上升了23.6 ℃。在既考慮紅外熱流又考慮反射光外熱流的情況下，北板的平均溫度為24.6 ℃，見(jiàn)圖4(d)，比工況1中的北板平均溫度上升了30.4 ℃。

由此可見(jiàn)，來(lái)自天線背部多層隔熱組件的紅外輻射及反射光的影響都非常大。在高頻箱熱設(shè)計(jì)中必須考慮這兩類外熱流的影響，不能輕易忽略其中任一個(gè)因素。相比較而言，來(lái)自天線背部多層隔熱組件的紅外輻射影響更大，這是由于OSR散熱面的太陽(yáng)吸收比較小而紅外吸收率較高。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，應(yīng)盡可能降低來(lái)自天線背部多層隔熱組件的紅外輻射。

3 天線反射器背部熱控材料影響分析

天線反射器背部一般包覆多層隔熱組件，以減小劇烈變化的外熱流對(duì)熱變形的影響。衛(wèi)星外部多層隔熱組件由多層芯和面膜組成[7]。面膜的種類很多，常見(jiàn)的有單面鍍鋁聚酰亞胺膜、F46鍍銀二次表面鏡，以及黑色聚酰亞胺膜[8-9]等。由于多層隔熱組件隔熱效果好[10]，面膜材料對(duì)天線反射器自身溫度的影響非常小，但對(duì)同天線反射器直接相連的高頻箱來(lái)說(shuō)會(huì)有很大的區(qū)別。本節(jié)研究不同多層隔熱組件外表面膜材料對(duì)高頻箱的熱影響，為高頻箱熱設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。

3.1 理論分析

假設(shè)多層隔熱組件是絕熱的，其對(duì)太陽(yáng)光的反射為漫反射，且多層隔熱組件對(duì)太陽(yáng)光不透明。另外，不考慮高頻箱對(duì)“從多層隔熱組件到高頻箱的”紅外輻射和反射光的再次反射的影響。多層隔熱組件外表面膜的發(fā)射率為εMLI，太陽(yáng)吸收比為αs，對(duì)太陽(yáng)光的反射率ρ=1-αs。

根據(jù)多層隔熱組件絕熱的假設(shè)，多層隔熱組件吸收的太陽(yáng)能全部以紅外輻射的形式輻射出去。根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼(Stefan-Boltzman)定律，此時(shí)多層隔熱組件外表面某點(diǎn)的輻射強(qiáng)度EMLI如式(1)所示，該點(diǎn)對(duì)太陽(yáng)光的反射強(qiáng)度RMLI如式(2)所示。

EMLI=εMLI·σ·TMLI4=αs·S·cosθ

(1)

式中：σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)；S為太陽(yáng)常數(shù)；TMLI為該點(diǎn)多層隔熱組件的表面溫度；θ為入射光同該點(diǎn)多層隔熱組件法線方向的夾角。

RMLI=ρ·S·cosθ=(1-αs)·S·cosθ

(2)

假設(shè)多層隔熱組件上該點(diǎn)對(duì)高頻箱散熱面的角系數(shù)為Φ，則多層隔熱組件紅外輻射及反射光到達(dá)高頻箱散熱面的強(qiáng)度Ei和Ri分別為

Ei=EMLI·Φ=αs·S·cosθ·Φ

(3)

Ri=RMLI·Φ=(1-αs)·S·cosθ·Φ

(4)

此時(shí)，高頻箱散熱面所吸收的多層隔熱組件紅外輻射及反射外熱流為

EMLI-OSR=εOSR·Ei+αOSR·Ri

(5)

式中：εOSR和αOSR分別為OSR散熱面的發(fā)射率和太陽(yáng)吸收比。

將式(3)和(4)代入式(5)，可得

EMLI-OSR=[(εOSR-αOSR)·αs+αOSR]·

S·cosθ·Φ

(6)

由于εOSR大于αOSR，因此EMLI-OSR將隨多層隔熱組件外表面膜太陽(yáng)吸收比的增加而增加。這說(shuō)明在選擇天線反射器背部多層隔熱組件外表面膜時(shí)，應(yīng)盡可能選用那些太陽(yáng)吸收比小的材料。從式(6)可以看到，EMLI-OSR的大小與多層隔熱組件外表面膜的發(fā)射率無(wú)關(guān)。

將式(6)進(jìn)行變換，可得

EMLI-OSR=[αs+(1-αs)·αOSR/εOSR]·

εOSR·S·cosθ·Φ

(7)

定義折算太陽(yáng)吸收比

αs,ZS=αs+(1-αs)·αOSR/εOSR

(8)

則式(7)變?yōu)?/p>

EMLI-OSR=αs,ZS·εOSR·S·cosθ·Φ

(9)

式(9)可以解讀為：太陽(yáng)光被天線反射器背部多層隔熱組件外表面吸收和反射后對(duì)高頻箱的紅外輻射和反射光總加熱效果，相當(dāng)于該多層隔熱組件以αs,ZS吸收太陽(yáng)光后僅以紅外輻射方式對(duì)高頻箱的加熱效果。結(jié)合式(6)和式(7)也可以看到，天線反射器背部多層隔熱組件外表面膜的太陽(yáng)吸收比越小，折算太陽(yáng)吸收比就越小，因此相應(yīng)的太陽(yáng)光通過(guò)天線反射器后被高頻箱散熱面吸收的熱流就越小，從而就越有利于高頻箱的散熱。

3.2 定量分析

本節(jié)定量分析常用多層隔熱組件外表面膜對(duì)高頻箱的熱影響。F46鍍銀二次表面鏡、單面鍍鋁聚酰亞胺膜和黑色聚酰亞胺膜的太陽(yáng)吸收比和發(fā)射率，以及折算太陽(yáng)吸收比，如表1所示。

表1 多層隔熱組件外表面膜的發(fā)射率及太陽(yáng)吸收比Table 1 ε and αs of outer film of multilayer insulator

圖5給出了上述外表面膜對(duì)高頻箱北板溫度的影響。其中：圖5(a)～5(c)是按照薄膜真實(shí)太陽(yáng)吸收比和發(fā)射率計(jì)算的溫度；圖5(d)～5(f)是按照薄膜折算太陽(yáng)吸收比和第2節(jié)工況3中的假設(shè)計(jì)算的溫度。

圖5(a)～5(c)中的結(jié)果表明：隨著多層隔熱組件外表面太陽(yáng)吸收比的升高，高頻箱北板的溫度也逐漸升高。3種情況下北板的平均溫度分別為21.3 ℃、24.6 ℃和32.1 ℃。由于被多層隔熱組件吸收的太陽(yáng)能主要以紅外輻射的形式輻射出去，因此太陽(yáng)吸收比越大，入射太陽(yáng)光轉(zhuǎn)變成紅外輻射的份額就越大，高頻箱散熱面所吸收的外熱流就越多。

從圖5(d)～5(f)中可以看到：對(duì)應(yīng)3種多層隔熱組件外表面膜，按折算太陽(yáng)吸收比計(jì)算的高頻箱北板的平均溫度分別為19.3 ℃、23.1 ℃和33.2 ℃，同對(duì)應(yīng)的圖5(a)～5(c)中北板平均溫度比較接近，可以說(shuō)兩者的差別在允許的范圍內(nèi)。這說(shuō)明，天線反射器背部多層隔熱組件折算太陽(yáng)吸收比模型可以用來(lái)計(jì)算高頻箱外熱流大小，這在一定程度上可以簡(jiǎn)化高頻箱外熱流分析模型的復(fù)雜程度。同時(shí)，利用該模型，還可以簡(jiǎn)化高頻箱熱平衡試驗(yàn)時(shí)外熱流模擬措施，也就說(shuō)，可以把第2節(jié)中所介紹的外熱流②和③合并為一類，即僅考慮來(lái)自天線反射器的紅外輻射(此時(shí)多層隔熱組件太陽(yáng)吸收比按照折算太陽(yáng)吸收比計(jì)算)。若分別模擬外熱流②和③的話，由于反照光在高頻箱散熱面上的分布很不均勻，因此高頻箱散熱面需要?jiǎng)澐譃槎鄠€(gè)區(qū)域分別模擬其吸收的太陽(yáng)光，這會(huì)在一定程度上增加高頻箱外熱流模擬裝置的復(fù)雜程度。

圖5 不同多層隔熱組件外表面膜對(duì)高頻箱北板溫度影響Fig.5 Multilayer insulator outer film effects on temperature of RF box

4 結(jié)論

本文針對(duì)GEO衛(wèi)星上“高頻箱安裝在天線反射器背部”這種特殊構(gòu)型，將天線反射器背部多層隔熱組件等效為涂層，并將該多層隔熱組件及天線反射器處理為一層計(jì)算節(jié)點(diǎn)，通過(guò)人為設(shè)定不同的涂層特性定量獲得了高頻箱不同外熱流成分的影響大小，并分析了天線反射器背部多層隔熱組件不同外表面膜的影響，為高頻箱熱設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。具體結(jié)論如下。

(1)太陽(yáng)光直接照射外熱流、來(lái)自天線反射器背部的紅外輻射外熱流和太陽(yáng)光反照外熱流，對(duì)高頻箱溫度的影響均非常大，在進(jìn)行高頻箱熱設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮這些成分的影響。

(2)同來(lái)自天線反射器背部的太陽(yáng)光反照外熱流相比，來(lái)自反射器的紅外輻射熱流的影響更大。

(3)太陽(yáng)光通過(guò)天線反射器背部多層隔熱組件到達(dá)高頻箱散熱面而被吸收的外熱流，主要與多層隔熱組件外表面膜的太陽(yáng)吸收比有關(guān)。

(4)天線反射器背部外表面膜太陽(yáng)吸收比越小，高頻箱散熱面所吸收的外熱流就越小。因此，在天線反射器熱控時(shí)應(yīng)盡可能選用太陽(yáng)吸收比小且穩(wěn)定的薄膜作為多層隔熱組件外表面膜。

(5)來(lái)自天線反射器背部多層隔熱組件的紅外輻射熱流和對(duì)太陽(yáng)光的反射熱流，可以等效為來(lái)自反射器背部的紅外輻射熱流，從而可以簡(jiǎn)化熱試驗(yàn)時(shí)高頻箱外熱流的模擬措施。