地球同步軌道衛星對地點波束天線在軌熱分析

何安琦，祝尚坤，李　兵，王耀霆

（1.西安交通大學 裝備智能診斷與控制研究所，西安 710049；2.西安空間無線電技術研究所，西安 7100100）

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地球同步軌道衛星對地點波束天線在軌熱分析

何安琦1，祝尚坤1，李兵1，王耀霆2

（1.西安交通大學 裝備智能診斷與控制研究所，西安 710049；2.西安空間無線電技術研究所，西安 7100100）

衛星在軌運行期間，衛星天線部件的溫度會隨著不斷變化的外熱流和輻射交換而變化。對溫度變化敏感的部件如天線反射器在這種情況下易發生熱致振動現象，從而影響其正常功能。對在軌運行的衛星天線所進行的熱分析為衛星天線的熱控設計和熱致振動的預測提供了溫度數據。首先建立某型號衛星天線系統的物理模型，然后利用UG-TMG軟件對其進行在軌運行空間瞬態熱分析，最后分析天線反射器的溫度結果，為以后的熱致振動研究提供參考和數據支持。

振動與波；衛星；點波束天線；天線反射器；UG-TMG；熱分析；熱致振動

當衛星沿一定軌道運行時，不斷變化的外熱流和輻射交換會引起衛星部件溫度場的不斷變化，對于天線反射器等表面精度要求較高的衛星部件，劇烈的溫度變化會引起熱致振動現象，進而影響其正常工作［1］。因此為保證衛星重要部件正常運作，提前進行熱致振動的預測和控制是很有必要的。在此過程中，熱分析是熱致振動分析的基礎，熱分析所提供溫度數據的準確性決定了熱致振動分析結果的可靠性。

目前，有限元法是熱分析中最常用的方法，有限元方法可以使用一個統一的有限元模型來進行熱分析和結構分析，這樣就消除了熱分析和結構分析之間的數據轉換和接口問題，從而減小了工作量并提高了計算精度，因此有限元方法特別適合求解拋物面天線發射器等對熱穩定性要求較高的空間飛行器部件的溫度場［2］。UG-TMG軟件具有強大的航天器軌道熱效應分析和有限元分析求解功能，可以提供快速精確的方法求解復雜空間熱問題，因此利用該軟件建立衛星點波束天線熱有限元模型并對仿真得出的溫度結果進行了一定的分析，可對以后的熱致振動研究提供參考和數據支持。

1　衛星天線分系統基本參數

1.1天線概述

所建立的衛星天線系統主體為上下底面直徑分別為1 212 mm和2 240 mm、高為612.5 mm的圓錐形艙體，艙體側面布置一點波束天線，采用（440× 400×12）mm的正饋單反射面天線。該天線由反射面、饋源組件、波導組件、支架、支撐結構等組成，如圖1所示。

圖1　點波束天線組件及布局

1.2材料與熱物理屬性

點波束天線支撐結構為16 mm厚的碳纖維鋁蜂窩板，導熱系數λ為1.64 W/m/K，半球發射率ε為0.74，太陽吸收率為0.92；其他部件均為鋁合金材料，導熱系數λ為117.2 W/m/K，半球發射率ε為0.14，太陽吸收率為0.36。

1.3軌道參數及衛星姿態

衛星運行于地球同步靜止軌道，對地定向，三軸穩定，衛星+Z軸指向地心，+X指向飛行方向，圖2所示為衛星地球同步軌道對地定向示意圖。

圖2　衛星地球同步軌道對地定向示意圖

2　熱分析模型的建立

采用UG-TMG軟件進行熱分析模型的建立。

2.1模型簡化

考慮到天線各部件間換熱關系和與外部環境輻射關系都十分復雜，因此根據實際情況進行了如下合理的簡化假設：

（1）由于衛星處于36 000 km的軌道上，它受到的地球輻射和地球反照加熱均可忽略不計，影響衛星溫度變化的空間環境熱源為太陽；

（2）由于星體內部溫度變化對星外部件的影響是很小的，因此假定星體艙板溫度為定值30℃；

（3）將相互搭接的艙板、支撐結構板視為連續的整體，忽略它們之間的接觸熱阻；

（4）忽略鋁蜂窩板芯的徑向導熱及板芯內部的輻射換熱；

（5）除天線外其他遮擋物簡化為相應尺寸的立方體。

2.2模型網格劃分

文中所有部件有限元網格均選取二維網格，不同部件的網格通過調整厚度使其保持與實際相符的質量，從而增加計算精度，所建熱網格模型如圖3所示。

圖3　點波束天線系統熱網格模型

3　在軌溫度場分析

設置計算工況日期為春分點，太陽常數為計算時刻由當地時間00:00開始，外熱流、角系數等每小時計算一次，分點時在進出陰影區附近衛星所受外熱流變化劇烈，軟件會自動增加4個計算點，因此在分點時一個周期中，外熱流、角系數共有28個“計算位置”。得到衛星天線運行過程中的每個時刻的最高溫度、最低溫度和平均溫度。衛星有眾多天線部件，以某點波束天線的天線反射器為例，分析衛星在軌運行時候天線溫度隨時間變化的規律。利用TMG求解器求解瞬態條件下的溫度響應，得到點波束天線反射器在軌穩定運行過程中四個周期的溫度-時間變化曲線如圖4所示。

圖中展示的是衛星在入軌后的第四周期到第七周期的溫度變化曲線。可以明顯看出衛星溫度變化的周期性，反射器面出現的最高溫度約-53℃，最低溫度約-95℃；反射器面的平均溫度變化區間為-63℃～-85℃。

圖4　天線反射器溫度-變化曲線圖（四個周期）

圖5　天線反射器溫度變化曲線（第七周期）

從圖中可以看到一個周期內衛星在軌運行用時為24小時，其中在前11小時溫度逐步升高，因為此階段某型號的點波束天線反射器一直受到太陽輻射；此后溫度突然開始劇烈的降低，此時衛星正好進入地球陰影區域，因此接受不到太陽輻射，溫度發生驟變；到14小時的時候，衛星駛出地球陰影區域，因此溫度又突然升高；接下來的時間溫度緩慢降低，經過分析是因為反射器逐漸受到遮擋物的部分遮擋，因此溫度會有緩慢的下降。

4　結語

（1）通過UG-TMG軟件對某型號點波束天線進行熱分析，可以看到反射器在進入和駛出地球陰影區域時會發生急劇的溫度變化，從而有可能造成反射器的熱致振動，妨礙反射器正常工作。

（2）通過UG-TMG進行瞬態熱分析，可以對需要重點關注的衛星部件進行溫度預測，進而根據結果采取相應的熱控措施，保證部件安全運行。

（3）熱分析溫度結果為以后的熱致振動的研究提供了重要的數據支持，是進行熱振動分析的基礎。

［1］鐘楊帆，朱敏波，魏鋒.I-DEAS在航天器熱分析中的應用［J］.計算機工程與設計，2006，12：2306-2308.

［2］朱敏波，曹峰云，劉明治，等.星載大型可展開天線太空輻射熱變形計算［J］.西安電子科技大學學報，2004，（1）：28-31.

［3］屈金祥.航天器系統熱分析綜述［J］.紅外，2004，（10）：20-27.

［4］楊品.星載天線掃描機構熱控分析及優化研究［D］.重慶：重慶大學，2012.

［5］張海濤.星載可展開天線熱振動分析［D］.西安：西安電子科技大學，2012.

［6］朱敏波.星載大型可展開天線熱分析技術研究［D］.西安：西安電子科技大學，2007.

［7］陳建新，劉偉強.某遙感衛星熱分析技術研究［J］.上海航天，2011，（3）：46-49.

［8］劉巨.太陽同步圓軌道空間相機瞬態外熱流計算［J］.中國光學，2012，（2）：148-153.

ThermalAnalysis of Satellite Spot BeamAntennas in Orbit

HE An-qi1，ZHU Shang-kun1，LIBing1，WANG Yao-ting2

（1.Intelligent Diagnosis and Control Equipment Institute，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710000，China；2.Xi’an Space Radio Technology Research Institute，Xi’an 710000，China）

In operation of satellites in orbit，the temperature of the satellite antennas changes with the heat flux and the radiation exchange.Satellite components such as antenna reflectors，which are sensitive to the temperature change，will have heat-induced vibrations.These vibrations can affect the normal function of the antennas.Thermal analysis of the satellite antennas traveling in the orbit can provide temperature data for the thermal control design of the satellite antennas and the prediction of the heat-induced vibrations.In this paper，firstly the physical model of a type of satellite antenna system is established，and then the transient heat in the orbit is analyzed by the software UG-TMG，finally the result of the temperature of the antenna reflectors is analyzed.

vibration and wave；satellite；spot beam antenna；antenna reflector；UG-TMG；thermal analysis；heatinduced vibrations

O241.82

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.04.046

1006-1355（2016）04-0214-03

2015-11-28

何安琦（1991-），男，西安市人，碩士。

李兵，男，博士生導師，主要研究方向為信號處理及有限元分析、非線性動力學。E-mail:bli@mail.xjtu.edu.cn