MEO衛星有源微波天線機電熱一體化設計與應用

杜博然 施哲棟 畢建峰 曾凡健 顧燕萍 張好 翟載騰

(上海衛星工程研究所,上海 201109)

微波天線類衛星功能密度越來越大,天線陣面面積由十幾平米發展為一百多平米,意味著測控溫單元數量顯著增加。天線各模塊溫度差異對成像幅相一致性性能影響很大,是影響微波天線高品質成像的重要制約因素[1]。如果按照統一由艙內數管單機采集溫度與控溫,線纜的數量和長度將成倍增長。結構與功能一體化重構技術推動微波天線向模塊化發展[2],天線模塊體現出堆棧式布局特點[3],將傳統衛星中發射和接收(T/R)組件等單機實現的功能集成到印制電路(PCB)板上,有利于在運載包絡尺寸內減小天線厚度,增大天線陣面面積。不過堆?；O計意味著天線模塊之間存在熱孤島效應,除了器件之間的電纜連接之外,PCB板之間的熱耦合不強。因此,天線的大陣面化與模塊化對載荷熱控設計提出了更高的要求。

近年來針對傳統天線的熱控研究已取得了大量的理論成果。文獻[4]介紹了有源相控陣機電熱耦合理論,并以電性能和熱控重量為綜合目標,優化了熱管重量和散熱板厚度;文獻[5]分析預測太陽同步軌道的熱極值工況,對相控陣天線進行了機電熱耦合分析,認為表面熱控涂層屬性是影響星載設備溫度的重要因素;文獻[6]采用有效載荷-衛星平臺一體化設計方案,提高了衛星功能密度和發射成本。傳統的天線波導為鋁合金縫隙波導,普遍采用傳統光亮陽極化工藝[7],由于縫隙存在黑腔效應會提高整體的吸收率,無法及時將天線的熱量輻射出去,可能直接導致天線溫度超差。傳統天線模塊內的熱控普遍采用微型表貼熱管[8]或者蜂窩板預埋熱管的方式,這樣可以減少模塊內T/R組件熱耗差異帶來的溫度不均勻。不過由于天線器件安裝空間局促,電連接器接口眾多導致蜂窩板孔位密集,尤其是模塊間存在間隙,隨著天線單機數量的增多,熱管實施將會變得更加困難。此外,模塊一般采取獨自控溫,即1個模塊設置1主份和1備份加熱器,這就導致天線全陣面熱控需要大量的加熱器資源,這些線纜均從模塊連接到載荷艙的綜合電子單機,極端情況下一束板間電纜甚至集成了千根導線,不僅占據了大部分重量資源,天線收攏時還會有綁扎應力和鉸鏈鉤掛的風險。因此有必要研究新的機電熱一體化設計方法來降低熱控資源消耗,提升控溫效果。

本文結合MEO空間熱環境特點,通過集成模塊化熱控設計,綜合考慮機電熱設計要素,充分利用納米膜、高導熱石墨板和分布式測控溫系統的優點,提出了針對MEO衛星微波天線的一體化熱控方法,在保證天線控溫需求的同時大幅降低了熱控資源需求。

1 MEO衛星微波天線熱控設計方法

1.1 MEO衛星微波天線特點

MEO衛星微波天線熱功率高,峰值功耗可達數十千瓦,對散熱能力要求很高。此外,天線表面外熱流復雜,在一個軌道周期內,天線各部分外熱流不均且數值變化較大,會出現波導受照期間天線連續長時間工作的情況。波導面受照時和處于地影期外熱流更是比較懸殊。

MEO微波天線一般由若干天線模塊組成,每個模塊組成天線的基本功能單元,一般由波導、PCB板和頂層器件組成。每個PCB板點陣分布著大量T/R組件,而PCB板自身導熱性一般,且PCB板之間存在物理隔離。頂層器件如電源的熱耗對PCB板的溫度一致性影響很大。圖1為典型的MEO微波天線子板構型,黑色虛線框內為一個天線單元,存在4個天線模塊。

圖1 微波天線子板與天線單元Fig.1 Sub board of microwave antenna and antenna unit

1.2 機電熱一體化設計方法

針對MEO衛星微波天線的大陣面、高精度、高溫性的熱控需求,應體現出層級化分布式熱管理理念,因此將天線熱控設計方法分為兩個層級,分別是陣面級和模塊級。

陣面級天線熱控設計方法采用整體包裹低退化、高環境適應性的輻射納米膜,保證天線與空間熱環境之間穩定的熱輻射關系。納米膜[9-10]具有高紅外發射率、低太陽吸收比的特點,粘貼在波導表面,與傳統的鋁光亮處理方式相比能夠大幅提升天線的散熱能力。納米熱控薄膜是新型高效納米熱控涂層,基于對薄膜表面和體內三維微納結構的精細設計,實現對太陽譜段和紅外譜段的精確光譜調控,太陽吸收比可達0.08,紅外發射率可達0.9,能夠適應MEO的大劑量粒子輻照,散熱性能相比傳統的鋁光亮陽極氧化有明顯的優勢。

針對模塊級的天線熱控提出1對4高導熱石墨板[11]方案,1塊高導熱石墨板與4塊PCB板裝配,高導熱板既提供了PCB板的安裝基板,又打通了PCB板之間的熱鏈路。通過采用高導熱石墨板來強化PCB板內熱量的均勻性,1塊石墨板的測點溫度即可表征4塊PCB板上器件的溫度,采用高導熱石墨板的優化方案后,天線溫度遙測需求將會大幅降低。同時采用分布式測控溫方案[12]如圖2所示,每塊子板設置1臺控溫驅動單元可提供多路控溫需求,多臺驅動單元的信號線并聯導向位于天線中間的控制單元,板間測控溫電纜僅有少量低頻信號線,大大減輕了熱控線纜重量,降低了板間線纜綁扎和彎折的難度。由于天線存在框架邊緣漏熱的現象,因此在天線四周和鉸鏈區域盡可能提高主份加熱器配比,子板中央區域降低主份加熱器配比,滿足單板測控溫路數不超過驅動單元的控溫能力,具體如圖3所示。

注:圖中LA板、LB板、LC板和LD板是天線側板;M板是位于星體附近的天線中板。圖2 分布式電纜優化Fig.2 Optimization of distributed cables

圖3 分布式熱控制方法Fig.3 Distributed temperature control method

圖4為天線模塊級的熱控設計方法,為了強化模塊內熱源器件的熱傳輸,使得熱源盡快向波導傳輸,采用高導熱石墨板來實現模塊內的均溫效果。高導熱石墨板的+Z面通過導熱襯墊緊挨T/R組件,-Z面通過導熱襯墊緊挨頂層器件,因此頂層器件的熱量就會通過高導熱石墨板向天線波導面傳遞。此外,單機表面一般采用黑色陽極氧化處理,通過輻射換熱強化電控單元等單機之間的熱交換。波導的熱量最終通過納米膜輻射到外太空,由于納米膜具有低吸收、高發射的特點,因此在波導面設計出支撐柱用于與納米膜之間進行點接觸,在保證天線具有足夠的散熱能力的同時減少加熱器補償功耗,從而減少整星的能源消耗。

圖4 天線模塊熱控方法Fig.4 Thermal control method of antenna module

2 熱模型仿真分析

2.1 天線模塊換熱理論模型

本文將天線模塊視作分析對象,基于能量守恒定律建立天線換熱理論模型。天線的±X面、±Y面和-Z面包覆多層隔熱組件,假定多層面膜吸收的能量為qdcin,多層面膜發射的能量為qdcout。天線的+Z面包覆納米膜,假定納米膜吸收的能量為qnmin,納米膜發射的能量為qnmout。假定天線瞬態產生熱耗qtx,天線等效密度、等效比熱和溫度為ρ、c和T,時間為τ,則天線熱平衡方程為

(1)

2.2 軌道熱分析

以典型的MEO軌道衛星為例[13-14],結合天線展開姿態,天線外熱流根據是否存在地影期分為高溫工況和低溫工況。如圖5(a)所示,此時天線受照時間長,一軌內平均外熱流較高,天線約一半時間處于波導背陽區,另一半時間波導受照;圖5(b)表示一軌天線平均外熱流較低的情況,天線約一半時間處于波導背陽區,另一半時間中大部分時間天線處于地球陰影之下,只有進出地影的短暫時刻波導受照。

衛星的光照角β變化范圍是-43.5°～+43.5°,對各個光照角下天線波導面外熱流進行統計,發現光照角為28°時外熱流最大,4°時外熱流最小。結合以上對軌道地影期的分析,建立以下兩種熱仿真分析工況,見表1。

圖5 MEO衛星外熱流情況Fig.5 External heat flow of MEO satellite

表1 天線工況參數Table 1 Antenna working condition parameters

2.3 仿真結果分析

天線內部功分器為無源器件,建立熱模型時可將其簡化。由于天線呈規則態模塊式分布,可先建立詳細四模塊熱模型分析有源器件溫度,再建立天線左翼和中板的簡化熱模型,同時結合分布式測控溫方案,檢驗天線陣面的溫度一致性效果。天線模塊瞬態溫差曲線如圖6所示。

天線溫差從高溫工況的開機時刻開始逐漸變大,此時波導面開始受照,如圖6所示,第0s時天線處于前一軌天線工作后的降溫階段,從第0 s到第11000s天線溫度逐漸降低至分布式單機控溫閾值下限,4路模塊加熱器逐步按照一定占空比加電產熱,單模塊內天線溫差出現小幅度震蕩,但單模塊內天線溫差控制在1℃以內。從第11000s到14600s天線進入開機模式,單模塊內連續產生熱耗32W,單模塊內天線溫差逐漸增大,直至第14 600s時刻,單模塊內天線溫差最大。其中,模塊2和模塊4處于電控單元下方,受電控單元開機影響較大,峰值溫差分別為4.9℃和4.2℃,模塊1和模塊3峰值溫差分別為2.8℃和2.4℃。四模塊天線溫度分布見圖7。

圖6 天線模塊瞬態溫差曲線Fig.6 Transient curve of temperature difference between antenna modules

圖7 四模塊天線溫度分布云圖Fig.7 Temperature distribution of four-module antenna

如圖8所示,在分布式控溫作用下,通過仿真云圖可以看出天線的中板模塊和左翼模塊最大溫差為9℃。由于天線左右兩翼空間熱物理環境相同,均沒有星體雜散光影響,可以認為全陣面模塊溫差約為9℃,天線整體具有較好的溫度一致性。

圖8 左翼+中板天線溫度分布云圖Fig.8 Temperature distribution of left wing and middle module of antenna

3 試驗驗證

為了驗證天線機電熱一體化設計方案,在真空罐內開展了4模塊天線熱平衡試驗。如圖9所示,天線通過4根隔熱玻璃鋼柱固定在罐內桁架上,玻璃鋼柱表面粘貼加熱器補償漏熱損失,并包覆多層隔熱組件減少漏熱。天線四周罩上吸波熱沉模擬外熱流,通過納米膜表面的熱流計調校外熱流大小,熱流計與納米膜之間通過隔熱柱降低熱流計漏熱損失。天線為鑒定件,外熱流采用吸波熱沉穩態模擬。

圖9 熱平衡試驗Fig.9 Thermal performance test

試驗結果如表2所示。由于熱仿真模型中加熱器施加區域為高導熱石墨板的+Z面,靠近T/R組件,因此T/R組件溫度與加熱器開斷的一致性較好,低溫工況溫度波動更小。實際試驗改裝過程中結合可操作性,將加熱器粘貼在高導熱石墨板的-Z面,遠離了T/R組件,因此低溫工況試驗溫度波動更大。經統計,4塊試驗模塊件的溫差分別為3.3℃、3.1℃、3.6℃和4.0℃,結果表明:天線模塊一體化設計方法具備良好的均溫性,對全陣面天線溫度一致性具有良好的預示作用。

表2 天線仿真與試驗溫度比較Table 2 Comparison of antenna simulation and test temperature

4 結束語

本文針對MEO軌道微波天線呈現出大陣面、高功耗的特點,通過層級化分布式熱管理設計,采用一對四高導熱石墨板,即強化了天線陣面內導熱,又兼顧承載PCB板和頂層器件的安裝集成,優化分布式測控溫設計解決傳統方案資源需求大,板間電纜過多的難題;采用天線發射面包覆低吸發比的輻射納米膜,減少天線與星體之間的熱耦合,解決了MEO衛星天線外熱流波動季節性差異大的難題。熱平衡試驗結果表明:天線溫度保持在-20～+45℃,全陣面天線一致性保持在9℃以內,熱仿真和試驗數據對天線在軌溫度具有良好的預示作用。