衛星系統用激光通信載荷光學終端熱控設計與試驗驗證

劉 紅，譚 俊，唐宗斌，葛澤稷

（上海穹窿科技有限公司，上海 200240）

0 引言

隨著航天通信需求越來越高，空間激光通信產品向著輕量化與小型化、更高通信速率、更遠通信距離發展[1-3]。近幾年，微小衛星的發展，微波通信已不能滿足星載輕量化與低功耗的需求[4]，因此使得激光通信載荷光機部分變得緊湊，從而導致熱源呈現多點分布的特點，這對于控溫提出了新的要求：一方面需在資源有限的情況下，保障激光光學終端工作在20 ℃左右的環境下，溫度指標要求比較高；另一方面，當用于光信號傳輸的光學元件因溫度變化引起變形量過大時會造成光路扭曲，從而影響激光通信的總體性能，因此對溫度穩定性要求高。譚立英等以RerraSAR-X 衛星上的激光通信終端結構為例，建立了潛望式激光通信終端二維轉臺反射鏡的有限元分析模型，得出溫度與反射鏡熱形變引起的瞄準誤差、遠場功率衰減間的關系；開展了空間溫度場對平面反射鏡面形影響的理論研究，結果表明系統的溫度是影響其性能指標的重要因素[5]。李曉峰等指出反射鏡面的熱變形將導致傳輸光束擴展、波前畸變，從而惡化空地激光通信鏈路的性能[6]。孟恒輝等介紹了激光通信器熱設計與熱試驗中針對轉動關節和大功率密度光學器件的散熱方案，試驗表明主動與被動熱控相結合可以達到控溫目標[7]；在激光通信終端主體散熱設計中發現采用導熱條與熱管的途徑可以解決核心散熱問題，并通過仿真驗證了該方法的可行性[8]。劉紹然等對外露式星載光機電設備進行了熱設計的間接設計驗證，研究表明通過熱仿真分析和地面試驗驗證進行模型校正，可為熱試驗難度大的光機電設備在軌溫度預示提供有效的借鑒辦法[9]。劉百麟等開展了激光通信光學天線的熱控技術研究，試驗結果表明，強日照期對天線采用避光策略可將主鏡與次鏡之間的溫差控制在3.8 ℃以內[10]。

綜上可以看出，溫度對激光通信系統性能的影響研究大都遵循傳統熱控思路，采用較多的輔助熱控產品，這一方面使得產品的總質量增加，另一方面溫度的精度控制指標較寬泛，不能滿足高性能激光通信載荷光學終端的熱控要求。因此，本文依托自研項目的特點與難點，設計了精密控溫系統，采用各區域獨立溫控以及主動與被動相結合的控溫方法，旨在將激光通信載荷的溫度穩定性指標控制在±1 ℃/30 min 范圍之內，確保激光光學終端的工作性能。

1 控溫技術難點

基于某500 km 軌道高度的衛星系統的激光通信載荷控溫技術，主要涉及的難點有：

1）激光通信載荷布局在衛星艙外對地面，產品面臨的空間環境比較惡劣，單軌空間熱流波動可達到180 W/m2，相應地，載荷本體的熱流波動較大，增加了控溫難度；

2）激光通信載荷為多空間結構下的熱源分布，熱源可相差5 W，且結構內部的熱分布不均勻，控溫呈現多點化；

3）激光通信載荷熱容小，溫度波動較劇烈；

4）激光通信載荷需要精密控溫，載荷的工作模式為間歇工作，單軌工作時間為20 min，要求其工作期間的溫度穩定性須在±1 ℃/30 min 以內。

為滿足激光通信載荷的控溫要求，高效利用熱控的系統設計優勢，本文針對此臺多空間熱分布結構的激光通信終端（含轉臺），通過一體化設計對熱源分布進行耦合優化，針對單點熱源的局部實施多級控溫，同時利用PI 控制策略，使得整機在滿足精密控溫的情況下實現加熱補償需求最優。

2 熱控設計方案

2.1 控溫對象分析

如圖1 所示，激光通信光學終端一般包含2 個信號收發模塊，并共用1 個收發分離模塊和1 個光學天線模塊，終端通過光學天線模塊向自由空間發射出激光信號，同時接收來自自由空間的激光信號。

圖1 激光通信光學終端內部模塊組成示意Fig.1 Schematic of internal modules of optical terminal for laser communication

某自研項目中的激光通信載荷光學終端結構如圖2 所示。

圖2 某激光通信載荷光學終端結構示意Fig.2 Schematic of optical terminal structure for a laser communication payload

該激光通信載荷光學終端為多空間結構，其控溫系統根據控溫要求需分為核心精密控溫模塊和非精密控溫模塊，如圖3 所示，核心精密控溫模塊的控溫對象為光學終端的核心部件——主鏡、次鏡及轉臺電機。確定核心部件主要考慮的是：當主鏡和次鏡受溫度波動影響時，材料容易發生形變，從而造成光路變化，可直接影響到激光信號鏈路的接收與發射；轉臺電機作為激光通信載荷的旋轉與俯仰控制機構，當溫度變化過大時，軸承咬合面會發生形變，出現“卡死”現象，導致跟蹤與掃描功能喪失，直接影響激光捕獲、瞄準和跟蹤（APT）系統中光學鏡片功能的實現[11]。

圖3 多空間結構控溫對象組成示意Fig.3 Schematic of thermal control object in multi-space structure

2.2 精密控溫系統設計

針對精密控溫要求，設計了包含多空間結構控溫對象、屏蔽熱流層、加熱回路控制單元和控制策略的精密控溫系統。該系統結合空間環境與內部發熱元件的熱流影響，進行屏蔽熱流層以及加熱回路控制單元設置，最終達到精密控制目標對象溫度的目的。

精密控溫系統中屏蔽熱流層的組成如圖4 所示，主要包括多層隔熱組件和散熱涂層，其中：多層隔熱組件的主要功能是保溫，可抑制空間環境對控溫對象的降溫或者升溫影響；散熱涂層的功能為降溫，可有效降低控溫對象自身發熱對元器件溫度的影響，從而保障元器件功能性能。多層隔熱組件和散熱涂層相結合，配合電控系統對加熱回路控制單元的供電管理，可使控溫對象的溫度保證在精密溫控要求或者常規的在軌溫度范圍之內。

圖4 屏蔽熱流層組成示意Fig.4 Schematic of heat flow shielding layer

圖5 加熱回路控制單元組成示意Fig.5 Schematic of heat circuit control unit

2.3 熱控設計方案

由于不同的控溫對象控溫指標不同，考慮控溫對象為多空間的4 塊分布區域，設計方案采用對各區域獨立溫控、主動與被動相結合的控溫方式。

1）主鏡控溫模塊。主鏡為光學器件，位于光學終端的內部，與空間環境沒有直接輻射換熱的關系，控溫穩定性目標為±1 ℃/30 min。因此，采用間接主動控溫方案。將控溫加熱單元設計在主鏡支架上獨立均勻布置，將測溫元件布置在主鏡邊緣處（不影響光路），建立加熱回路控制系統，按既定的控溫軟件邏輯進行控溫。

2）次鏡控溫模塊。次鏡為自身熱容較小的光學器件，位于艙外，受空間環境影響較大，控溫穩定性目標為±1 ℃/30 min，因此，也采用間接主被動相結合控溫方案：對次鏡支架進行主動加熱，同時包覆多層以降低空間環境的熱波動影響，在次鏡支架上設置測溫元件，建立加熱回路控制系統，按既定的控溫軟件邏輯進行控溫。

3）方位電機控溫模塊。方位電機位于光學終端的“肩膀”內，無法進行直接加熱補償與測溫，控溫穩定性目標為±3 ℃/30 min，因此采用輻射方案：對光學終端的“肩膀”進行熱補償，同時進行溫度臺階控制；為了減少功率補償的需求，對加熱器熱實施后的“肩膀”進行多層隔熱設計，以滿足電機的溫度指標要求。

4）轉臺電機控溫模塊。轉臺電機自身功耗較小，為保證其在較好的溫度條件下工作，采用多層屏蔽熱流的保溫方案，同時通過內熱流層輻射實現內部熱輻射傳遞，并通過對電機內部側向的結構進行間接熱補償，達到精確控溫的目的，并有效降低熱補償需求。

圖6 為激光通信載荷光學終端的精密控溫系統硬件布局，包括加熱器、測溫元件、隔熱組件及散熱涂層。

圖6 某激光通信載荷光學終端精密控溫系統布局示意Fig.6 Layout schematic of precision thermal control system for optical terminal of a laser communication payload

加熱回路控制單元的軟件控制策略以控溫目標為核心，根據測溫元件的溫度判讀進行加熱回路控制：當測溫元件溫度低于目標溫度時，控制軟件進行補償功耗需求和加熱時間計算，增加加熱器的“開”狀態占空比控制溫度升高；考慮到熱容的過沖效應，當測溫元件溫度接近目標溫度時，減小加熱器的“開”狀態占空比，以減緩加熱過沖效應。

3 熱控試驗驗證

根據上述熱控設計方案加工投產激光通信載荷光學終端的結構熱控件，開展熱控試驗驗證。熱源采用與原產品中等位等效的模擬辦法。激光光學終端的內部熱源（電機、碼盤、相機等）及其表面的空間輻射熱流均采用薄膜加熱器進行模擬，根據不同的工況進行不同的電流供電加熱。試驗在真空罐中進行，產品與基板隔熱安裝，熱控產品及熱實施采用與熱控設計方案盡量一致的裝配方案，參與試驗驗證的熱實施成品如圖7 所示。

試驗過程中設置了5 個任務工況，覆蓋了低溫和高溫工況，針對高、低溫不同工況采用不同的控溫策略。在試驗過程中不僅對各溫度梯度進行了試驗模擬，還進行了導熱索應用驗證。

3.1 低溫工況

在低溫工況下，光學終端處于關機狀態，整機零功耗，外熱流按照夏至日附近的低溫熱流進行模擬。為滿足單機在軌的低溫存儲溫度目標，采用閉環控溫策略，將各核心部件溫度控制在0 ℃左右，圖8 為主要核心部件的控溫曲線。可以看出，通過主動溫控、閉環控制，光學終端核心部件的溫度均控制在0 ℃左右，溫度穩定性優于±1 ℃/30 min，滿足指標要求。

3.2 高溫工況

高溫工況下光學終端處于常值工作狀態，整機功耗為5.6 W，外熱流按照冬至日附近的高溫熱流進行模擬，由于本方案采用偏低溫設計，通過主動補償保證溫度在工作目標穩定范圍內，因此采用閉環控溫策略，將各核心部件溫度控制在20 ℃左右，圖9 為各主要核心部件的控溫曲線?？梢钥闯?，通過主動溫控、閉環控制，光學終端核心部件的溫度均控制在20 ℃左右，溫度穩定性優于±1 ℃/30 min，滿足指標要求。

圖9 高溫工況下各核心部件的控溫曲線Fig.9 Thermal control curves of the key components under high temperature condition

4 結束語

本文針對某項目的激光通信載荷開展的熱控設計與試驗驗證，采用了合理的熱控方法與設計邏輯，有效保障了溫度穩定性指標±1℃/30 min 的實現。研究發現：針對多空間結構的熱源分布型激光通信載荷光學設備進行一體化耦合設計，可有效降低對能源的需求；對于熱容較小的部件，可通過間接主動熱控的形式進行局部分級控溫；主動與被動結合的熱控技術可以有效降低能耗，同時實現精密控溫。

本文研究結果可為同類型產品的熱控設計提供借鑒。