多重叠可展开天线反射器热控设计和数值分析①

徐向阳，王旭东，张建波，王 波

(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

目前地球同步卫星通常要求不少于15年的使用寿命，而作为舱外最重要有效载荷之一的天线分系统，承担着型号传输和发射的关键作用，其可靠性必须在全寿命周期得到保障。然而，由于直接暴露于舱外环境，天线反射器在轨使用时温度呈现周期性变化，且反射面温度分布极度不均匀，呈现极低温极高温和大温差的特点，最直接的结果是会给反射器带来较大的热应力和热变形，从而对通信容量和波束指向等产生不利影响。陈志华等[1]对星载抛物面天线反射器的结构热变形进行了分析，指出航天器绕地飞行一个周期内天线反射器温度极不均匀，这将使天线反射器产生大的瞬时热变形。为提高对热变形和热应力分析结果的预测准确性，王帅[2]对星载天线的热-结构耦合仿真建模方法和热仿真分析方法进行了研究。何安琦等[3]对地球同步轨道卫星上安装于对地面舱板上的点波束天线进行了热分析，指出反射器在进入和驶出地球阴影区时会发生急剧温度变化，可能造成反射器热致震动，妨碍反射器正常工作。

如上所述，先前的研究主要是考虑反射器温度变化导致的热致震动和热变形，反射器自身的温度水平和温度耐受却少有人提及。受现行反射器制备工艺的限制，为了保证反射器在轨能够长期稳定运行并保持型面精度，在考虑到计算确定度情况下，反射器的计算工作温度需低于110℃。本文主要针对基于东四平台的地球同步轨道卫星东西舱板上的固面天线反射器热控进行设计和数值分析，通过对多种热控方案的计算结果进行对比分析，筛选出能满足设计指标的反射器热控设计方案，对反射器的热控设计起到指导作用。

1 固面天线反射器传统热控设计

1.1 固面天线反射器结构形式

东四平台东西舱板上固面天线的反射器布置方式主要有两种：单幅可展开式和多重叠可展开式。单幅可展开式采用单个反射面独占舱板，通过四个锁紧座固定在舱板上，天线展开在一个维度进行。随着通信容量的增大，多重叠可展开式天线也开始逐渐采用，收拢状态时多个反射面重叠布置，天线展开时通过指向机构改变展开方向，在两个维度向平台两侧伸展，如图1所示。

图1 可展开固面天线反射器结构布局示意图(左侧为单幅式可展开式，右侧为多重 叠可展开式)Fig.1 Schematic layout of antennas(the left:single deployable antenna,the right:overlapping deployable antennas)

1.2 反射器传统热控方案介绍

传统的热控方案[4]对反射器的正面(凹面)采用喷涂防静电白漆处理，以降低天线受照时的温度，背面及加强筋均用低温多层隔热组件(即MLI，以下简称“多层”)进行包覆，多层的外表面膜通常采用黑色聚酰亚胺膜(简称“黑膜”)，目的是减小其表面反射率，以减少其反射太阳光对太敏视场的影响，如图2所示。

图2 固面天线反射器热控示意图Fig.2 Schematic diagram of thermal control method of overlapping reflectors

1.3 传统热控方案结果分析

图3给出了某型号单幅式天线固面反射器在轨遥测温度与数值计算结果对比，可以看出，数值分析结果与反射器在轨温度变换趋势和幅值均符合良好，考虑到数值模型的白漆退化速率和卫星姿态等与实际在轨状态存在一定偏差，认为数值方法是正确且有效的。

图3 某型号单幅式固面反射器在轨 遥测温度与数值分析对比Fig.3 comparison of telemetry temperature in orbit and numerical analysis of single deployable antenna

表1给出了双重叠天线采用传统的正面喷白漆背面包覆低温多层热控方案在典型工况下的数值分析结果。

表1 双重叠天线反射器在轨数值计算温度Table 1 Numerical calculated temperature of overlapping reflectors

分析结果表明，寿命初期时白漆的吸收率较低，反射器的温度能够控制在指标范围内，然而随着时间推移，白漆出现退化吸收率逐渐升高，传统的正面喷白漆背面包覆多层的热控方式不足以解决反射器在寿命末期的高温耐受问题，在考虑继承性的基础上需要对热控方案进行变更或引入新的热控方案。

2 天线反射器多种热控方案对比

2.1 三种热控方案描述

如前所述，固面反射器传统的热控方案为反射器正面喷白漆，反射器背面及支撑结构包覆低温多层。然而多重叠可展开这种新的天线布局形式的出现，导致反射器的受照角度和受照时间与单幅式有明显差异，反射器出现高温超标的风险。考虑到反射器的在轨温度均匀性和力学条件继承性，在保持反射器背面多层包覆条件不变的情况下，需要减少反射器正面的吸收热流，由此引入两种改进型的新热控方案，如表2所示。

表2 固面天线反射器热控方案Table 2 Thermal control methods of overlapping reflectors

2.2 三种热控方案结果分析

对三种热控方案在典型工况下的温度进行了数值计算，如表3所示。

表2 固面天线反射器热控方案温度对比Table 3 Temperature comparison of different thermal control methods

如前所述，传统的热控方案将导致反射器温度过高，在轨可靠性差，无法满足多重叠可展开天线的使用要求。反射器碳纤维裸面包覆双面锗膜能够减少反射面上的到达热流，在一定程度上可以有效降低反射器的温度，使得反射器满足温度指标。而采用反射面喷白漆后再包覆双面镀锗膜则能够在减少反射面的到达热流的同时，利用白漆的低吸收率进一步减少反射面的实际吸收热流，使得反射器的温度能够进一步降低。对比新方案1(裸面+锗膜)和新方案2(白漆+锗膜)，如图4所示，可以发现，新方案1的温度接近指标要求的上限，同时由于方案1的初期和末期不存在热控材料退化现象，从初期开始反射器将承受高温和大温差的温度交变，这对反射器在轨长期运行不利，而方案2的反射器初期极限高温较低，虽然反射器低温也偏低，但总体温差较方案1小，随着白漆的退化，反射器总体温度逐步缓慢升高，反射器长期在轨运行可靠性更高。然而相对于方案1，方案2的热控重量会偏大，会一定程度上增加运载成本。

图4 方案1和方案2初期和末期温度对比Fig.4 Temperature comparison of method 1 and method 2 at the beginning and end of reflector life

3 结束语

随着高通量多重叠可展开通信天线的使用，传统的可展开天线反射器热控设计已经无法满足反射器在轨长期稳定的运行，在考虑继承的基础上要对传统热控方案进行改进和更新。本文以某型号双重叠可展开天线反射器热控设计为基础，对传统热控方案和两种改进型的热控方案进行了对比分析，分析发现传统的反射面只喷涂白漆的热控方案已经无法满足热控需求，在寿命末期会出现高温风险，需要通过采用反射面包覆双面锗膜降低表面太阳到达热流的方式来降低极限高温，采用裸面包覆锗膜的方式重量较轻，比较合适短寿命卫星，而采用反射面喷涂白漆后包覆锗膜的方式则能够有效控制反射器的极限高温，同时缩小高低温极限温差，对天线反射器长期稳定运行更加有利。