静止轨道实孔径微波天线主反热控方案研究

王 彦,康奥峰,曹韫真,江世臣

(1.上海卫星工程研究所,上海 201109; 2.中科院 上海硅酸盐研究所,上海 200050)



静止轨道实孔径微波天线主反热控方案研究

王 彦1,康奥峰1,曹韫真2,江世臣1

(1.上海卫星工程研究所,上海 201109; 2.中科院 上海硅酸盐研究所,上海 200050)

为减小静止轨道高频率、大口径微波天线热变形，提高天线的指向精度，对国内外天线主反射材料和热控方案进行了分析，发现其材料较一致选用碳纤维蒙皮/碳纤维蜂窝夹层，主反表面涂覆合适吸发比的真空沉积铝(VDA)/Al2O3(SiOx)涂层，一方面保证天线电性能对反射率大于99.8%的需求，另一方面使天线整面在轨温度梯度和波动较小。建立口径5 m天线的热仿真模型，分析了三种不同吸发比涂层的天线在不同典型工况下的温度场分布，结果表明采用涂层吸发比0.2/0.2的主反热变形较小。以碳纤维材料为基体，用真空蒸镀沉积的方法在其表面镀制不同厚度的银层和二氧化硅层，制备出吸发比约0.2/0.2的VDA/SiO2热控涂层，可用于形状较复杂的曲面，且涂层的发射率随保护层厚度可调，显著提高了热控设计的灵活性。

静止轨道； 热控； 实孔径； 微波天线； 主反射面； 碳纤维增强聚合物； 真空沉积铝； 吸发比

0 引言

静止轨道气象卫星装载毫米波与亚毫米波探测仪具有对三分之一地球连续观测的能力，且其全天时、全天候的工作特点对迅变的灾害天气(台风、暴雨等)的观测具有明显优势[1]。微波探测可透过强对流天气的深厚云层，对云内部的大气不稳定度进行观测，在某些频带上不受云、雾、雨的限制，可对台风和暴雨中心、路径的内部结构动力学、温湿度进行细致的观测，提高短临即时天气预报、台风入境的预报和暴雨的预报精度。通过与光学卫星、极轨气象卫星微波探测数据相互配合，综合利用微波穿透非降水云的特性和可见、红外光在晴空区探测的高精度特性，可进一步提高气象参数的探测种类、精度、范围、时间等指标。但静止轨道毫米波与亚毫米波探测仪的研制难点是探测应用所需高地面分辨率的获得。

文献[2]指出，提高空间分辨率的方式有增大天线口径、提高频率和采用合成孔径技术三种。目前国际上对地球静止轨道微波探测仪的研究尚处于地面研制阶段，无在轨运行实例。因合成孔径技术所需的单元天线/接收机数过于庞大，系统复杂，不仅保持各单元天线/接收机间的一致性难度高，而且定标困难，故在轨运行的微波辐射计绝大多数采用实孔径体制，国外主要有高级微波探测单元(AMSU)、先进技术微波辐射计(ATMS)、特种微波成像仪(SSMIS)、先进微波扫描辐射计(AMSR)和大气温度探测微波辐射计(MTVZA)等，国内主要有神舟四号飞船，嫦娥一号、风云三号、海洋二号等卫星搭载的被动式微波探测仪[3-8]。本文主要针对实孔径天线进行研究。文献[9]发现，工作频率400 GHz的毫米波亚毫米波探测系统需采用4 m口径的大反射面天线且型面精度要求优于15 μm。静止轨道每天外热流的变化剧烈，不同时刻阳光的入射方向各异，主反射器凹面部分受阳光照射，部分不受照，因此沿天线主反射面方向存在较大的温度梯度。大面阵微波天线外热流复杂，变形影响因素非常复杂。根据变形误差源的种类与特点，主要可分为天线构型、材料特性及温度场的不均匀性三种。由于整流罩的限制，各国大天线阵面的结构形式均为在轨展开、拼接形式。本文分析了国外天线主反射器材料和热控方案，研究了其材料选择及热控方式的较优方案，建立热仿真模型分析了调研数据，对静止轨道实孔径微波天线主反碳纤维表面VDA热控涂层的制备进行了研究，以获得所需的吸发比。

1 天线材料及热控方案

20世纪70年代美国就已提出发展静止轨道微波探测仪的设想[10]。但当时提出的频率很宽，天线孔径很大(通常大于4 m)，加之耗资巨大，因此仅停留在设计阶段，未开展后续研制工作。

随着元器件制造水平的不断提高，辐射计的频率已扩展到亚毫米波波段(频率300 GHz以上)，美国又重新提出了静止轨道微波辐射计(GEM)的方案。该方案将微波辐射计的频率提高到亚毫米波段。欧洲也采纳了该理念，提出了静止轨道微波大气探测仪(GOMAS)的静止轨道毫米波、亚毫米波探测方案[3]。相关研究主要集中于天线的性能与应用，较少提及材料和热控，主要涉及的是前期的方案论证报告及可行性论证报告。国内针对静止轨道的毫米波亚毫米波天线的材料和热控方案尚不成熟。

欧空局在1988年第二代毫米波亚毫米波微波探测器(MWS)研究报告中指出，天线主反射面材料需具有的特性是：高反射率满足电性能要求；低密度、高强度、高尺寸稳定性满足机械性能要求；高导热系数、低热膨胀系数满足热性能要求[11]。MWS天线的结构如图1所示。

图1 MWS天线构型Fig.1 MWS antenna structure

天文学高级研究中心(CASA)对工作频段100～300 GHz的天线主反射面材料进行了评估。电性能方面，铜、银、铝和金的反射率均能满足高于99.8%的要求。机械性能评估主要通过弹性模量与密度的比值衡量，比值越高则机械性能越好。热性能评估则用热导率/(膨胀系数×热容)的值衡量，认为该值越大，材料随温度变化的稳定性就越好。最终结合项目的特点，对材料的硬度、无源特性作进一步筛选，认为天线主反射面材料应选用高强度碳纤维(CFRP)复合材料，结构为蜂窝夹层结构。考虑CFRP的反射率在工作频率达到20 GHz已不能满足要求，为保证天线的电性能要求需对天线表面进行金属化涂层处理。选择金属涂层时认为铜、铝更好，在夏至和冬至两个工况下进行热分析计算，并与白漆热控涂层进行比较，结果发现天线主反射面在采用铜涂层时出现最高温度，白漆则是最低温度，铝则表现出较好的热行为。但如进一步降低天线温度以满足热变形的需求，需在铝表面真空沉积一层Al2O3，调节其表面光学属性。之后，针对太阳吸收比和半球发射率比为0.2/0.2，0.2/0.05的两种Al+Al2O3涂层，主反背面喷白漆和包覆多层隔热组件两种方式，以及不同天线反射面的4种星体布局进行16种组合在轨热分析，发现：天线主反射面采用太阳吸收比和发射率(吸发比)0.2/0.2的Al+Al2O3(Al厚1.5 μm，Al2O3厚1 μm)涂层，主反背面包覆多层隔热组件的热控方式，天线的温度水平居中，温度梯度最小，对整星温度影响最小，是最优热控方案。天线主反射面的位置最好布局在星体东、西面，对天线热设计整体影响较小。

高级微波辐射计(MASR)的可行性论证报告指出：选择天线面材料的关键因素是低膨胀系数和密度、高杨氏模量和抗张强度[12-14]。分析碳纤维、镁、铍、硼铝、铝、钛、不锈钢、不膨胀钢材料相关四个物理量的组合发现：对静止轨道上4.4 m天线主反射面来说，碳纤维材料性能远优于其它多种材料。

MASR大孔径天线热设计如图2所示。其中：天线主反材料选择高硬度密度比、低热膨胀系数的石墨碳纤维材料，使其对温度的波动和梯度不敏感；主反背面采用聚酰亚胺薄膜整体包覆，主反、副反及副反支杆全部涂覆VDA/SiOx热控涂层，副反对地面采用厚50 μm的Kapton/Al/黑漆包覆，内部喷涂黑漆或保持碳纤维本色增强辐射换热。

图2 MASR天线主反热热控方案Fig.2 Thermal control measures of MASR main reflector

文献[15]对地球静止轨道1.22 m实孔径Q/V波段天线形面精度的预测和优化进行了研究。天线主反射面最终采用厚0.4 mm的CFRP蒙皮，厚12 mm的碳蜂窝夹层结构。为减少形面精度天线表面热控涂层采用太阳吸收比和发射率为0.62/0.67的物理沉积铝(PVD)热控涂层。仿真分析得知，其在轨RMS稳定度可控制优于30 μm。文献[15]认为系统误差主要包括：碳纤维上下两层面板胶层厚度偏差；上下两层面板的杨氏模量偏差；上下两层的热膨胀系数偏差；蜂窝芯的平均厚度与选择的厚度偏差；上下两层蒙皮厚度偏差。为减少系统偏差，可采取的措施有：选用同一批次的产品；制造加工类似产品部件时严格遵循时间进度表；CFRP蒙皮固化应采用相同的周期并保持相关参数一致；采用特殊的折叠和锻压绞合技术减少系统的角度校准误差；对重复或类似的工序应采用相同的加工工具和机床；每个加工工艺流程应有高度的可重复性。

国外地球静止轨道毫米波亚毫米波天线相关参数及热控方案见表1。表1中：α，ε分别为太阳吸收率和发射率；RMS表示均方值。由表1可知：对地球静止轨道实口径天线，较一致地选用碳纤维蒙皮/碳纤维蜂窝夹层结构，使天线有较好的机械性能和优良的热稳定性。通过天线主反射面正面采用真空沉积一层铝(VDA)使其电性能满足要求，而后在铝层上再真空沉积一层硅的氧化物或氧化铝作为VDA的保护层且通过调节其厚度获得所需的吸发比，减小天线反射面的温度梯度，以满足在轨热变形的要求。涂层的太阳吸发比主要有0.2/0.2，0.2/0.05，0.62/0.67三种。天线背面包覆多层隔热组件减小了大反射面天线对星体的温度影响。

2 热仿真分析计算

本文分析计算模型为5 m拼接天线，轨道为地球同步轨道，天线本身无热耗。天线主反射器采用碳纤维蒙皮/碳纤维蜂窝夹层结构，反射器表面采用VDA/Al2O3(SiOx)涂层，天线主反背面及背架包覆多层组件(MLI)，天线背架与星体由10 mm玻璃钢隔热垫进行隔热安装。分别取主反射面吸发比为0.62/0.67，0.2/0.05，0.2/0.2三种情况进行仿真分析，建立的有限元模型如图3所示，所得典型工况下主反表面温度分析结果分别如图4～6所示。

表1 静止轨道微波天线相关参数及热控方案

图3 热仿真计算有限元模型Fig.3 Finite element model of thermal simulation computation

图4 吸收发射比0.62/0.67时典型工况天线主反表面温度Fig.4 Temperature curves of main reflector with 0.62/ 0.67 ratio of solar absorption and emissivity in different external heat flux conditions

图5 吸收发射比0.2/0.05时典型工况天线主反表面温度Fig.5 Temperature curves of main reflector with 0.2/ 0.05 ratio of solar absorption and emissivity in different external heat flux conditions

图6 吸收发射比0.2/0.2时典型工况天线主反表面温度Fig.6 Temperature curves of main reflector with 0.2/ 0.2 ratio of solar absorption and emissivity in different external heat flux conditions

由图4～6可知：VDA涂层吸发比为0.2/0.05时，天线反射面最高温度270 ℃，存在结构失效的风险；VDA涂层吸发比为0.62/0.67时，反射器在轨温度范围为-140～+110 ℃，反射面温度与基准温度(20 ℃)偏差为160，90 ℃，两者间的差别较大不利于减少热变形。Q/V波段天线在轨温度及RMS分析结果如图7所示[15]。由图7可知：春秋分时刻温度波动范围为-113～+92 ℃，RMS最大值时刻反射器最高温度约40 ℃，最低温度-70 ℃且出现在夹角260°(太阳照天线侧面)位置；VDA热控涂层的太阳吸发比为0.2/0.2时，春分时刻天线主反射面温度波动范围为-105～+117 ℃，与基准温度偏差分别为125，97 ℃，两者间的差别较小且与文献中结果对应，因此有可能将热变形控制在较小的范围内。

图7 Q/V波段天线在轨热及热变形仿真分析Fig.7 Thermal and RMS simulation of Q/V band reflector on orbit

3 VDA涂层研究

与中国科学院上海硅酸盐研究所特种无机涂层重点实验室合作开展了在60 mm×60 mm碳纤维样片表面进行VDA热控涂层的研究。先试验了以Al为高反射膜层。因国内碳纤维基材表面的粗糙度较大，沉积Al膜后太阳吸收比均大于0.4，超出了要求的0.2，为此对碳纤维基材进行抛光，再沉积铝膜能获得所需的太阳吸收比。但考虑大面积工程样件抛光的难度，否决了用Al作为高反膜的可行性。

Ag的太阳光谱反射率优于Al，在粗糙表面的反射率也较高，可满足要求的太阳吸收比性能。但Ag在大气和湿热环境中的稳定性较差，需采用好的镀膜工艺进行保护。

采用真空蒸镀沉积的方法在样片表面镀制不同厚度的银(Ag)层与二氧化硅(SiO2)层以满足特定的太阳吸收比与发射率需求。其中金属Ag层为高反射层，降低样片的太阳吸收比；二氧化硅层(SiO2)为红外吸收层，通过控制沉积厚度实现不同的发射率。为提高蒸镀薄膜的致密度与结合力，镀制过程中采用离子源辅助沉积。制备完成的样片如图8所示。

为考察涂层在大气存放环境的稳定性，对制备的涂层进行了湿热试验。湿热试验在湿热箱中进行，试验温度50 ℃，湿度95%，放置24 h，所得样片研制过程各阶段的太阳吸收比和发射率见表2。由表2可知：涂层吸发比能稳定在0.2/0.2左右。

图8 碳纤维样片Fig.8 CFRP sample and CFRP with VDA

表2 各阶段光学属性

4 结束语

国内对静止轨道毫米波亚毫米波探测仪的研究尚处于起步阶段，国外相关研究通过天线电性能、机械性能、热性能要求，认为天线反射面的材料必须具有较低的密度、较高的强度及弹性模量、较低的膨胀系数和较高的导热系数。研究多种材料后认为选用碳纤维蒙皮/碳纤维蜂窝夹层结构，将使天线在轨运行时有较好的机械强度及热稳定性。考虑电性能要求天线反射率大于99.8%，需要在主反正面沉积一层VDA，而后在铝层上再真空沉积一层硅的氧化物或氧化铝作为VDA的保护层，通过调节厚度获得合适的吸发比，从而使天线整面温度梯度较小。本文针对国外报道的3种光学属性，对5 m天线进行在轨仿真分析，获得了采用太阳吸收比和发射率均为0.2的VDA/Al2O3(SiOx)涂层，其温度场分布与国外研究获得的温度场相近，有可能满足在轨形面精度要求。研究为后续国内开展静止轨道实口径微波天线的热设计提供了研制思路，并实现了碳纤维表面VDA/SiO2涂层的制备，且太阳吸收比和发射率在湿热试验及1个月存储后均能稳定在约0.2/0.2。后续将进行验证试验，确保涂层在轨的稳定性和可靠性。因该种涂层为蒸发-沉积型，因此可用于形状较复杂的曲面，且该涂层的发射率随保护层厚度可调，显著提高了热控设计的灵活性。

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Research of Real Aperture Microwave Antenna Main Reflector Thermal Control Measures on Geostationary Earth Orbit

WANG Yan1, KANG Ao-feng1, CAO Yun-zhen2, JIANG Shi-chen1

(1. Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109, China; 2. Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China)

In order to reduce the thermal distortion of high-frequency and large caliber microwave antenna and improve the directional precision, the study of main reflector material and thermal control measures in domestic and abroad was carried. It found that the carbon fiber reinforcement plastic/carbon fiber reinforcement plastic honeycomb was selected as the main reflector material and the main reflector was covered with vacuum deposit aluminum (VDA)/Al2O3(SiOx) to make the reflectivity higher than 99.8% and satisfy the electrical performance and to make the main reflector have less temperature grads and fluctuation. Thermal simulation model of main reflector with 5 m was set. Temperature fields with three different ratios of solar absorption and emissivity of the coat under various operation modes were analyzed. The results showed that the thermal distortion could be less when the main reflector surface was covered with 0.2/0.2 ratio of solar absorption and emissivity of the coat. The VDA/SiO2metallic layer on CFRP surface was manufactured and the anticipant the ratio of solar absorption and emissivity (0.2/0.2) was obtained. The coat can be applied on complex curved surface and the emissivity of the coat can be adjusted according to the coat thickness, which is benefit to the design flexibility of thermal control.

Geostationary orbit; Thermal control; Real aperture; Microwave antenna; Main reflector; Carbon fiber reinforcement plastic; Vacuum deposit aluminum; Ratio of solar absorption and emissivity

1006-1630(2016)05-0106-07

2016-06-08；

2016-07-27

王 彦(1981—)，男，博士，主要研究方向为航天器热控制技术。

V45

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2016.05.017