星载微波探测仪探测头部热设计及验证

2021-10-15刘瑞李宁杰葛如飞龙澄王光辉栾英宏

航天器工程 2021年5期

刘瑞李宁杰葛如飞龙澄王光辉栾英宏

(上海航天电子技术研究所，上海 201109)

土壤水含量、地表水体动态变化等陆地水资源遥感数据的精确探测，可为我国水旱灾害预警、水资源宏观调控提供重要的数据支撑。采用星载主动和被动一体化遥感探测的方法，可提高土壤水含量探测的空间分辨率和精度。在轨工作时，星载主被动一体化微波探测仪的系统性能对温度的影响很敏感[1-2]。特别地，主动探测中阵面发送/接收(T/R)组件的温度水平及温度梯度会影响到组件间的幅相一致性，进而影响到系统的后向散射系数，最后反应到主动探测精度上；被动探测中接收机的温度水平及每轨温度波动，会影响到系统的噪声系数和增益变化，进而影响到系统的灵敏度和亮温精度，最后反应到被动探测精度上。

国内外现有的热控设计多是针对主动式探测载荷中大功率组件的散热和温度一致性保持问题[3-4]，或者被动式光学成像载荷中接收机的温度稳定度问题等进行研究[5-7]，而对主动和被动联合探测的微波辐射计类载荷的热控问题还较少涉及。

本文针对土壤水探测卫星的主载荷主被动一体化微波探测仪的探测头部热控难点，开展了详细的热设计，包括轨道外热流分析、散热面和传热路径的设计、热管网络布局，关键单机的精细化控温等。通过热仿真分析和地面热平衡试验对热设计方案的有效性进行了验证。

1 热设计要求

1.1 产品构型

在卫星星体坐标系中，原点O位于卫星质心处，OX指向卫星飞行方向，OZ指向卫星对地方向，OY方向按右手法则，为太阳光照方向，如图1所示。星载微波探测仪探测头部位于卫星星体顶部的+X方向，在轨沿Y向展开后长达7 m，主要包括主动部分、被动部分和展开机构，被动部分通过结构框架安装于主动部分的+X向，展开机构用于探测头部的在轨展开锁定。其中，主动部分包括主动馈源单元，T/R组件，功分器、激励器等单机；被动部分包括被动馈源单元、滤波器、被动接收机、噪声源、功分器、预处理器等单机。具体构型如图1所示。

图1 星载微波探测仪探测头部构型图Fig.1 Configuration of microwave sounder probe head

1.2 外热流分析及散热面选择

卫星运行在升交点地方时为14:00的太阳同步轨道，载荷在轨工作时卫星保持稳定姿态。如图1所示，+X轴指向卫星飞行方向，+Z轴指向地球，-Y侧为向阳面。由于探测头部表面构型较复杂，同时大功耗单机布局集中，需要选取合适的散热面，及时将大功耗单机的热量排走。散热面选取的原则一般是表面外热流小，且外热流波动较小。下面给出了假定各散热表面采用光学太阳反射镜(OSR)二次表面镜作为热控涂层，探测头部在冬至一轨内各表面的吸收外热流统计数据，如表1所示。

探测头部在冬至一轨内各表面的吸收外热流变化曲线，如图2所示。

根据表1和图2外热流计算结果，并综合探测仪平台实际布局分析可知：

图2 探测头部各面吸收外热流变化图Fig.2 Heat flux absorbed of probe head

表1 探测头部各面吸收外热流Table 1 Heat flux absorbed of probe head W/m2

(1)探测头部+Y面外热流波动最小，平均值最小，但考虑到探测头部构型为长条形，面积有限，+Y和-Y面区域无法进行有效散热设计，不适宜作为探测仪散热面。同时探测头部-X面大部分区域被整星平台遮挡，故也不考虑将该面作为散热面。

(2)根据产品构型及轨道外热流数据，被动部分+Z面在光照3 min后，外热流达到峰值，在卫星运行的时间段内，外热流在131 W/m2范围变化，数值波动很小，可将此+Z面作为主散热面，同时可将+X面作为辅助散热面。而主动部分可将+X面作为主散热面。

(3)该卫星轨道为太阳同步轨道，由图中曲线对比可知，在卫星运行周期范围内，太阳常数的变化对外热流变化的影响较大，在夏至卫星表面所受外热流最小，冬至达到最大。

1.3 工作模式及单机热耗

卫星每轨运行时间为90 min，探测头部T/R组件每轨连续开机40 min，被动单机常开机，探测头部各单机热耗如表2所示，可知探测头部总热耗为672.4 W，其中T/R组件总热耗达512 W。

表2 探测头部热耗Table 2 Heat dissipation of probe head

1.4 温控要求

为保证星载微波探测仪探测头部工作性能，各单机需要控制在合适的温度范围内，并有温度波动和梯度要求。各单机具体温控要求如表3所示。

表3 各单机温控要求Table 3 Temperature requirement of probe head

1.5 热设计的问题与难点

探测仪探测头部为长条形构型，且横跨在卫星外热流最大(-Y)和最小(+Y)的两个方向，阵面长达7 m，外热流差异较大。主动部分32台高热耗的T/R组件均匀分布于阵面上，被动单机通过支撑结构安装于主动单机的+X向。因有被动单机的遮挡，高热耗的T/R组件散热路径不畅，势必会造成其温度的进一步升高。同时，T/R组件之间自身热耗的偏差以及组件安装过程中的热阻偏差都将增加T/R组件温度梯度的控制难度，而且在探测头部关机时要避免单机温度过低。

根据外热流分析，可利用的散热面为+X和+Z面，但这些面的外热流波动都较大。同时，主动单机对被动接收机的热耦合影响，都增加了被动接收机温度稳定度的控制难度。

由以上分析可知，探测头部热设计的首要任务是降低主动部分T/R组件温度水平及保证被动接收机温度稳定性，主要难点包括：①T/R组件热耗的排散和温度梯度≤12 ℃的控制；②被动接收机温度波动±1 ℃/轨的控制；③主动单机与被动单机热耦合的控制。

2 热设计方案

2.1 方案特点

探测头部的热设计方案采用被动热控为主，主动热控为辅的温度偏低设计方法。采用的热控产品主要有热管、热控涂层、多层隔热组件、电加热器、热敏电阻和隔热垫片等，具体方法如下。

(1)等温化设计：针对各单机温度一致性控温要求和电加热器加热需要，在探测头部的主动蜂窝板和被动蜂窝板分别预埋热管，选取20.0 mm×19.1 mm工字型双孔铝氨热管，每台T/R组件下设计预埋1根横热管和2根竖热管，探测头部热管布局如图3所示。同时，在单机底面实施导热填料，减少与安装板内热管间的接触热阻，导热填料选取铟箔，铟箔厚度根据实际安装间隙选取。

图3 探测头部预埋热管布局Table 3 Embedded heat pipes layout of probe head

(2)隔热设计：①探测头部主动部分和被动部分除散热面外，其余各面包覆15层多层隔热组件。②被动部分和主动部分，主动部分和星体之间进行隔热安装，加垫5 mm厚的玻璃钢垫片。

(3)主动控温设计：探测头部不开机时布置主动控温回路，通过控温使单机满足高温度稳定度和温度一致性的要求，经分析确定，被动接收机和T/R组件分别布置主、备份共4路控温回路。

(4)辐射增强设计：主动馈源和被动馈源裸露在外，表面均喷涂S781白漆。主动部分和被动部分的散热面表面粘贴OSR二次表面镜。探测头部内的其余单机和结构件表面均做发黑处理，红外发射率≥0.86。

2.2 散热路径设计

探测头部详细散热路径见图4所示，根据探测头部热控要求，主动单机的散热路径是：T/R组件→热管网络→主动安装板→主动散热罩。探测头部预埋热管布局如图3所示，并采取优化措施：将T/R组件安装面的热管布置成正交热管网络，增大T/R组件安装面与热管的接触面积；同时尽量增加热管的长度，增大与主动安装板的接触面积；将主动安装板表面喷涂温控黑漆，加强主动安装板与主动散热罩之间的换热效果。

图4 探测头部散热路径示意图Fig.4 Heat dissipation paths of probe head

被动单机的散热路径是：被动接收机→热管→被动竖板→被动散热罩。为避免T/R组件的周期性开关机造成被动接收机温度波动。因此在被动部分与主动部分和主被动馈源之间均包覆多层以隔绝接收机与外界之间的热耦合。此外主被动散热罩外表面均粘贴OSR二次表面镜，罩内表面喷黑漆。

2.3 热阻分析

为简化数值模拟可将热管等效为具有高导热系数实体，因此需要求出热管等效导热系数[8-9]。Rct、Rcd为热载荷和热管之间的导热热阻，Rce为蒸发段换热热阻，Rcc为冷凝段换热热阻，热管总热阻R为

(1)

式中：do和di为热管外径和内径；lC和lE为热管蒸发段和冷凝段长度；aE为热管蒸发段换热系数；aC为热管冷凝段换热系数；k为热管等效导热系数。

热阻定义式为

R=Δθ/Q

(2)

式中：Δθ为蒸发段与冷凝段的温差；Q为导热量。

导热公式为

Q=kAΔθ/l

(3)

式中：l为材料在热量传递方向的长度；A为截面积。

根据式(1)、(2)和(3)求热管的等效导热系数为

(4)

同时，在散热路径上，热量的传输会经过多个接触环节，为准确模拟热量传递还需要考虑两种材料接触面的接触热阻。根据接触热阻公式

Rt=1/(hAt)

(5)

式中：h为接触换热系数；At为名义接触面积。

根据以上公式计算得到各传热路径上的热阻，表4为汇总计算结果。

表4 探测头部传热路径上传热热阻计算结果汇总Table 4 Thermal resistance on heat transfer path of probe head ℃·W-1

3 热仿真分析

根据上述热控方案和热控措施，综合考虑空间外热流和星体的影响，本文采用UG-NX仿真软件对星载微波探测仪探测头部建立几何模型，并进行在轨温度水平仿真，其中对馈源阵结构进行简化处理。仿真模型采用以下假设：①太阳为平行光；②在连续轨道周期内外空间热流变化一致；③多层隔热材料只考虑纵向导热；④忽略电缆网、紧固件等影响。

低温工况涂层选取初期参数[10]，探测头部均不开机工作，设置补偿加热器进行程控，T/R组件加热器控温点设为-10 ℃，其余单机加热器控温点为0 ℃。高温工况涂层选取末期参数，探测头部T/R组件每轨连续开机40 min，其余单机为常开状态，设置补偿加热器进行程控，被动单机补偿加热器控温点设为0 ℃。在轨工作模型下低温工况和高温工况仿真计算结果见表5。

表5 探测头部热仿真分析结果Table 5 Thermal analysis results of probe head ℃

由仿真分析结果可知：

(1)在低温工况下，探测头部单机均不开机，通过主动控温，各单机均能维持在指标温度内。

(2)在高温工况下，通过主动控温，探测头部各单机温度水平均满足指标要求。由于探测头部单机开机，自身热功耗较大原因，T/R组件温度梯度达7.0 ℃，在高温工况下最高温度达到31.5 ℃，被动接收机温度波动为0.75 ℃/轨，均满足指标要求。

(3)与入轨初期相比，在高温工况下除单机自身功耗较大导致的最高温度变化较大外，其他各单机温升相对较小，在0～10 ℃范围以内。

4 热试验验证

为了验证热设计的合理性和有效性，考核载荷热控组件的工作能力，采用热平衡试验对高低温工况进行验证[11]，试验采用电加热器模拟各散热面的外热流[12]。两个极端工况：①低温工况：探测头部不开机，设置补偿加热器进行程控，T/R组件加热器控温点设为-10 ℃，其余单机加热器控温点为0 ℃；②高温工况：选择冬至末期，涂层热物性参数取末期值，T/R组件按每轨40 min开机，其余单机为常开状态。补偿加热器设置程控状态。被动单机补偿加热器控温点设为0 ℃。

试验中探测头部各单机试验温度见表6，高温工况下全阵面T/R组件温度范围为0.5～11.6 ℃，温度梯度为5.8 ℃，被动接收机温度波动为0.14 ℃/轨，均符合温控指标要求。低温工况下T/R组件温度范围为-11.1～-8.3 ℃，温度梯度为2.48 ℃，被动接收机温度波动为0.36 ℃/轨，均符合温控指标要求。