一種geo軌道衛(wèi)星激光裝置熱控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種GE0(同步地球軌道）軌道衛(wèi)星激光裝置熱控制方法，本發(fā)明適用 于GE0軌道衛(wèi)星激光裝置的熱控制，特別適用于對溫度梯度、穩(wěn)定性有較高要求的星載激 光裝置。
【背景技術】
[0002] 隨著航天技術的發(fā)展，激光通信作為一種全新的通信方式逐漸為人們所熟悉，激 光通信具有通信容量大、傳輸速度快以及傳遞路徑準確等特點，同時對星上資源消耗少，如 設備重量輕、功耗較小等?？蓮V泛應用在星間、星地通信等場合。國外星地激光通信的發(fā)展 較早，主要是在STRV-2、ETS-V1(G0LD)和0ICETS(K0DEN/KI0D0)三個平臺進行了驗證。我 國激光通信研究起步較晚，目前處于地面研究及地面試驗階段，即將開展GE0軌道的衛(wèi)星 搭載試驗。
[0003] 基于激光波束窄，傳遞準確的特點，要求衛(wèi)星平臺具有較高的控制精度，準確的跟 瞄系統(tǒng)，同時，要求激光裝置的光學元件不能有較大的熱變形，這就要求激光裝置處在一種 比較"恒溫"的熱環(huán)境里。如果溫度波動大，將引起瞄準誤差、同時傳輸波束將變大，引起激 光通信鏈路衰減而影響信號傳輸質量。在惡劣情況下，將導致激光通信鏈路失效。
[0004] 在GE0軌道，衛(wèi)星外熱流是瞬時變化的，太陽光將從各個方向照射到激光裝置上， 外熱流引起的熱環(huán)境是復雜多變的；同時激光裝置內元器件存在熱耗，內部熱耗隨著工作 模式的變化也不同。這些因素綜合起來影響激光裝置的溫度場。
[0005] 目前國內外的無相關文獻報導。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明技術解決問題：克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種GE0軌道衛(wèi)星激光裝置熱 控制方法，通過對激光裝置導熱和輻射的控制措施，設計合理的熱傳遞路徑，將激光裝置內 部熱耗傳遞到散熱面進行排散，對內部對溫度要求高的元器件進行加熱和致冷控制，達到 激光裝置的溫度要求。
[0007] 本發(fā)明的技術解決方案是：一種GE0軌道衛(wèi)星激光裝置熱控制方法，實現(xiàn)步驟如 下：
[0008] (1)確定激光裝置工作溫度要求，包括內部元器件的工作溫度范圍、溫度梯度和隨 時間波動要求；
[0009] (2)分析GE0軌道衛(wèi)星軌道及姿態(tài)控制方案，選取高低溫熱工況進行空間外熱流 分析，獲得激光裝置的空間熱量；
[0010] (3)確定在GE0軌道高低溫熱工況下，激光裝置內部元器件的工作模式及熱耗；
[0011] ⑷結合步驟（1)、（2)、（3)，確定激光裝置的散熱方案；
[0012] (5)在步驟（4)確定的激光裝置的散熱方案下，進行激光裝置內部導熱和熱輻射 設計，設計最優(yōu)熱傳遞路徑；
[0013] (6)在步驟（5)的基礎上，進行激光裝置內部對溫度要求高的元器件采用主動控 溫回路進行熱控制。
[0014] 所述步驟（2)中的分析GE0軌道衛(wèi)星軌道及姿態(tài)控制方案，選取高低溫熱工況進 行空間外熱流分析，獲得激光裝置的空間受照射熱量的過程如下：
[0015] (21)確定GE0軌道衛(wèi)星搭載激光裝置的構型布局，將激光裝置布置在GE0衛(wèi)星的 對地板，通過二維轉臺指向調節(jié)實現(xiàn)星地間通信；
[0016] (22)選取GE0軌道衛(wèi)星壽命初期分點時刻作為低溫工況（此時散熱面0SR不受太 陽光照射），壽命末期至點作為高溫工況（散熱面0SR受太陽光照射，且0SR性能退化，對太 陽光的吸收率增加），進行空間外熱流分析，分析過程為將衛(wèi)星的軌道參數及姿態(tài)參數輸入 STK工具，獲得兩種工況下太陽光方向與激光裝置的空間照射關系，從而得到太陽光投射到 激光裝置上的熱量。
[0017] 所述步驟（3)中的確定高低溫熱工況下，激光裝置的工作模式下，內部元器件的 熱耗過程如下：
[0018] (31)激光裝置的工作模式為待機模式、準備模式、捕獲模式、跟蹤和通訊模式；待 機模式設備不工作，內部元器件無熱耗；準備模式為激光裝置內部電路初始化；捕獲模式 在二維轉臺驅動下進行目標捕獲，獲取初始圖像；跟蹤和通訊模式為正常工作模式，在二維 轉臺驅動下進行目標捕獲，完成圖像獲取并進行運算，與地面進行通訊；
[0019] (32)如圖2所示，激光裝置內部元器件為遮光罩、主鏡、次鏡、雪崩光電二極管APD 組件、電荷耦合器C⑶組件以及激光二極管LD組件（以下簡稱AH)組件、（XD組件、LD組 件）；
[0020] (33)通過實驗測定，每個工作模式下，AH)組件、(XD組件、LD組件的熱耗。
[0021] 所述步（4)中結合步驟（1)、（2)、（3)，確定激光裝置的散熱方案的具體如下：
[0022] (41)如圖1所示的激光裝置外形圖，采用多層隔熱膜將激光裝置和二維轉臺包覆 起來，與外太空進行隔熱設計；遮光罩內表面噴涂吸收率高達0. 97~0. 98的熱控涂層；
[0023] (42)如圖4所示，在衛(wèi)星南北面邊緣為激光裝置設置一個固定散熱面，表面貼0SR 散熱片，具有高發(fā)射率（0. 79)，同時對太陽光具有低吸收率（壽命初期0. 135,壽命末期 0. 28);通過柔性熱關節(jié)和異型熱管將熱量從激光裝置法蘭盤傳遞至固定散熱面，向外太空 散熱；
[0024] (43)如圖6所示，激光裝置的主鏡、次鏡設置電加熱器，即主鏡電加熱器和次鏡電 加熱器，當激光裝置不被太陽光照射時，低溫不斷降低，甚至低于〇°C，通過主鏡電加熱器和 次鏡電加熱器維持低溫，通過星上管理系統(tǒng)對主鏡加熱器和次鏡加熱器進行開關控制；
[0025] (44)如圖6所示，為激光裝置內部APD組件、CCD組件、LD組件設置致冷器，在溫 度超過允許范圍時進行致冷；
[0026] (45)二維轉臺安裝面與衛(wèi)星對地板進行隔熱設計，防止衛(wèi)星本體溫度波動對激光 裝置溫度的影響。
[0027] 所述步驟（5)進行激光裝置內部導熱和熱輻射設計，設計最優(yōu)熱傳遞路徑的具體 如下：
[0028] (51)如圖5所示，采用導熱率300WAm.k)的高導熱銅條，將AH)組件、（XD組件、 LD組件與激光裝置法蘭盤導熱聯(lián)通，實現(xiàn)熱量傳遞；Aro組件、C⑶組件以及LD組件與導熱 銅條間涂抹高導熱硅脂，導熱硅脂的導熱系數為l〇〇〇WAm.k)，從而減小接觸面間的接觸熱 阻；
[0029] (52)激光裝置內部表面噴涂發(fā)射率0. 85高發(fā)射率黑漆，加強內部輻射熱交換，減 小激光裝置內部溫度梯度。
[0030] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于：
[0031] (1)本發(fā)明的熱控方法解決了GE0軌道衛(wèi)星搭載激光裝置的熱控問題，設備可以 適應復雜的空間外熱流、不同工作模式激光裝置內部發(fā)熱元器件熱耗的綜合作用，而產品 內部溫度場滿足任務需求。
[0032] (2)可以確保激光裝置中的主鏡、次鏡、C⑶電路板等對溫度要求高的元器件的溫 度控制在要求溫度范圍內，控制主鏡、次鏡等關鍵光學器件熱變形，不影響激光通信鏈路質 量，增加有效通信時間。
[0033] (3)為GE0軌道衛(wèi)星首次搭載激光裝置解決了瓶頸技術，奠定了GE0軌道星間、星 地激光通信的基礎。
【附圖說明】
[0034] 圖1為本發(fā)明中激光裝置外部結構示意圖；
[0035] 圖2為本發(fā)明激光裝置內部結構示意圖；
[0036] 圖3為本發(fā)明熱控制方法流程圖；
[0037] 圖4為異型熱管布局及散熱面設置示意圖；
[0038] 圖5為激光裝置導熱銅條及柔性熱關節(jié)示意圖；
[0039] 圖6為致冷器及加熱器布局圖。
[0040] 1-遮光罩；2-偏航軸驅動電機；3-二維轉臺；4一俯仰軸驅動電機；5-安裝支 架；6-次鏡；7-主鏡；8 -電機碼盤；9一APD組件；10 -CCD組件；11 一LD組件；12-法蘭 盤；13-遮光罩擋光環(huán)；14-0SR散熱面；15-異型熱管；16-柔性熱關節(jié)；17-第一導熱 銅條；18-第二導熱銅條；19一導熱硅脂；20-次鏡加熱器；21-AH)組件致冷器；22 -LD 組件致冷器；23 - (XD組件致冷器；24-主鏡加熱器。
【具體實施方式】
[0041] 如圖1所示，為本發(fā)明中激光裝置外部構型示意圖，激光裝置外部包括遮光罩1、 偏航軸驅動電機2、二維轉臺3、俯仰軸驅動電機4和安裝支架5 ;通過安裝支架5直接安裝 在衛(wèi)星對地板上。在激光裝置前部設置遮光罩1，激光裝置安裝在二維轉臺3上，通過偏航 軸驅動電機2和俯仰軸驅動電機4實現(xiàn)二維轉動。
[0042] 如圖2所示，為本發(fā)明激光裝置內部結構示意圖；激光裝置包括遮光罩擋光環(huán)13、 次鏡6、主鏡7、電機碼盤9、AH)組件9、C⑶組件10、LD組件11、法蘭盤12。遮光罩1內設 置間隔不等的擋光環(huán)13,用于吸收外部雜散光，次鏡6安裝在在激光裝置前端，主鏡7安裝 在法蘭盤12上，電機碼盤9安裝在二維轉臺3上，C⑶組件10位于主鏡7后，AH)組件9和 LD組件11位于法蘭盤12后。
[0043] 如圖4所示，為激光裝置在衛(wèi)星上的布局和散熱面設置示意圖，采用異型熱管15 將激光裝置安裝支架5與0SR散熱面14導熱聯(lián)通。
[0044] 如圖5為激光裝置內部熱設計示意圖，表示了導熱銅條及柔性熱關節(jié)的安裝位 置，包括柔性熱關節(jié)16、第一導熱銅條17、第二導熱銅條18、導熱硅脂19 ;柔性熱關節(jié)16安 裝在法蘭盤12和安裝支架5之間，實現(xiàn)從法蘭盤到安裝支架間的導熱聯(lián)通；第一導熱銅條 17、第二導熱銅條18、導熱硅脂19布置在AH)組件9、C⑶組件10、LD組件11和法蘭盤12 之間，實現(xiàn)從AH)組件9、C⑶組件10、LD組件11到法蘭盤的導熱聯(lián)通。
[0045] 如圖6為激光裝置內部致冷器及加熱器的布局圖，給出了主鏡加熱器24、次鏡加 熱器20位置，同時給出了Aro組件致冷器21、C⑶組件致冷器23、LD組件致冷器22的位 置。主鏡加熱器24位于主鏡7下方，提供主鏡3的電加熱，次鏡加熱器20位于次鏡6的中 心。
[0046] 如圖3所示，本發(fā)明GE0軌道衛(wèi)星激光裝置熱控制方法具體實現(xiàn)步驟為：
[0047] (1)確定激光裝置工作溫度要求，包括內部元器件的工作溫度范圍、溫度梯度和隨 時間波動要求；
[0048] 激光裝置工作溫度要求如下：
[0049] (11)主鏡7的工作溫度范圍為23±2°C;次鏡6的工作溫度范圍為23±1°C;
[0050] (12)APD組件21、CCD組件23、LD組件22的工作溫度范圍為22±4°C;
[0051] (13)二維轉臺3的工作溫度范圍為10~+45°C;
[0052] (14)激光裝置的遮光罩1、安裝支架5等，工作溫度范圍為-10~+45°C。
[0053] (2)分析GEO衛(wèi)星軌道及姿態(tài)控制方案，選取高低溫熱工況進行空間外熱流分析， 分析過程如下：
[0054] (21)選取GE0衛(wèi)星壽命初期分點時刻作為激光裝置的低溫工況，壽命末