航天器天线在轨热分析结果

天线热设计完成后，开展天线在轨热分析，验证天线热设计是否满足在轨工作温度范围要求。分析需考虑卫星构型与布局、轨道、天线自身热耗等因素对天线在轨温度的影响。仍然以某卫星DCS天线为例来描述天线在轨分析。

1.热分析模型

DCS天线本身无热耗，其温度分布主要由外热流决定，而天线外热流受卫星轨道和飞行姿态影响，在一个周期内变化剧烈，因此，对于DCS接收天线的热分析，必须建立瞬态模型。利用Thermal Desktop软件分别对天线在轨的辐射热环境和温度场进行计算。天线网格图及模型图如图9-22所示，图中未包含卫星舱板，整个天线共划分为452个节点。

图9-22　天线热分析模型

（a）网格图；（b）模型图

2.外热流分析

太阳是航天器在轨主要热源，是天线在轨温度环境的主要决定因素。首先计算卫星β角（太阳与地球连线与卫星轨道面夹角，表征了卫星在轨道内受太阳光照射的强度变化）在一年中的变化情况，如图9-23所示。

图9-23　一年内β角的变化情况

根据以上对β角的计算结果，结合一年内太阳常数的变化规律，可以确定该卫星轨道外热流的典型时刻为：①夏至附近，6月21日，β角最小，此时-y面以外的各个面受太阳照射热流最大；②2月26日和10月15日，β角最大，均为86.8°左右，太阳光与卫星轨道面接近垂直，此时-y面太阳照射热流最大，其他各面则最小，卫星相对处于低温工况。由于β角相等，此时的轨道热流差别主要在于太阳常数的不同，10月15日太阳常数为1 374 W/m2，较2月26日小，因此10月15日是另一个典型时刻；③冬至附近，太阳常数最大，为1 412 W/m2。

对卫星表面六个方向的热流进行计算，典型季节的平均外热流如表9-7所示。

表9-7　卫星各方向表面的到达外热流W/m2

为确定卫星在轨不同时刻外热流的变化情况，还进行了瞬态计算。从升交点起，将一个轨道周期按角度平均划分为72个点，在各个点上，根据卫星与地球的相对位置，分别计算各方向的到达外热流，从而得出卫星在一个周期中不同时刻的受热状况。图9-24～图9-27为一个轨道内的热流曲线。

图9-24　夏至各面到达外热流瞬态曲线

图9-25　夏至轨道与地球、光照位置示意

图9-26　冬至各面到达外热流瞬态曲线

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图9-27　冬至轨道与地球、光照位置示意

1）不同季节外热流变化规律复杂。从瞬态热流曲线可以看到，+z面的外热流在不同工况下变化幅度不同，10月15日最平缓，夏至和冬至在一个周期内均有较大幅度的波动。

2）卫星六个方向外热流相差很大。对DCS天线的螺旋线、支架、馈管受±y方向热流影响较大。±y方向热流变化大，导致天线螺旋线、支架、馈管±y方向会有一定温差。天线的螺旋线支撑、天线法兰受+z方向的外热流影响大。

3.工况选取

根据以上β角和外热流的分析结果确定了该卫星轨道外热流的典型时刻，因此，工况按照典型时段设置，如表9-8所示。

表9-8　工况选取

计算中主要材料的热物理参数选取如表9-9所示。

表9-9　热物理参数选取

4.热分析结果

根据前节的工况选取，建立瞬态热分析模型，计算结果以温度曲线图的形式给出。在图9-28的温度曲线图中，横坐标为时间，单位为秒；纵坐标为温度，单位为℃。图中给出天线入轨温度稳定后连续几个周期的温度情况。

图9-28　天线入轨温度情况（不同曲线代表不同位置点的温度变化）

（a）螺旋线（工况1）；（b）螺旋线（工况2）

图9-28　天线入轨温度情况（不同曲线代表不同位置点的温度变化）（续）

（c）螺旋线（工况3）

从以上结果可以看出，天线各部分的温度情况如下：

DCS天线在10月15日低温初期工况下，温度最低，螺旋线、螺旋线支撑、天线支架、天线压板的最低温度分别达到了-12.48℃、-29.18℃、-14.22℃、-15.11℃。这是因为卫星轨道在10月15日几乎与太阳入射光线垂直，太阳光从-y向直射向天线，天线+y面受天线自身遮挡，外热流低。同时天线所在的安装面所在舱板温度低，天线向舱板漏热。但综合看来，各设备均在-90℃～+90℃范围之内，满足温度指标要求。

在夏至高温末期工况下，DCS天线螺旋线及螺旋线支撑的温度最高，最高分别可达79.49℃和70.79℃，满足天线的温度指标要求。在冬至高温末期工况下，DCS天线铍青铜材质的螺旋线温度最高，可达101.42℃。其他部件的温度均在5℃～61℃，满足天线的温度指标要求。