星地激光通信终端热特性研究

论文摘要

卫星激光通信终端在空间运行时部分机构暴露在卫星外，空间环境对卫星光终端影响不可忽视，如空间辐射环境、温度变化等，尤其是温度梯度的不均匀，将直接影响卫星激光通信终端光学系统的性能。温度不均匀导致光学元件热形变不均匀，发射光束或接收光束经过光学元件后，光束指向和波前都会发生变化，直接影响接收平面上的光场分布。针对卫星激光通信终端在轨工作时的热特性问题，本论文主要开展了以下几项研究工作：（1）对终端的热特性进行建模分析，通过主动热控加被动热控实现激光通信终端热控。讨论了卫星激光通信终端的热特性，主要是导热特性和热辐射特性以及二者的热耦关系。在终端热特性分析中，典型结构表面包括主镜、次镜球面等，对其它复杂结构曲面进行分解，把每部分看作一个小二次曲面。对终端进行了有限元节点划分。在热计算中采用节点网络法，将Pro/E建立的终端简化模型导入Patran中以便划分节点网格。选择合适的长度划分节点网格至关重要，尺寸选择过小、网格密集，计算时间大大增加，而且Thermica软件对辐射节点数有限制；尺寸选择过大，网格划s分粗糙，影响计算精度。综合考虑，除箱体节点网格长度设定为0.5，其余部件节点网格长度为0.05，保证了节点网格的均匀分布，避免了因网格划分不均匀造成的无法计算的问题。（2）分析了终端所在轨道的参数，确定了某一时刻的卫星轨道六要素，以及卫星的轨道即卫星的位置和速度矢量。（3）分析了卫星的光照条件，即太阳照射。阳光照射地球时，在地球背向阳光的一面将产生阴影，卫星飞进地影后，将不受阳光照射，反之则要受到阳光照射。考虑终端在轨实际光照情况，对终端热控进行设计。（4）对终端在轨工作时的外热流进行了仿真计算。外热流的数值是与节点相对应的，在计算过程中，考虑了二维转台外表面节点接收的外热流。对终端温度高低、温度周期性瞬态响应特性及温度的瞬态不均匀性等各种不同方案进行仿真分析，为系统的热控设计提供了依据。（5）分析了各个主要散热元器件的散热措施，给出了热控仪的主要设计指标及热设计方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本文的主要内容
• 第2章 终端热特性建模及有限元网络节点分析
• 2.1 热特性建模理论分析
• 2.1.1 终端导热特性分析
• 2.1.2 空间辐射换热分析
• 2.1.3 控制方程
• 2.2 辐射换热蒙特卡罗统计法分析
• 2.2.1 终端与空间关联性分析
• 2.2.2 运用蒙特卡罗统计法分析终端辐射换热的统计模型
• 2.3 有限元节点网络法分析
• 2.4 边界条件设置
• 2.4.1 节点热源分析
• 2.4.2 接触条件设置
• 2.4.3 太阳辐射分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 轨道环境及终端空间热特性分析
• 3.1 轨道环境分析
• 3.1.1 轨道主要参数分析
• 3.1.2 升交点赤经
• 3.2 终端在轨光环境分析
• 3.2.1 轨道与太阳间角
• 3.2.2 地球阴影区判断分析
• 3.3 终端空间热特性分析
• 3.3.1 基本假设
• 3.3.2 辐射传递因子
• 3.4 外热流结果分析
• 3.4.1 热分析软件功能分析
• 3.4.2 热分析流程
• 3.5 本章小结
• 第4章 光通信系统各部件热特性仿真分析
• 4.1 热控方案 1 的模拟仿真结果
• 4.1.1 设备部件的温度周期性瞬态响应特性
• 4.1.2 终端主要部件温度瞬态非均匀性
• 4.2 热控方案 2 的模拟结果
• 4.2.1 部件温度的周期性瞬态响应特性
• 4.2.2 部件温度的瞬态非均匀性
• 4.3 热控方案 3 的模拟结果分析
• 4.3.1 部件温度的周期性瞬态晌应特性
• 4.3.2 设备部件温度的瞬态不均匀性
• 4.4 本章小结
• 第5章 光通信系统热控设计
• 5.1 热设计概述
• 5.1.1 大功率元器件的散热措施
• 5.1.2 中等热功耗元器件散热措施
• 5.1.3 低功耗元器件的温度估算
• 5.1.4 增强印制板的导热措施
• 5.1.5 机箱壳体的热设计
• 5.1.6 增强机箱与印制板的导热耦合措施
• 5.2 热设计结果分析及结论
• 5.2.1 热控议组成及功能
• 5.2.2 热控仪技术指标设计
• 5.2.3 热控仪机械设计
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 简历