空间温度场对平面反射镜面形影响研究
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镜形 变 ， 没有分 析 终端 在 轨 运行 过 程 中反 射 镜 的 并 温度场 分布 。 本 文 以 Ｔｒ Ｓ Ｒ—Ｘ卫 星上 潜望 式 激光 通信 终 ｅｒ Ａ ａ 端结构 为例 ， 建立 了潜 望式 激 光通 信 终端 二维 转 台的有 限元模 型 ， 进行 了终端 反 射镜 温度 场 分布 和
第 ３ 卷 第 ３期 １ ２１ ００年 ３ 月
宇 航 学 报
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｓ ｏ ａ ｔ ｓ ｏ ｒ ａ ｆＡ ｔ ｎ ｕ ｉ ｒ ｃ
Ｖｏ ． Ｎ０． １３１ ３
Ｍａｃ ｒｈ ２ ０ ０１
空 间温 度场 对 平 面反射 镜 面 形 影 响研 究
宋 义伟 ，于思 源 ，谭 立英 ，马 晶 ，韩 琦琦 ，刘 剑峰 ，杨 旺
（ 尔 滨 工 业 大学 可调 谐 激 光 技术 国家 级 重 点实 验 室 ，哈 尔 滨 １００ ） 哈 ５０ １
摘
要 ：基 于 传 热 学 基 本 理 论 ， 出 了 潜 望式 激 光 通 信 终 端 二 维 转 台在 轨 运 行 过 程 中 的 传 热 控 制 方 程 ， 析 给 分
了二 维 转 台 的 温度 场 分 布 ， 出 了不 同材 料 反 射 镜 在轨 运 行 过 程 中温 度 场 随 时 间变 化 规 律 和 升 交 点 时 刻 的 热 形 变 得 分 布 。 分 析过 程 中二 维 转 台外 表 面采 取 氧化 处 理 ， 没有 采 用 其 他 温 控 措施 ， 析 结 果 表 明 ， 于 四种 不 同 材 料 反 射 分 对 镜 ， 光 通 信终 端 在 轨 运 行 一 个 轨 道 周 期 的 时 间 内 ，ｉ 料 温 度 波 动 范 围最 小 ， 且 温 度 不 均 匀 性 也 最 小 ， 此 激 Ｓ Ｃ材 并 因 Ｓ ｉ 料 是 潜 望 式 激 光通 信终 端 反 射 镜 的 可 选 材 料 。对 于 ＳＣ反 射 镜 ， 交 点 时 刻 俯 仰 轴 反射 镜 的韫 度 不 均 匀 性 最 Ｃ材 ｉ 升
用 的温控措施 主要 是在终 端 的表面贴 加热片 和包覆
热形变 分布 的理 论分 析 ， 别 分 析 了 Ｋ 分 ９玻璃 、ｉ 、 ＳＣ
熔 石英 、 晶等 四种 不 同材 料反射 镜 的温 度场分 布 ， 微 并 对这 四种材 料反射镜 的整体温 度变化 情况 和温度 不 均匀性 进 行 了 比较 ，ｉ 料 反 射 镜 具 有 最 小 的 ＳＣ材 温度变 化和温 度不均 匀性 。对 于 Ｓ ｉ 射镜 升交 点 Ｃ反 的温度 不 均匀 性 最 大 ， 以 本文 分 析 镜 采 用 椭 圆 周上 六 点 螺 钉 固定 的 方式 时 ， 仰 轴 反射 镜 面 形 Ｒ Ｓ值 达 到 ２ ２ ｎ， 将 对 光 达 ．３ 俯 Ｍ ．５ ａ这
束指 向产 生 影 响 ， 而 影 响 系 统 性 能 。本 文 的研 究 内容 对潜 望式 激 光 通 信 终 端 反 射 镜 材 料 选 择 和 温 控 措 施 的采 取 进 有一 定 参 考 价 值 。 关 键 词 ：激 光 通信 ；温 度 场 ；温 度不 均 匀 性 ；热 形 变 ；温 控 ；Ｒ Ｓ Ｍ 值 中图 分 类 号 ：Ｔ ９９ １ Ｎ ２ ．１ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文章 编 号 ：１０ ．３８２ １ ｝３０６—７ ０ ０１２ （００ ０—８８０
激光通 信 系统 相对 于微波 通信 系统具有信 息容
量大 、 保密性 强 、 积 小重 量 轻 等 优 点 。 ， 体 是卫 星 高速 实时通 信 的发 展方 向 。各 国都在 争先发 展卫 星 激光 通信技 术 ， 国 、 美 日本 等 国已先后 成功 的进 行 了
星地 激光通 信和 星间激 光通信
。
由于卫 星激 光通 信 距离 比较 远 ， 光光 束 发散 激 角 比较小 ， 目标终 端的接 收视场 比较小 ， 很小 的指 向 偏差会 导致很 大 的瞄 准 误差 和 跟踪 误 差 ， 而 导致 从 接收 能量下 降 、 码 率增 加 。经 纬 仪式 结 构 和潜 望 误
镜 的有 限元模 型 ， 过 给定 反 射镜 的工 况计 算 反射 通
，
ＤＯＩ １ ３ ７ ／ ． ｓ ． ０ ０ １ ２ ２ １ ０ ０ ０ ： ０． ８ ３ ｉ ｉ ｎ １ ０ — ３ ８．０ ０． ３．４ ｓ
０ 引 言
多层 隔热材料 ， 星的重 量和功耗 都是 有限 的 ， 卫 加热 功率 的大小 和多层 隔热材 料 的厚 度需要 根据 不采取 温控 的情 况下终 端在 轨运行 的温 度变化 范 围和所 需 要控 制 的温度 间 的温 差来 决 定 ， 因此 有 必 要对 激 光 通 信终端 在轨运 行过 程 中的温度 范 围进行 研究 。 目前 ， 间热 环境 对在 轨 光学 系 统性 能影 响 的 空 问题 已受 到广 泛 关 注 Ｉ ， 晓 峰 等人 分 析 了 潜 ９ 李 望 式激 光通信终 端反射 镜在 几种 工况下 的热形变 及 其对光 束指 向的 影 响 ， 是 文 献 中 只是 建立 了反射 但
式结构是 目前 激 光 通 信 终 端 较 常 用 的 两 种 结 构 形
式， 无论是 潜望式 结 构 还是 经 纬 仪式 结 构都 有 一 部
分 光学元 件是暴 露 在 卫 星外 的 ， 间辐 射 、 染 、 空 污 温
度 变化会影 响光 学 器件 性 能 ， 其是 空 间温 度 场 变 尤
化 会导致 反射镜 法线方 向改 变 、 从而 产生指 向偏差 。 必 须采用 温控措施 来减 少空 问温变场 对光学 系统 的 影响， 将温 度场 引起 的 光学 器 件 的面 形 变化 量 控制 到允许 的范 围 内 ， 是激 光 通信 终 端 在 轨运 行 过程 但 中温度变化 范 围始 终未 见报道 。 因为 航天器 上所使
第 ３ 卷 第 ３期 １ ２１ ００年 ３ 月
宇 航 学 报
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｓ ｏ ａ ｔ ｓ ｏ ｒ ａ ｆＡ ｔ ｎ ｕ ｉ ｒ ｃ
Ｖｏ ． Ｎ０． １３１ ３
Ｍａｃ ｒｈ ２ ０ ０１
空 间温 度场 对 平 面反射 镜 面 形 影 响研 究
宋 义伟 ，于思 源 ，谭 立英 ，马 晶 ，韩 琦琦 ，刘 剑峰 ，杨 旺
（ 尔 滨 工 业 大学 可调 谐 激 光 技术 国家 级 重 点实 验 室 ，哈 尔 滨 １００ ） 哈 ５０ １
摘
要 ：基 于 传 热 学 基 本 理 论 ， 出 了 潜 望式 激 光 通 信 终 端 二 维 转 台在 轨 运 行 过 程 中 的 传 热 控 制 方 程 ， 析 给 分
了二 维 转 台 的 温度 场 分 布 ， 出 了不 同材 料 反 射 镜 在轨 运 行 过 程 中温 度 场 随 时 间变 化 规 律 和 升 交 点 时 刻 的 热 形 变 得 分 布 。 分 析过 程 中二 维 转 台外 表 面采 取 氧化 处 理 ， 没有 采 用 其 他 温 控 措施 ， 析 结 果 表 明 ， 于 四种 不 同 材 料 反 射 分 对 镜 ， 光 通 信终 端 在 轨 运 行 一 个 轨 道 周 期 的 时 间 内 ，ｉ 料 温 度 波 动 范 围最 小 ， 且 温 度 不 均 匀 性 也 最 小 ， 此 激 Ｓ Ｃ材 并 因 Ｓ ｉ 料 是 潜 望 式 激 光通 信终 端 反 射 镜 的 可 选 材 料 。对 于 ＳＣ反 射 镜 ， 交 点 时 刻 俯 仰 轴 反射 镜 的韫 度 不 均 匀 性 最 Ｃ材 ｉ 升
用 的温控措施 主要 是在终 端 的表面贴 加热片 和包覆
热形变 分布 的理 论分 析 ， 别 分 析 了 Ｋ 分 ９玻璃 、ｉ 、 ＳＣ
熔 石英 、 晶等 四种 不 同材 料反射 镜 的温 度场分 布 ， 微 并 对这 四种材 料反射镜 的整体温 度变化 情况 和温度 不 均匀性 进 行 了 比较 ，ｉ 料 反 射 镜 具 有 最 小 的 ＳＣ材 温度变 化和温 度不均 匀性 。对 于 Ｓ ｉ 射镜 升交 点 Ｃ反 的温度 不 均匀 性 最 大 ， 以 本文 分 析 镜 采 用 椭 圆 周上 六 点 螺 钉 固定 的 方式 时 ， 仰 轴 反射 镜 面 形 Ｒ Ｓ值 达 到 ２ ２ ｎ， 将 对 光 达 ．３ 俯 Ｍ ．５ ａ这
束指 向产 生 影 响 ， 而 影 响 系 统 性 能 。本 文 的研 究 内容 对潜 望式 激 光 通 信 终 端 反 射 镜 材 料 选 择 和 温 控 措 施 的采 取 进 有一 定 参 考 价 值 。 关 键 词 ：激 光 通信 ；温 度 场 ；温 度不 均 匀 性 ；热 形 变 ；温 控 ；Ｒ Ｓ Ｍ 值 中图 分 类 号 ：Ｔ ９９ １ Ｎ ２ ．１ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文章 编 号 ：１０ ．３８２ １ ｝３０６—７ ０ ０１２ （００ ０—８８０
激光通 信 系统 相对 于微波 通信 系统具有信 息容
量大 、 保密性 强 、 积 小重 量 轻 等 优 点 。 ， 体 是卫 星 高速 实时通 信 的发 展方 向 。各 国都在 争先发 展卫 星 激光 通信技 术 ， 国 、 美 日本 等 国已先后 成功 的进 行 了
星地 激光通 信和 星间激 光通信
。
由于卫 星激 光通 信 距离 比较 远 ， 光光 束 发散 激 角 比较小 ， 目标终 端的接 收视场 比较小 ， 很小 的指 向 偏差会 导致很 大 的瞄 准 误差 和 跟踪 误 差 ， 而 导致 从 接收 能量下 降 、 码 率增 加 。经 纬 仪式 结 构 和潜 望 误
镜 的有 限元模 型 ， 过 给定 反 射镜 的工 况计 算 反射 通
，
ＤＯＩ １ ３ ７ ／ ． ｓ ． ０ ０ １ ２ ２ １ ０ ０ ０ ： ０． ８ ３ ｉ ｉ ｎ １ ０ — ３ ８．０ ０． ３．４ ｓ
０ 引 言
多层 隔热材料 ， 星的重 量和功耗 都是 有限 的 ， 卫 加热 功率 的大小 和多层 隔热材 料 的厚 度需要 根据 不采取 温控 的情 况下终 端在 轨运行 的温 度变化 范 围和所 需 要控 制 的温度 间 的温 差来 决 定 ， 因此 有 必 要对 激 光 通 信终端 在轨运 行过 程 中的温度 范 围进行 研究 。 目前 ， 间热 环境 对在 轨 光学 系 统性 能影 响 的 空 问题 已受 到广 泛 关 注 Ｉ ， 晓 峰 等人 分 析 了 潜 ９ 李 望 式激 光通信终 端反射 镜在 几种 工况下 的热形变 及 其对光 束指 向的 影 响 ， 是 文 献 中 只是 建立 了反射 但
式结构是 目前 激 光 通 信 终 端 较 常 用 的 两 种 结 构 形
式， 无论是 潜望式 结 构 还是 经 纬 仪式 结 构都 有 一 部
分 光学元 件是暴 露 在 卫 星外 的 ， 间辐 射 、 染 、 空 污 温
度 变化会影 响光 学 器件 性 能 ， 其是 空 间温 度 场 变 尤
化 会导致 反射镜 法线方 向改 变 、 从而 产生指 向偏差 。 必 须采用 温控措施 来减 少空 问温变场 对光学 系统 的 影响， 将温 度场 引起 的 光学 器 件 的面 形 变化 量 控制 到允许 的范 围 内 ， 是激 光 通信 终 端 在 轨运 行 过程 但 中温度变化 范 围始 终未 见报道 。 因为 航天器 上所使