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火星环绕器高增益天线在轨热设计及波束指向影响分析

张顺波,任红宇,靳春帅,刘伟栋,李春晖,李勇

张顺波, 任红宇, 靳春帅, 刘伟栋, 李春晖, 李勇. 火星环绕器高增益天线在轨热设计及波束指向影响分析[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20210089
引用本文: 张顺波, 任红宇, 靳春帅, 刘伟栋, 李春晖, 李勇. 火星环绕器高增益天线在轨热设计及波束指向影响分析[J]. 深空探测学报(中英文).doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20210089
ZHANG Shunbo, REN Hongyu, JIN Chunshuai, LIU Weidong, LI Chunhui, LI Yong. On-orbit Thermal Design and Beam Pointing Error Impact Analysis of High Gain Antenna of Mars Orbiter[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20210089
Citation: ZHANG Shunbo, REN Hongyu, JIN Chunshuai, LIU Weidong, LI Chunhui, LI Yong. On-orbit Thermal Design and Beam Pointing Error Impact Analysis of High Gain Antenna of Mars Orbiter[J].Journal of Deep Space Exploration.doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20210089

火星环绕器高增益天线在轨热设计及波束指向影响分析

doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20210089
基金项目:“天问一号”火星探测任务
详细信息
    作者简介:

    (1982− ),男,高级工程师,主要研究方向:飞行器天线设计。通讯地址:上海市闵行区中春路1777号(201109)电话:(021)24182618E-mail:shanon18@163.com

  • ● Analysis of thermal design and simulation of deep space exploration antenna. ● Vacuum thermal distortion test under low and high temperatures for 2.5 m aperture reflector antenna. ● Analysis and on-orbit test of beam pointing error caused by thermal distortion for high gain antenna of Mars orbiter. ● Suitability analysis and verification under –195℃ ultralow temperature condition.
  • 中图分类号:V416.6

On-orbit Thermal Design and Beam Pointing Error Impact Analysis of High Gain Antenna of Mars Orbiter

  • 摘要:梳理了火星环绕器2.5 m口径高增益天线在热设计、–195℃超低温环境适应性及热变形指向偏差评估分析与验证方面 存在的技术难点,开展了设计和验证工作。基于热设计状态对天线在轨工作过程中典型工况下的温度场和热变形分布进行了仿真分析,并研制了一套大口径反射面天线真空热变形测量系统,完成了热变形测试验证。基于热变形数据,采用半物理仿真分析方法对高增益天线热变形后的波束指向偏差进行了评估分析。结果表明,热变形导致的波束指向偏差最大为0.028°,增益损失不超过0.5 dB,指向偏差和增益损失均在设计裕度范围内。经在轨测试,天线增益指向性能测试值与预估值吻合,有效验证了天线热设计和验证方法的准确性。
    Highlights
    ● Analysis of thermal design and simulation of deep space exploration antenna. ● Vacuum thermal distortion test under low and high temperatures for 2.5 m aperture reflector antenna. ● Analysis and on-orbit test of beam pointing error caused by thermal distortion for high gain antenna of Mars orbiter. ● Suitability analysis and verification under –195℃ ultralow temperature condition.
  • 图 1高增益天线组成框图

    Fig. 1Configuration of HGA

    图 2高增益天线结构示意图

    Fig. 2Structure of HGA

    图 3热仿真分析模型

    Fig. 3Thermal simulation model

    图 4低温工况温度场仿真分析结果

    Fig. 4Thermal simulation results under low temperature condition

    图 5–200℃低温工况反射面部件层片的失效指数云图

    Fig. 5F ailure index map of reflector components at –200℃

    图 6超低温验证试验

    Fig. 6Ultra-low temperature test

    图 7热变形测试示意图

    Fig. 7Configuration of thermal distortion measurement

    图 8热变形测试

    Fig. 8Thermal distortion measurement

    图 9热变形测试温度曲线

    Fig. 9Temperature curve of thermal distortion measurement

    图 10低温工况反射面天线实测形变分布图

    Fig. 10Thermal distortion distribution of low temperature condition

    图 11高增益天线在不同温度工况下的实测形面精度统计结果

    Fig. 11Measured surface accuracy results of HGA under different temperature conditions

    图 12低温工况热变形前后方向图仿真结果

    Fig. 12Comparison simulation results of HGA’s radiation pattern under low temperature condition

    表 1高增益天线射频性能分析结果统计表

    Table 1Statistical simulation results of radio frequency performance of HGA

    参数 接收通道
    指标要求
    接收通道
    设计值
    发射通道
    指标要求
    发射通道
    设计值
    轴向增益/dBi ≥42 42.78 ≥43.5 44.35
    3 dB波束宽度/(°) ≥1.0 1.01 ≥0.86 0.86
    极化方式 LHCP LHCP RHCP RHCP
    3 dB波束内轴比/dB ≤1 0.62 ≤1 0.73
    收发通道隔离度/dB ≥25 37.38 ≥25 40.82
    驻波比 ≤1.5 1.18 ≤1.5 1.15
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    表 2热仿真分析统计结果

    Table 2Thermal simulation statistical results 单位:℃

    工况 主反射面 副反
    射面
    馈源
    组件
    中心 上边沿 下边沿 左边沿 右边沿
    低温 –106 –135 –130 –141 –135 –134 –65
    高温 67 75 84 83 76 75 69
    温度梯度 –29 –45 –34 –77 41 –65 –38
    环火阴影超低温 –132 –173 –159 –195 –164 –166 –71
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    表 3热变形仿真用主反射面材料参数

    Table 3Material parameters of main reflector for simulation

    材料 密度/
    (kg·m–3
    纵向模量/
    GPa
    横向模量/
    GPa
    纵横剪切模量/
    GPa
    纵向
    泊松比
    横向
    泊松比
    纵向热膨胀系数/
    –1
    横向热膨胀系数/
    -1
    导热系数/
    〔W·(m·K)–1
    碳纤维 1 660 126 11 5.5 0.28 0.40 –1.10 × 10–6 2.6 × 10–5 20
    铝蜂窝 31 0.665 3 × 10–5 0.127 0.21 0.31 2.3 × 10–5 2.3 × 10–5 1.3
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    表 4热变形仿真用铝合金材料参数

    Table 4Material parameters of aluminum for simulation

    材料 密度/(kg·m-3 模量/ GPa 泊松比 热膨胀系数/℃–1
    铝合金 2.7×103 71 0.33 2.3×10-5
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    表 5热变形仿真统计结果

    Table 5Simulation results of thermal distortion 单位:mm

    工况 主反射面 副反 馈源
    组件
    中心 上边沿 下边沿 左边沿 右边沿
    低温 –0.19 –0.62 –0.61 1.20 1.17 –0.39 –0.17
    高温 0.06 0.20 0.13 –0.42 –0.27 0.16 0.08
    温度梯度 –0.12 –0.22 –0.23 0.75 –0.32 –0.25 0.12
    环火阴影超低温 –0.27 –0.94 –0.81 1.59 1.38 –0.48 0.18
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    表 6高增益天线反射面部件层片失效指数统计结果

    Table 6Statistical failure index of HGA reflector components

    工况 层片1 层片2 层片3 层片4 层片5 层片6 层片7 层片8
    –140 ℃低温 0.429 0.491 0.440 0.492 0.440 0.443 0.443 0.436
    –200 ℃低温 0.810 0.928 0.829 0.930 0.830 0.834 0.838 0.813
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    表 7热变形测试温度统计结果

    Table 7Statistical temperature results of thermal distortion measurement 单位:℃

    工况 主反射面 副反
    中心 上边沿 下边沿 左边沿 右边沿
    低温 –103 –139 –135 –143 –135 –136
    高温 68 76 82 86 80 78
    温度梯度 –31 –42 –36 –75 40 –62
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    表 8热变形测试统计结果

    Table 8Statistical results of thermal distortion measurement 单位:mm

    工况 主反射面 副反
    中心 上边沿 下边沿 左边沿 右边沿
    低温 –0.33 –0.78 –0.72 1.51 1.32 –0.48
    高温 0.10 0.13 0.12 –0.32 –0.21 0.22
    温度梯度 –0.17 –0.28 –0.19 0.88 –0.39 –0.33
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    表 9热变形仿真统计结果

    Table 9Simulation results of thermal distortion 单位:mm

    工况 主反射面 副反 馈源组件
    中心 上边沿 下边沿 左边沿 右边沿
    环火阴影超低温 –0.49 –1.07 –0.98 2.07 1.80 –0.69 –0.28
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    表 10高增益天线热变形性能分析结果

    Table 10Simulation results of HGA with thermal distortion

    参数 接收通道 发射通道
    指标
    要求
    低温
    仿真值
    高温
    仿真值
    温度梯度
    仿真值
    超低温
    仿真值
    指标
    要求
    低温
    仿真值
    高温
    仿真值
    温度梯度
    仿真值
    超低温
    仿真值
    轴向增益/dBi ≥42 42.46 42.49 42.42 42.28 ≥43.5 44.12 44.24 44.20 44.01
    3 dB波束宽度/(°) ≥1.0 1.06 1.03 1.10 1.13 ≥0.86 0.89 0.86 0.92 0.93
    3 dB波束内轴比/dB ≤1 0.73 0.62 0.65 0.78 ≤1 0.80 0.76 0.75 0.82
    收发通道隔离度/dB ≥25 36.55 37.02 37.18 36.21 ≥25 38.56 39.79 40.12 37.86
    驻波比/dB ≤1.5 1.21 1.19 1.20 1.21 ≤1.5 1.18 1.16 1.16 1.19
    指向偏差/(°) ≤0.06 0.018 0.012 0.027 0.021 ≤0.06 0.019 0.014 0.028 0.023
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    表 11在轨测试结果

    Table 11On-orbit test results

    参数 理论计算值 实测值
    应答机接收电平/dB –78.52 –75.90
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出版历程
  • 收稿日期:2021-09-16
  • 修回日期:2021-12-17
  • 网络出版日期:2023-02-23

火星环绕器高增益天线在轨热设计及波束指向影响分析

doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20210089
    基金项目:“天问一号”火星探测任务
    作者简介:

    (1982− ),男,高级工程师,主要研究方向:飞行器天线设计。通讯地址:上海市闵行区中春路1777号(201109)电话:(021)24182618E-mail:shanon18@163.com

  • ● Analysis of thermal design and simulation of deep space exploration antenna. ● Vacuum thermal distortion test under low and high temperatures for 2.5 m aperture reflector antenna. ● Analysis and on-orbit test of beam pointing error caused by thermal distortion for high gain antenna of Mars orbiter. ● Suitability analysis and verification under –195℃ ultralow temperature condition.
  • 中图分类号:V416.6

摘要:梳理了火星环绕器2.5 m口径高增益天线在热设计、–195℃超低温环境适应性及热变形指向偏差评估分析与验证方面 存在的技术难点,开展了设计和验证工作。基于热设计状态对天线在轨工作过程中典型工况下的温度场和热变形分布进行了仿真分析,并研制了一套大口径反射面天线真空热变形测量系统,完成了热变形测试验证。基于热变形数据,采用半物理仿真分析方法对高增益天线热变形后的波束指向偏差进行了评估分析。结果表明,热变形导致的波束指向偏差最大为0.028°,增益损失不超过0.5 dB,指向偏差和增益损失均在设计裕度范围内。经在轨测试,天线增益指向性能测试值与预估值吻合,有效验证了天线热设计和验证方法的准确性。

注释:
1) ● Analysis of thermal design and simulation of deep space exploration antenna. ● Vacuum thermal distortion test under low and high temperatures for 2.5 m aperture reflector antenna. ● Analysis and on-orbit test of beam pointing error caused by thermal distortion for high gain antenna of Mars orbiter. ● Suitability analysis and verification under –195℃ ultralow temperature condition.

English Abstract

张顺波, 任红宇, 靳春帅, 刘伟栋, 李春晖, 李勇. 火星环绕器高增益天线在轨热设计及波束指向影响分析[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20210089
引用本文: 张顺波, 任红宇, 靳春帅, 刘伟栋, 李春晖, 李勇. 火星环绕器高增益天线在轨热设计及波束指向影响分析[J]. 深空探测学报(中英文).doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20210089
ZHANG Shunbo, REN Hongyu, JIN Chunshuai, LIU Weidong, LI Chunhui, LI Yong. On-orbit Thermal Design and Beam Pointing Error Impact Analysis of High Gain Antenna of Mars Orbiter[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20210089
Citation: ZHANG Shunbo, REN Hongyu, JIN Chunshuai, LIU Weidong, LI Chunhui, LI Yong. On-orbit Thermal Design and Beam Pointing Error Impact Analysis of High Gain Antenna of Mars Orbiter[J].Journal of Deep Space Exploration.doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20210089
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