Активная фазированная антенная решетка радиолокационного космического аппарата дистанционного зондирования Земли Российский патент 2020 года по МПК B64G1/22 

Изобретение относится к космической технике, а именно, к оборудованию космических аппаратов (КА), предназначенных для дистанционного зондирования Земли или других планет с орбит полета КА с использованием радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА).

Ключевым элементом РСА является аппаратура, обеспечивающая излучение зондирующего сигнала большой мощности и прием сигнала, отраженного от поверхности Земли. Реализация антенной системы и приемопередающей аппаратуры РСА в виде активной фазированной антенной решетки (АФАР) позволяет обеспечить получение высокодетальных радиолокационных изображений земной поверхности. При этом АФАР выполняется в виде плоских прямоугольных секций, установленных на силовой корпусной части (КЧ), которая жестко подвешивается на наружную поверхность КА с помощью болтового соединения.

Спецификой применения АФАР в составе РСА высокого разрешения является сеансный характер функционирования аппаратуры; при этом в ходе проведения относительно кратковременного сеанса радиолокационной съемки энергопотребление АФАР может достигать нескольких десятков киловатт. Основные трудности реализации проектов связаны с обеспечением теплового режима и сохранением плоскостности излучающего полотна АФАР в процессе эксплуатации.

Изобретение предназначено для применения в бортовых радиолокаторах повторно-кратковременного действия со сверхмощным энергопотреблением в сеансах радиолокационной съемки, эксплуатируемых в составе КА дистанционного зондирования Земли.

Известно устройство - космический аппарат (патент Российской Федерации на изобретение №2198830), в котором для сброса тепла в космическое пространство используется система терморегулирования (СТР), снабженная весьма сложными тепловыми средствами: тепло от источников энергии передается сначала к оснащенным тепловыми трубами (ТТ) термоплатам, размещенным внутри КА, а отработанная тепловая энергия выносится наружу за пределы КА на другие термоплаты, выполняющие роль радиационных теплообменников (РТО), что резко ухудшает массогабаритные характеристики СТР и КА в целом. Данная СТР не обеспечивает съема тепла при повторно-кратковременных сеансах съемки и пиковом тепловыделении электрорадиоизделий (ЭРИ) внутри АФАР из-за больших термических сопротивлений между электрорадиоэлементами и тепловыми средствами, а рассчитана на отвод тепла из КА на среднесуточные или сравнимые с ними интервалы времени.

Наиболее близкими к заявляемому техническому решению являются КА и секция антенной фазированной решетки, представленные в патенте Российской Федерации №2333139.

Космический аппарат, описанный в прототипе, включает в свой состав фазированную антенную решетку (ФАР), выполненную в виде плоских прямоугольных секций, каждая из которых снабжена передней обшивкой, размещенной на каркасе. Бортовая аппаратура (БА) КА закреплена на тыльных сторонах плоских аппаратурных платформ, установленных с тыльной стороны секции ФАР. На этапе выведения КА на орбиту секции ФАР сложены параллельно друг другу лицевыми сторонами, в зазоре между ними размещены панели солнечных батарей. После вывода на орбиту полета секции ФАР раскрываются с помощью специального механизма. Приемопередающие блоки размещены на тыльной стороне передней обшивки, а их излучатели - на ее лицевой стороне. Внутри передней обшивки проложены тепловые трубы, связанные с устройством отвода тепла в космическое пространство.

Секция ФАР содержит каркас, переднюю обшивку, приемопередающие блоки и излучатели. Каркас секции выполнен из балок прямоугольного закрытого профиля, снабженного дополнительной внутренней перемычкой. К перемычке крепится передняя обшивка, которая составлена из двух трехслойных панелей. Между панелями помещен слой экранно-вакуумной теплоизоляции. Наружная панель изготовлена из углепластика, а внутренняя панель - из алюминиевого сплава. Внутри сотового заполнителя внутренней панели пропущены тепловые трубы для отвода тепла от приемо-передающих блоков.

Технический результат этих изобретений предполагалось получить путем обеспечения высокой геометрической стабильности ФАР при небольшой массе секции антенны и всего КА. Недостатком является необходимость использования сложных механизмов раскрытия антенно-фидерных устройств, обеспечивающих заданную конфигурацию (в том числе, параметры неплоскостности) излучающих полотен ФАР, радиационных теплообменников, которые связаны с другими термоплатами, размещенными внутри КА, что существенно увеличивает массо-габаритные характеристики аппаратуры.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в реализации автономности системы обеспечения тепловых режимов (СОТР) АФАР от СТР КА при поддержании температурных режимов электрорадиоэлементов из состава АФАР в условиях эксплуатации РСА со сверхмощным потреблением и пиковым тепловыделением при многократных повторно-кратковременных сеансах радиолокационной съемки земной поверхности. При этом должны сохраняться параметры неплоскостности антенного полотна АФАР, непосредственно влияющие на уровень информационных характеристик РСА и КА ДЗЗ в целом.

Для достижения данного технического результата предлагается АФАР КА ДЗЗ, содержащая выполненную в форме прямоугольной рамы корпусную часть с поперечными силовыми элементами и модули АФАР КА ДЗЗ.

Каждый из модулей АФАР содержит микрополосковые излучатели, образующие единое полотно, двустороннюю тепловую сотопанель (ТСП), приемо-передающие модули (ППМ), размещенные на первой стороне ТСП, обращенной к внутренней поверхности полотна микрополосковых излучателей, и тепловые трубы, пропущенные внутри ТСП. При этом в состав каждого модуля АФАР КА ДЗЗ дополнительно введены: модуль формирования и оцифровки сигнала (МФОС), приемо-передающее устройство (ППУ) и вторичные источники электропитания (ИПВт), установленные на второй стороне ТСП, а также групповые источники электропитания (ИПГ), размещенные на первой стороне ТСП. Модули АФАР КА ДЗЗ размещены в проемах корпусной части АФАР КА ДЗЗ таким образом, чтобы полотна микрополосковых излучателей модулей АФАР КА ДЗЗ образовывали единое общее полотно микрополосковых излучателей всей АФАР КА ДЗЗ. На наружные поверхности полотен микрополосковых излучателей и корпусов ППМ, МФОС, ППУ, ИПГ и ИПВт нанесены диэлектрические терморегулирующие покрытия (ТРП) со степенью черноты причем для ТРП полотен микрополосковых излучателей значение коэффициента поглощения солнечной радиации As≤0,23.

Как частный случай исполнения, АФАР КА ДЗЗ неподвижно и жестко закреплена на раме КА ДЗЗ, при этом торцы корпусной части и общего полотна микрополосковых излучателей всей АФАР КА ДЗЗ, а также корпусная часть АФАР, обращенная к корпусу КА ДЗЗ и примыкающая к раме КА ДЗЗ, закрыты экранно-вакуумной тепловой изоляцией вместе с рамой КА ДЗЗ.

АФАР может быть закреплена на раме КА с помощью болтового соединения корпусной части АФАР с рамой КА ДЗЗ.

Микрополосковые излучатели могут быть установлены с помощью элементов крепления на первой стороне тепловой сотопанели.

В конструкцию модулей формирования и оцифровки сигнала может быть введен глубокоинтегрированный диэлектрический композиционный, формоустойчивый фазопереходный материал с высокой скрытой теплотой фазовых превращений при многократных переходах его из твердого в жидкое состояние и обратно, сообщающийся с окружающей средой.

В состав тепловой сотопанели каждого модуля АФАР КА ДЗЗ могут быть дополнительно введены закладные элементы с отверстиями (втулками), а соединение тепловой сотопанели с корпусной частью АФАР КА ДЗЗ может быть обеспечено с помощью вставляемых во втулки шпилек с резьбой.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами и графиками, представленными на фиг. 1-7.

На фиг. 1 показана конструкционно-компоновочная схема радиолокатора с синтезированной апертурой с активной фазированной антенной решеткой.

На фиг. 2 приведена компоновочная схема антенного модуля АФАР.

На фиг. 3 представлен общий послойный вид составных частей антенного модуля АФАР.

На фиг. 4 изображен вид антенного модуля АФАР со стороны корпусной части АФАР.

На фиг. 5 представлен вид антенного модуля АФАР со стороны излучающей поверхности.

На фиг. 6 представлен график изменения температуры АФАР при функционировании радиолокатора.

На фиг. 7 приведены графики изменения температур на отдельных элементах АФАР при функционировании радиолокатора.

Тепловые процессы, происходящие в конструкции АФАР в сеансах радиолокационной съемки и в более длительных паузах между ними, носят нестационарный характер, соответственно, к ним можно применять закономерности теории регулярного теплового режима [Г.Н. Дульнев. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре, М. «Высшая школа», 1984, стр. 166-172]. Если в первом приближении допустить, что регуляризация температурного поля по конструкции АФАР наступает с начального момента времени τ=0, то скорость изменения логарифма избыточной температуры будет одинакова для всех точек системы тел, а темп m[1/с] охлаждения (нагревания) при конечном значении коэффициента теплоотдачи а пропорционален произведению площади внешней поверхности F [м²] тела на α[Вm/м²⋅К] и обратно пропорционален полной теплоемкости тела:

где Ψ - коэффициент неравномерности температурного поля;

С [Дж/кг⋅К] - удельная теплоемкость;

ρ [кг/м³] - плотность;

V [м³] - объем тела;

М [кг] - масса тела.

Учитывая, что поле температур, возникающее на поверхности ТСП при работе активных источников энергии, установленных на ней, сглаживается из-за высокой тепловой проводимости встроенных в нее ТТ, в первом приближении принимаем, что величина Ψ=1.

Тепловыми средствами пассивного типа, обеспечивающими допустимые температуры ЭРИ, используемыми в предлагаемом устройстве, являются:

- тепловые аккумуляторы (ТА), интегрированные в конструкцию теплонагруженных устройств;

- тепловые сотопанели, установленные в конструкцию АФАР;

- терморегулирующие покрытия, наносимые на поверхности микрополосковых излучателей и приборов из состава АФАР;

- специальные элементы крепления, соединяющие корпусную часть с секциями тепловой сотопанели, и теплоизолированные со сторон корпусной части и тепловой сотопанели;

- упругие диэлектрические теплопроводящие прокладки с высокой теплопроводностью, заполняющие зазоры и полости, имеющиеся между составными частями конструкции антенной решетки.

Для обеспечения допустимого нагрева конструкции АФАР за время сеанса радиолокационной съемки величина темпа охлаждения (нагревания) m должна быть выбрана, исходя из допустимых значений предельных рабочих температур всех ЭРИ из состава электронных приборов. Величина αF (числитель в формуле (1)) в составе многих тел в системе является тепловым коэффициентом, и возможность его подбора в условиях отсутствия конвективного теплообмена в вакууме ограничена.

Для снижения темпа (скорости) изменения температуры отдельных составных частей антенной решетки наиболее эффективными тепловыми средствами являются ТА, резко увеличивающие суммарную теплоемкость, глубоко интегрированные в конструкцию отдельных наиболее теплонагруженных устройств. В качестве рабочих тел ТА использованы диэлектрические композиционные фазопереходные материалы (ФПМ), состоящие из плавкого наполнителя и полимерной основы (эластомера). В качестве полимерной основы использован этиленпропиленовый каучук с вулканизирующей группой, плавкий наполнитель - парафин П-2. При многократных переходах из твердого состояния в жидкое, и обратно, наполнитель не вытекает из упомянутой основы после расплавления и пребывания в жидком состоянии (патент Российской Федерации №2306494).

Эффект от введения в состав конструкций теплонагруженных блоков можно оценить на примере оценки суммарной эффективной теплоемкости ФПМ, размещаемого в конструкции МФОС, входящего в состав каждой секции АФАР. Для этой цели используется энтальпийный метод решения так называемой задачи Стефана с особым граничным условием на границе раздела твердой и жидкой фаз ФПМ. [Алексеев В.А. Основы проектирования тепловых аккумуляторов космических аппаратов. Монография. - Курск: Науком, 2016. - 248 с., ил. (стр. 155-160)].

Суммарная теплоемкость массы конструкции модуля с размещенным внутри его фазопереходным рабочим телом ВТА-55М ТУ 1-595-28-916-2006, у которого в качестве плавкого заполнителя используется парафин П-2 с температурой плавления в диапазоне 53÷55°С, представляется в виде:

где С_констр, - соответственно, удельные теплоемкости массы конструкции без ФПМ, твердой и жидкой фаз ФПМ;

r - скрытая теплота фазовых превращений рабочего тела;

ΔТ_кр. - перепад температур в слое ФПМ в зоне фазового перехода.

Принимая типовые значения:

М_{констр.} = 2,25 кг, m_ФПМ = 0,25 кг; С_констр = 900 Дж/кг⋅К;

r = 117000 Дж/кг;

ΔТкр. = 55°С-53°С = 2°С = 2 К,

имеем следующую оценку:

- суммарная теплоемкость массы МФОС без ФПМ:

С_{констр.}⋅М_{констр.} = 900×2,25 = 2025 Дж/К;

- суммарная эффективная теплоемкость массы МФОС с интегрированным в его конструкцию ФПМ:

(С⋅М)_эф. = 2025+(1400+3500+117000/2)⋅0,25 = 17875 Дж/К.

Отсюда, отношение суммарных теплоемкостей МФОС при наличии ФПМ и при его отсутствии составляет величину:

т.е., в соответствии с (1), темп нагрева т модуля МФОС с внедренным в его состав фазопереходным рабочим телом уменьшается примерно в 8,8 раза по сравнению с конструкцией МФОС с той же массой, но без ФПМ. Эти данные учитываются при расчете теплового режима всех составных частей АФАР.

Количество массы ФПМ в МФОС подбирается таким образом, чтобы темпы нагрева других приборов и устройств, размещаемых на ТСП внутри АФАР, были близки друг к другу, так как такое решение позволяет определить поля температур под их установочными поверхностями. При этом руководствуются теми ограничениями, которые диктуются и закономерностью регулярного режима, представленного в формуле (1), где величина αF выражает все тепловые связи с соседними телами, а член (С⋅М) - полную теплоемкость исследуемого тела.

С целью приведения в соответствие теплового баланса тел, содержащих ФПМ, с остальными составными частями АФАР используется энтальпийный (теплоемкостный) метод расчета, с помощью которого уравнение теплового баланса для термоаккумулирующего состава (ТАС) с ФПМ сводится к дифференциальному уравнению 1-го порядка в зависимости от времени, что позволяет учесть тепловой эффект от фазовых превращений плавящегося рабочего тела в тепловом балансе АФАР.

Другими эффективными тепловыми средствами пассивного типа для обеспечения теплового режима служит установленная внутри секции АФАР автономная ТСП, в состав которой входят аксиальные ТТ, выравнивающие тепловые поля по поверхностям ТСП, на которой снизу и сверху установлены радиоэлектронные приборы и блоки, и, тем самым, улучшая необходимые геометрические параметры неплоскостности излучающей поверхности каждой секции антенной решетки, жестко контактирующей с рамой К А.

При этом ТСП со встроенными в ней ТТ соединены с жесткой корпусной частью КЧ антенной решетки с помощью введенных в ее состав закладных элементов (втулок) по всему контуру каждой ТСП, а вставляемые в них шпильки теплоизолированы друг от друга, тем самым способствуя сохранению требований по плоскостности излучающего полотна АФАР.

Следующими эффективными тепловыми средствами являются терморегулирующие покрытия ЭКОМ-1 и ЭКОМ-2, первое из которых наносится на наружную поверхность микрополоскового излучателя, обращенного в открытый космос. При этом покрытие ЭКОМ-1 имеет повышенные показатели степени черноты ε≥0,9 и низкое значение коэффициента поглощения солнечной радиации A_s (с начальной величиной A_s=0,15 (через пять лет эксплуатации КА на орбите A_s=0,23)), что не хуже, чем у таких, как ТР-со-ЦМ, ТО-со-12, К-208С, и лучше, чем у традиционных АК-512 и АК-573. Применение терморегулирующего покрытия ЭКОМ-1 приводит к тому, что наружные поверхности полотна микрополосковых излучателей АФАР одновременно выполняют функции радиационного теплообменника.

Покрытие ЭКОМ-2 наносится на поверхности приборов, размещенных внутри конструкции АФАР, которые непосредственно не подвергаются воздействию солнечных лучей. Такое покрытие увеличивает интенсивность теплообмена за счет радиационного механизма, оно отличается высокими диэлектрическими характеристиками и одновременно необходимым значением степени черноты ε≥0,9.

Наряду с перечисленными средствами в местах крепления составных частей конструкции, требующих хорошего контакта друг с другом, введены упругие пасты и компаунды, например, паста 131-179 ТУ6-02-1-342-86, которая работоспособна в вакууме.

С учетом вышеизложенного, при расчете полей температур составных частей АФАР применяется метод тепловых балансов, широко используемый в космической технике. При этом конструкция разбивается на n изотермических узлов. Затем задаются их массы, теплоемкости и внутренние тепловыделения, а между узлами - тепловые связи. Каждому из узлов ставятся в соответствие одна или несколько поверхностей, между которыми происходит лучистый теплообмен и кондукция между отдельными узлами. Задаются коэффициенты A_S и ε, термические сопротивления между составными конструкциями, величины тепловых потоков, падающих на наружную поверхность микрополосковых излучателей, обращенную в космос, и других тепловых потоков. Затем составляются уравнения теплового баланса каждого узла составных частей АФАР в целом с заданием начальных условий. Далее находятся температуры всех расчетных узлов. В целом обеспечение тепловых режимов составных частей АФАР основано на следующей тепловой схеме: активные тепловыделяющие элементы (ЭРИ) - корпус блока - ТСП с ТТ - наружная поверхность полотна микрополосковых излучателей с нанесенным терморегулирующим покрытием - наружная среда в открытом космосе с заданием тепловых потоков от Солнца, Земли и аэродинамических потоков на начальных участках выведения КА на орбиту.

Результаты расчетов температурных полей АФАР, экспериментально подтвержденные испытаниями габаритно-массового центровочного теплового макета (ГМЦТМ) бортовой аппаратуры радиолокатора в термовакуумной камере с имитацией солнечных и земных тепловых потоков, с тепловым аккумулятором (ТА) в составе электронного модуля МФОС с расчетными параметрами, приведенными в рассмотренном примере (см. соотношения (2) и (3)), показали, что при 10-минутном сеансе работы на 1-м витке полета и снижения нагрева МФОС, других приборов и неравномерности температурного по ТСП позволило уменьшить нагрев системы в (1,5÷2) раза и одновременно обеспечить требования по плоскостности по поверхности микрополосковых излучателей до требуемых значений 0,2 мм/(200×200) мм².

Рассмотрим пример конструкции АФАР, практически реализующей предлагаемое изобретение.

Конструкционно-компоновочную схему рассматриваемого варианта радиолокатора структурно можно разделить на две составляющие - антенную подсистему (АФАР) и комплект приборов управления работой антенной подсистемы (см. фиг. 1).

В состав приборов управления входят:

- входной коммутатор питания (КП) (1);

- формирователь опорных и тактовых частот (ФОТЧ) (2);

- вычислитель (3).

Все приборы управления компактно размещены и закреплены на несущей термоплате (4). Термоплата (4) подключается к сети гидротрубопроводов из состава СОТР КА и обеспечивает температуру в местах установки приборов управления от - 10°С до +45°С к моменту включения и во время работы аппаратуры РСА, и от - 50°С до +40°С в нерабочем состоянии. Термоплата (4) с установленными на ней приборами управления крепится на несущей корпусной части (5) антенной подсистемы со стороны, противоположной излучающей поверхности (6) АФАР. При установке на КА (7) термоплата (4) с приборами управления размещается в закрытом объеме, ограниченном рамой крепления (8) бортовой аппаратуры радиолокатора к КА (7).

Конструкция АФАР представляет собой набор из 18 антенных модулей (9) АФАР, собранных на несущей корпусной части (5) и образующих единое излучающее антенное полотно (10) АФАР (см. фиг. 2) с постоянным шагом излучателей по ортогональным осям 25 и 28 (мм) и общими размерами между центрами крайних излучателей 1575×4004 (мм).

Компоновочная схема антенного модуля (9) АФАР изображена на фиг. 2.

Антенный модуль (9) АФАР собирается на базе четырех подрешеток.

Подрешетка формируется из полотна (10) микрополосковых излучателей, состоящего из 8 излучающих линеек и 8 ППМ (11), содержащих по 2 приемопередающих канала. Для формирования сигналов рабочей поляризации используется набор из 4 ППМ, т.е. 8 приемопередающих каналов. Соответственно, набор из 8 ППМ обеспечивает функционирование подрешетки АФАР на обеих рабочих поляризациях (горизонтальной или вертикальной). Подрешетки являются базовым элементом антенного модуля (9) АФАР и монтируются на ТСП (12) модуля. Каждая излучающая линейка содержит 16 излучающих элементов квадратной формы и имеет две системы СВЧ питания (для вертикальной и горизонтальной поляризации), построенных по параллельной схеме. Излучающие линейки и системы СВЧ питания выполняются по микрополосковой технологии.

АФАР закрыта штатной теплоизоляцией (ЭВТИ) (13) КА (фиг. 1), за исключением излучающей поверхности (6) АФАР, которая обращена в открытое космическое пространство и подвергается воздействию внешних тепловых потоков от Солнца, Земли или других небесных тел. Поддержание температуры элементов антенной подсистемы не ниже допустимой происходит за счет функционирования активной подсистемы обогрева, электропитание которой осуществляется от служебного источника в составе КА.

Несущая корпусная часть (5) АФАР выполнена из профильного алюминиевого сплава, оснащена элементами крепления 18-ти антенных модулей (9) АФАР и других составных частей аппаратуры радиолокатора. Конструкция корпусной части (5) обеспечивает в условиях эксплуатации аппаратуры радиолокатора необходимые точностные геометрические параметры излучающей структуры АФАР. Для уменьшения теплового взаимовлияния антенных модулей (9) АФАР и корпусной части (5) конструкция элементов крепления модулей обеспечивает минимальную площадь контакта между антенными модулями (9) АФАР и корпусной частью (5), и выполнена с применением титанового сплава, имеющего низкую теплопроводность. При этом конструкция элементов крепления позволяет парировать взаимные перемещения несущих панелей активных антенных модулей (9) и корпусной части (5), вызванные их деформациями тепловые расширения, что обеспечивает необходимые геометрические параметры излучающей поверхности (6) АФАР в условиях эксплуатации аппаратуры радиолокатора.

Конструкция базового элемента АФАР - антенного модуля (9) АФАР представляет собой послойную сборку составных частей, формирующих модуль на несущей ТСП (12). Габариты антенного модуля (9) АФАР 447×799×220 (мм), масса 22 кг. Общий послойный вид составных частей антенного модуля (9) АФАР изображен на фиг. 3, на которой цифрами обозначены:

6 - излучающая поверхность;

10 - полотно микрополосковых излучателей;

11 - приемопередающий модуль (ППМ) (32 шт.);

12 - тепловая сотопанель (ТСП);

14 - блок управления (БУ) ППМ (4 шт. );

15 - групповой источник питания (ИПГ) (4 шт. );

16 - стойки крепления полотен микрополосковых излучателей;

17 - модуль формирования и оцифровки сигнала (МФОС);

18 - приемопередающее устройство (ППУ);

19 - вторичный источник питания (ИПВт).

ТСП (12) выполнена в виде трехслойной плоской пластины прямоугольной формы размерами 799×447 (мм). Суммарная толщина трехслойного пакета 13,4 мм, масса ТСП 3,8 кг. Несущие слои ТСП (12) выполняются из листа сплава В95 с покрытием Хим. Окс. Э, в качестве заполнителя используются алюминиевые соты марки 2.75-5056-23П ТУ-569-486-2009. Соединение несущих слоев и сотового заполнителя осуществляется посредством пленочного клея ВК-57 по ТУ 1-596-468-2010. ТСП (12) оснащена сквозными монтажными отверстиями и закладными элементами крепления (сплав Д16) составных частей антенного модуля (9) и самого модуля (9) в составе АФАР.

ТСП (12) обеспечивает неравномерность температурного поля поверхности под установку составных частей модуля не более 10°С. Это достигается за счет применения в конструкции ТСП аксиальных тепловых труб (сплав АД31). Теплоноситель в тепловых трубах - аммиак.

Архитектура построения конструкции антенного модуля (9) АФАР представлена на фиг. 4, на которой изображен вид со стороны корпусной части (5), а со стороны излучающей поверхности (6) - на фиг. 5.

На фиг. 4 и 5 показано, что на ТСП (12) с одной стороны устанавливаются субблоки излучающей структуры и формирования аналогового СВЧ - сигнала. Непосредственно на ТСП (12) крепятся 32 двухканальных ППМ (11) и 4 ИПГ (15) для них. На каждую группу из восьми ППМ (11) с плотным контактом через теплопроводящую пасту (20) 131-179 ТУ6-02-1-342-86 (см. фиг. 2) устанавливаются 4 БУ (14) ППМ. Последним, верхним, слоем на стойках (16) крепятся 4 платы, составляющие полотно (10) микрополосковых излучателей антенного модуля (9) АФАР общей площадью S=0,357 м². Величина зазоров между внутренней (обращенной к ТСП (12)) поверхностью полотна (10) микрополосковых излучателей и блоками управления (14), а также между упомянутой поверхностью полотна (10) микрополосковых излучателей и групповыми источниками питания (15) составляет, соответственно, δ1 = 1 мм и δ2 = 2 мм. Полотно (10) микрополосковых излучателей выполнено из нескольких слоев фольгированного диэлектрика R0 4350В суммарной толщиной 4,85 мм, имеет габариты 447×199 (мм) и массу 0,8 кг. Полотно (10) микрополосковых излучателей оснащено врубными коаксиальными переходами типа 19S104-40M Е4 Rosenberg и посредством 64-х адаптеров (21) (см. фиг. 2) типа 19К115-КО ОЕ4 (L=19,40 мм) подключаются в центральной зоне к 32 ППМ (11), обеспечивая связь по ВЧ цепям минимальной длины. Помимо этого, адаптеры (21), в определенной мере, осуществляют кондуктивный теплообмен между ППМ (11) и полотном (10) микрополосковых излучателей.

Для обеспечения эффективной теплопередачи от ТСП (12) и закрепленных на ней блоков к полотну (10) микрополосковых излучателей, корпуса блоков, свободная от них поверхность ТСП и обращенная к ТСП поверхность полотна (10) микрополосковых излучателей имеют лакокрасочное покрытие ЭКОМ-2 с показателем степени черноты ε≥0,9.

На другой стороне ТСП (12) размещены: ППУ (18), ИПВт (19), МФОС (17) с повышенным тепловыделением, в состав которых входят ТА с формоустойчивым рабочим телом.

Установочные поверхности всех блоков из состава антенного модуля (9) АФАР, крепящихся непосредственно на ТСП (12), являются поверхностями теплосъема. Для обеспечения эффективного кондуктивного теплообмена их установочные поверхности выполнены с неплоскостностью, не превышающей величину 0,2/200×200(мм), а установка на ТСП (12) производится с применением теплопроводящей пасты 131-179 ТУ6-02-1-342-86.

На фиг. 5 представлен вид конструкции антенного модуля (9) АФАР со стороны излучающей поверхности (6) полотна (10) микрополосковых излучателей с вырезом по глубине, где показаны места установки ИПГ (15), ППМ (11) и БУ (14). В отличие от других составных частей антенного модуля (9) АФАР, наружная поверхность полотна (10) микрополосковых излучателей имеет терморегулирующее покрытие ЭКОМ-1 с показателями степени черноты ε ≥ 0,9 и с начальной величиной коэффициента поглощения солнечной радиации As = 0,15 (через пять лет эксплуатации As = 0,23).

Функционирование АФАР в сеансе радиолокационной съемки происходит следующим образом.

После включения приборов и блоков, установленных на ТСП (12), электрорадиоэлементы, размещенные на многослойных печатных платах кассет из алюминиевых сплавов, например, двутаврового сечения, передают рассеиваемую ими мощность через нижнее основание кассеты теплопроводностью и частично излучением на ТСП (12), обычно с использованием теплопроводящих прокладок с требуемой контактной теплопроводностью между приборами и ТСП (12). Далее, тепловые трубы, входящие в состав ТСП (12), уменьшают неравномерность температурного поля, т.е. стабилизирует ее температуру, при которой влияние локальных нагревов приборов сводится до требуемого уровня, например, (5-10)°С. Корпусная часть (5), обладая большой массой и высокой теплопроводностью, закрытая снаружи ЭВТИ (13), практически не реагирует на неравномерность температурного поля по уже термостабилизированной ТСП (12), поэтому мощность, рассеиваемая приборами во время кратковременного сеанса съемки, практически не будет влиять на неплоскостность полотна (10) микрополосковых излучателей, закрепленного на жесткой корпусной части (5). Диссипированная тепловая энергия передается кондукцией (теплопроводностью) и излучением составных частей конструкции АФАР через полотно (10) микрополосковых излучателей, состоящее из четырех слоев, к наружному слою излучающего полотна, с которого она сбрасывается в открытый космос, преимущественно в паузах между повторными включениями АФАР.

Полезная часть мощности, потребляемой ППМ (11), через элементы СВЧ-питания и антенное полотно излучается в пространство в виде зондирующего сигнала радиолокатора.

На наружную поверхность полотна (10) микрополосковых излучателей в открытом космосе действуют тепловые потоки от Солнца и Земли как во время режимов радиолокационной съемки в сеансах работы, так и в паузах между ними. На его поверхности нанесено покрытие с низкой величиной коэффициента поглощения солнечной радиации (As < 0,3) и высокой степенью черноты ε > 0,9. Мощность, рассеиваемая ЭРИ, за короткое время сеанса радиолокационной съемки не успевает дойти до излучающей поверхности (6), так как на своем пути она сначала аккумулируется массой конструкции с интегрированными в нее дополнительными тепловыми средствами, в том числе, и формоустойчивым фазопереходным материалом с высокой теплоаккумулирующей способностью. При фиксированных орбитах полета и временных периодах года скорость нагрева составных частей АФАР за период сеанса остается практически постоянной при заданной тепловой нагрузке и выходит на квазистационарный режим обычно за 7÷8 витков. При этом имеет значение начальное тепловое состояние АФАР, так как от начальной температуры системы отсчитывается допустимая величина нагрева массы конструкции составных частей АФАР.

В составе служебных систем КА предусмотрена система регулируемого обогрева АФАР (нагреватели (22), см. фиг. 2), которая в случае перехода КА в неориентируемое положение и при выходе из него обеспечивает температуру составных частей не ниже допустимой в выключенном ее состоянии и не ниже -10°С к моменту проведения очередного сеанса радиолокационной съемки.

Для того чтобы реально обеспечить необходимые кондуктивные тепловые связи, являющиеся многозвенными, последовательно и параллельно связанными между собой, и обеспечивающие допустимые температуры конкретных ЭРИ и температурных полей по составным частям конструкции в целом, расчетно-экспериментальными методами подобраны дополнительные тепловые средства с оптимальными теплоаккумулирующими свойствами ФПМ и тепловых труб в составе ТСП и другими теплопроводящими элементами между ними, глубоко интегрированные в конструкцию АФАР.

Диссипированная энергия от работающих приборов и блоков частично доходит до излучающей поверхности (6) полотна (10) микрополосковых излучателей, а затем сбрасывается в открытое космическое пространство. Для описываемой здесь конструкции АФАР в составе КА при орбитальном полете суммарная продолжительность сеанса съемки на каждом витке в нашем случае ограничена 10-ю минутами при потребляемой мощности до 8500 Вт. Эти значения параметров ограничиваются массо-габаритными характеристиками, располагаемыми источниками электропитания КА, допустимым нагревом ЭРИ, неплоскостностью поверхности излучающего полотна, зависящего от температурного состояния составных частей активной антенной решетки.

На фиг. 6 представлены результаты 3^х-суточных тепловых испытаний при имитации внешних тепловых воздействий на ГМЦТМ бортовой аппаратуры радиолокатора с АФАР при размещении его в термовакуумной камере (ТВК).

По условиям проведения испытаний длительность активной работы АФАР за время, соответствующее длительности одного витка КА вокруг Земли, составляла 10 минут; при этом за сутки реализуется примерно 16-17 витков полета вокруг Земли. За время сеанса радиолокационной съемки и последующей паузы температура АФАР во времени изменяется циклическим образом. Из фиг. 6 видно, что квазистационарный температурный режим АФАР достигается после 7-8 витков; (на фиг. 6 каждому рабочему витку соответствует локальный максимум температуры). При этом изменения температуры при нагреве и охлаждении АФАР имеют экспоненциальный характер, но со снижением темпа нагрева в окрестности температур фазового перехода рабочего тела. Максимальные значения температуры зависят от величины мощности, рассеиваемой приборами, и поглощенных тепловых потоков, и носят практически линейный характер относительно времени работы АФАР. В паузах между сеансами - такой же закон, но со снижением темпа охлаждения в диапазоне температур фазового перехода плавкого наполнителя в тепловом аккумуляторе с формоустойчивым теплоаккумулирующим материалом. Нелинейный характер изменения температуры наблюдается только при изменении тепловых потоков в начальных его стадиях. Иначе ведет себя излучающее полотно микрополосковых излучателей, температура которого в зависимости от времени носит преимущественно линейный характер, но отличается от него в те моменты времени, когда меняются внешние тепловые потоки, температура ТСП с установленными на них работающими или выключенными приборами, имеющими тепловую связь с излучающим полотном.

На фиг. 7 для наблюдения за характером изменения температур приведены данные отдельного фрагмента цикла работы (из 3-х витков), которые подтверждают наши рассуждения. Дополнительно здесь же представлена температура силовой корпусной части АФАР, в которую вмонтирована ТСП, а сама корпусная часть жестко крепится к кронштейну КА с помощью болтового соединения. Если учесть, что допустимые температуры всех ЭРИ, входящих в состав активных составных частей АФАР, находятся в пределах от 85°С до 125°С, а по результатам экспериментов не достигнуто и 60°С, то этот факт является подтверждением решения поставленной задачи.

Таким образом, из описания следует, что заявляемая конструкция АФАР КА ДЗЗ обеспечивает реализацию автономности СОТР АФАР от СТР КА при поддержании температурных режимов электрорадиоэлементов из состава АФАР в условиях эксплуатации РСА со сверхмощным потреблением и пиковым тепловыделением при многократных повторно-кратковременных сеансах радиолокационной съемки земной поверхности. При этом одновременно сохраняются параметры неплоскостности антенного полотна АФАР, непосредственно влияющие на уровень информационных характеристик РСА и КА ДЗЗ в целом.

Изобретение относится к космической технике. Активная фазированная антенная решетка (АФАР) представляет собой набор сегментов (модулей), размещенных в проемах корпусной части АФАР, выполненной в виде прямоугольной рамы с поперечными силовыми элементами. Каждый модуль АФАР содержит микрополосковое антенное полотно, набор приемо-передающих модулей, блоки питания и управления, устройства формирования, приема и оцифровки радиолокационного сигнала. Все электронные блоки модуля АФАР размещены на тепловой сотопанели, выполняющей функции несущей конструкции модуля АФАР. Конструктивное выполнение модулей АФАР позволяет использовать антенное полотно АФАР во время сеансов радиолокационной съемки Земли и в перерывах между ними в качестве радиационного теплообменника. Техническим результатом изобретения является обеспечение независимости процесса функционирования АФАР от взаимодействия с системой терморегулирования космического аппарата (КА), т.е. в повышении степени автономности АФАР от систем КА. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Активная фазированная антенная решетка (АФАР) космического аппарата дистанционного зондирования Земли (КА ДЗЗ), содержащая выполненную в форме прямоугольной рамы корпусную часть с поперечными силовыми элементами и модули АФАР КА ДЗЗ, каждый из которых содержит микрополосковые излучатели, образующие единое полотно, двустороннюю тепловую сотопанель (ТСП), приемо-передающие модули (ППМ), размещенные на первой стороне ТСП, и тепловые трубы, пропущенные внутри ТСП,

отличающаяся тем, что в состав каждого модуля АФАР КА ДЗЗ дополнительно введены модуль формирования и оцифровки сигнала (МФОС), приемо-передающее устройство (ППУ) и вторичные источники электропитания (ИПВт), установленные на второй стороне ТСП, а также групповые источники электропитания (ИПГ), размещенные на первой стороне ТСП, при этом первая сторона ТСП обращена к внутренней поверхности полотна микрополосковых излучателей, модули АФАР КА ДЗЗ размещены в проемах корпусной части АФАР КА ДЗЗ таким образом, чтобы полотна микрополосковых излучателей модулей АФАР КА ДЗЗ образовывали единое общее полотно микрополосковых излучателей всей АФАР КА ДЗЗ, а на наружные поверхности полотен микрополосковых излучателей и корпусов ППМ, МФОС, ППУ, ИПГ и ИПВт нанесены диэлектрические терморегулирующие покрытия (ТРП) со степенью черноты причем для ТРП полотен микрополосковых излучателей значение коэффициента поглощения солнечной радиации As≤0,23.

2. Активная фазированная антенная решетка космического аппарата дистанционного зондирования Земли по п. 1, отличающаяся тем, что АФАР КА ДЗЗ неподвижно и жестко закреплена на раме КА ДЗЗ, при этом торцы корпусной части и общего полотна микрополосковых излучателей всей АФАР КА ДЗЗ, а также корпусная часть АФАР, обращенная к корпусу КА ДЗЗ и примыкающая к раме КА ДЗЗ, закрыты экранно-вакуумной тепловой изоляцией вместе с рамой КА ДЗЗ.

3. Активная фазированная антенная решетка космического аппарата дистанционного зондирования Земли по п. 2, отличающаяся тем, что АФАР закреплена на раме КА с помощью болтового соединения корпусной части АФАР с рамой КА ДЗЗ.

4. Активная фазированная антенная решетка космического аппарата дистанционного зондирования Земли по п. 1, отличающаяся тем, что микрополосковые излучатели установлены с помощью элементов крепления на первой стороне тепловой сотопанели.

5. Активная фазированная антенная решетка космического аппарата дистанционного зондирования Земли по п. 1, отличающаяся тем, что в конструкцию модулей формирования и оцифровки сигнала введен глубокоинтегрированный диэлектрический композиционный формоустойчивый фазопереходный материал с высокой скрытой теплотой фазовых превращений при многократных переходах его из твердого в жидкое состояние и обратно, сообщающийся с окружающей средой.

6. Активная фазированная антенная решетка космического аппарата дистанционного зондирования Земли по п. 1, отличающаяся тем, что в состав тепловой сотопанели каждого модуля АФАР КА ДЗЗ дополнительно введены закладные элементы с отверстиями (втулками), а соединение тепловой сотопанели с корпусной частью АФАР КА ДЗЗ обеспечено с помощью вставляемых во втулки шпилек с резьбой.