CN117411548A - 一种用于激光通信终端的空间信标组件 - Google Patents
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Abstract
一种用于激光通信终端的空间信标组件，包括相变储热器、信标激光器、扩束透镜、信标座、信标壳、激光器垫片、辅助散热片、保护电路板、加热片、热敏电阻、多层隔热组件。工作模式为间歇工作，依靠热容吸收激光器产生的热量，并保持工作期间温度不超出允许值，工作结束后通过辐冷板将热量散出。本发明具有热容大，工作时间长，指向稳定和可靠性高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及空间激光通信领域，特别是一种用于激光通信终端的空间信标组件，主要用于空间激光通信载荷的信标光发射。
背景技术
针对目前空间激光通信领域的快速发展，对空间激光通信载荷的要求朝着质量更轻、体积更小、功耗更低和可靠性更高的方向发展。信标组件作为现阶段激光通信载荷的主流配置，用于发射信标光，指引激光载荷进行扫描捕获，提升捕获成功率，缩短捕获时间。在完成捕获后，激光通信终端进入跟踪模式后，信标组件即可关闭进入待机模式。信标组件属于一种间隙工作模式的空间激光器组件。
信标组件通常跟随跟瞄系统安装在航天器舱外，面临着复杂的外热流环境和辐照环境。由于激光指向、发散角和波长的要求，整个组件在轨期间需要温度保持在15～35℃之间，处于随时可用的状态。在工作模式下，需要维持整体温度在35℃以下；在待机情况下需要对其加热控温，温度不低于15℃。
现阶段主要技术方案为信标组件和其他光机组件导热安装一同控温或隔热安装依靠结构热控进行控温或增大辐射散热面积等方式。此类方式共同的特点是未充分利用信标组件的间隙工作模式，造成质量、热耗、辐射散热面积等资源的浪费，不利于激光通信载荷向更小、更轻和功耗更低的方向发展。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种用于激光通信终端的空间信标组件，该空间信标组件结构紧凑，热容大，具有防静电和抗辐照能力。
本发明的技术构思是：基于空间信标组件的间歇工作模式，依靠热容吸收激光器产生的热量，并保持工作期间温度不超出允许值，工作结束后通过辐冷板将热量散出，恢复初始温度，来起到既满足工作期间温控要求，又降低了组件待机热耗，减轻了组件质量。
本发明的构成包括相变储热器、信标激光器、扩束透镜、信标座、信标壳、激光器垫片、辅助散热片、保护电路板、加热片、热敏电阻和多层隔热组件。其工作原理为：信标激光器四个一组安装在信标座上，信标激光器与信标座之间为激光器垫片，用以调节激光指向；扩束透镜安装在信标激光器前部的信标座镜筒中；辅助散热片粘贴在信标激光器壳体顶部和信标座上；保护电路板安装在信标座上，与激光器之间电线连接；加热片和热敏电阻安装在信标座上；相变储热器安装在信标座的两侧；.信标壳安装在信标座上，将信标激光器和保护电路板罩住，提供辐照保护，同时其表面粘贴有玻璃型二次表面镜，具有很低的吸辐比，可对外辐射散热；.多层隔热组件将除出光口和辐冷面外的其他表面包住，防止外热流的干扰。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于激光通信终端的空间信标组件，其特点在于，包括：
信标座，该信标座外形采用赋形设计与所述光学天线配合，内部设有供信标激光器并排放置的安装凸台面，该信标座的前端设有供扩束透镜组安装的信标座镜筒，该信标座镜筒和所述安装台凸台面平行；
多个信标激光器，该信标激光器固定安装在各安装凸台面上；
相变储热器，该相变储热器填充有相变材料，通过柔性安装方式固定在所述信标座的两侧外壁上，通过相变熔化潜能和结构热容来吸收信标激光器工作时产生的热量，保持在工作时间范围内，信标激光器温度始终在允许值之内；
多个激光器垫片，每个该激光器垫片设置于所述信标激光器和所述安装凸台面之间，通过修磨所述激光器垫片，调整信标激光的指向，从而使所述信标激光器的指向一致；
保护电路板，该保护电路板安装在所述信标座上，通过导线分别连接所述信标激光器，用于供电和静电保护；
扩束透镜组，由2个扩束透镜组成，同轴安装在所述信标座镜筒内；
加热片，贴附于所述信标座的底面；
信标壳，安装在所述信标座的顶部，用于将所述信标激光器和保护电路板罩住，从而提供辐照保护，该信标壳外表面粘贴有玻璃型二次表面镜，可对外辐射散热；
辅助散热片，呈Z字型，覆盖在所述信标激光器和信标座上，用于将所述信标激光器的热量传导至所述信标座；
热敏电阻，安装所述信标座的预开槽处，用于测量组件温度；
在非待机模式下通过加热片加热控制组件温度在15℃；工作时，加热片不加热，信标激光器的热量通过传导方式传到信标座、信标壳和相变储热器，一小部分(0.5W)通过信标壳散出，大部分(3.5W)被结构和相变储热器吸收，组件温度升高；工作结束后，存储的热量通过信标壳辐射到太空环境，组件温度下降，降到15℃后，加热片开始工作，维持15℃温度。
优选的，采用四个并排布置的信标激光器，保持各激光器指向一致，可在远场形成一个四倍能量的信标光斑，增强远场信标光强度。
本发明设计了信标扩束光路，调节光束直径和发散角，扩束镜使用光学环氧胶粘接在信标座镜筒中，扩束镜片为融石英材料。
本发明设计了信标光指向调节方法，采用铝合金薄垫片来调节激光器角度，从而调节激光光束指向，铝合金薄垫片厚度为1mm，调节时需要整面研磨，平面度优于0.01mm；相比于传统的多点安装调节，此方法可有效提升接触传热能力。
优选的，信标座采用6061-T651材料，具有优良的导热性、可加工性和长期尺寸稳定性；信标壳使用钨铜CuW85材料，具有优异的导热性和高密度，可在有限厚度内提供良好的辐照保护；
优选的，相变储热器填充十六烷(C14H34)，相变储热器与信标座之间采用柔性安装，柔性结构为环形卸载槽可避免相变过程中产生的变形对信标激光指向的影响；
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)热控的总体思路为设计组件辐射散热量低于工作热耗值，多余的热量在工作期间存储在结构和相变材料中，工作结束后辐射散出，可有效降低待机模式下的补偿热耗。热控方式为在非待机模式下通过加热片加热控制组件温度在15℃；工作时，加热片不加热，信标激光器的热量通过传导方式传到信标座、信标壳和相变储热器，一小部分(0.5W左右)通过信标壳散出，大部分(3.5W左右)被结构和相变储热器吸收，组件温度升高；工作结束后，存储的热量通过信标壳辐射到太空环境，组件温度下降，降到15℃后，加热片开始工作，维持15℃温度。在相同的信标工作时间要求下可以大幅降低待机热耗、组件重量和辐冷散热面积。
2)将保护电路板安装在信标座上，位于信标激光器后方，使用二级管提供反向电压保护能力，增强防静电能力，提高可靠性。
3)相变储热器和结构壳体采用柔性安装的方式，既保证良好的接触传导，又可避免相变组件微变形导致的激光指向变化。
4)采用抗辐照设计和防静电设计提升组件的可靠性。
5)具有热容大，工作时间长，指向稳定和可靠性高的特点。
附图说明
图1为本发明提供的一种用于激光通信终端的空间信标组件的立体视图；
图2为本发明提供的一种用于激光通信终端的空间信标组件的三视图；
图3为本发明提供的一种用于激光通信终端的空间信标组件的结构组成图；
图4为本发明提供的信标壳三视图；
图5为本发明提供的信标座三视图；
图6为本发明提供的相变储热器三视图；
图7为本发明提供的一种用于激光通信终端的空间信标组件的一种使用案例三视图；
图中：1—相变储热器；2—热敏电阻；3—信标壳；4—信标座；5—加热片；6—信标激光器；7—激光器垫片；8—辅助散热片；9—保护电路板；10—扩束透镜1；11—扩束透镜2。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
参阅图1～3，为本发明一种用于激光通信终端的空间信标组件的结构示意图。由图可见，本发明包括：相变储热器1；热敏电阻2；信标壳3；信标座4；加热片5；信标激光器6；激光器垫片7；辅助散热片8；保护电路板9；扩束透镜1 -10；扩束透镜2 -11。其装配关系如下：
信标座4作为整个组件的安装基础，四个信标激光器6安装在信标座4上，信标激光器6和信标座4之间为激光器垫片7，通过修磨激光器垫片7来调整信标激光的指向。辅助散热片8使用硅橡胶粘贴在信标激光器6的顶盖和信标座4上，实现信标激光器6的热量通过辅助散热片8传导到信标座4上。保护电路板9安装在信标座4上，通过导线与激光器连接，提供激光器的供电和静电保护。信标壳3安装在信标座4上，将信标激光器6和保护电路板9覆盖起来，为其提供结构和辐照保护。扩束透镜1和扩束透镜2安装在信标座4上的镜筒内，使用光学环氧胶粘接固定。相变储热器1安装在信标座4的两侧。热敏电阻2安装信标座4的预开槽处，测量组件温度，加热片5粘贴在信标座4的底部，为组件提供加热保温。
图4为本发明的信标壳3的三视图，信标壳3使用钨铜CuW85材料制作，具有优异的导热性和高密度，可在有限厚度内提供良好的辐照保护，对总剂量防护相当于5.5倍的铝合金厚度。信标壳3的外表面粘贴有玻璃型二次表面镜，具有很低的吸辐比，可对外进行辐射散热。
图5为本发明的信标座4的三视图，信标座4使用铝合金6061-T651材料，具有优良的导热性、可加工性和长期尺寸稳定性，设计上采用拱桥式结构，具有较高的结构刚度。
图6为本发明相变储热器1的三视图，壳体采用铝合金3D打印成型，内部为泡沫孔隙结构，孔隙率为0.8。内容填充十六烷(C14H34)相变材料。采用四个安装脚安装在信标座4的侧面，安装孔位周围为多层环形卸载槽，避免相变过程对信标座4产生应力，导致激光指向变化。
图7为本发明一种用于激光通信终端的空间信标组件的应用示例，空间信标组件安装在激光通信终端的光学天线上，与光学天线隔热安装，指向一致。空间信标组件扁平的结构形式对转动包络的影响降到最小。
本发明提供一种用于激光通信终端的空间信标组件，应用于空间激光通信领域，具有热容大、工作时间长、指向稳定、可靠性高和安装灵活的特点。
Claims (11)
1.一种用于激光通信终端的空间信标组件，其特征在于，包括：
信标座，该信标座外形采用赋形设计与所述光学天线配合，内部设有供信标激光器并排放置的安装台，该信标座的前端设有供扩束透镜组安装的信标座镜筒，该信标座镜筒和所述安装台平行；
多个信标激光器，该信标激光器固定安装在各安装台上；
相变储热器，该相变储热器填充有相变材料，通过柔性安装方式固定在所述信标座的两侧外壁上，通过相变熔化潜能和结构热容来吸收信标激光器工作时产生的热量，保持在工作时间范围内，信标激光器温度始终在允许值之内；
多个激光器垫片，每个该激光器垫片设置于所述信标激光器和所述安装台之间，通过修磨所述激光器垫片，调整信标激光的指向，从而使所述信标激光器的指向一致；
保护电路板，该保护电路板安装在所述信标座上，通过导线分别连接所述信标激光器，用于供电和静电保护；
扩束透镜组，由2个扩束透镜组成，同轴安装在所述信标座镜筒内；
加热片，贴附于所述信标座的底面；
信标壳，安装在所述信标座的顶部，用于将所述信标激光器和保护电路板罩住，从而提供辐照保护，该信标壳外表面粘贴有玻璃型二次表面镜，可对外辐射散热；
辅助散热片，呈Z字型，覆盖在所述信标激光器和信标座上，用于将所述信标激光器的热量传导至所述信标座；
热敏电阻，安装在所述信标座的预开槽处，用于测量组件温度。
2.根据权利要求1所述的一种用于激光通信终端的空间信标组件，其特征在于：在非待机模式下通过加热片加热控制组件温度在15℃：工作时，加热片不加热，信标激光器的热量通过传导方式传到信标座、信标壳和相变储热器，一小部分通过信标壳散出，大部分被结构和相变储热器吸收，组件温度升高；工作结束后，存储的热量通过信标壳辐射到太空环境，组件温度下降，降到15℃后，加热片开始工作，维持15℃温度。
3.根据权利要求1所述的一种用于激光通信终端的空间信标组件，其特征在于：采用四个并排布置的信标激光器，保持各激光器指向一致，可在远场形成一个四倍能量的信标光斑。
4.根据权利要求1所述的一种用于激光通信终端的空间信标组件，其特征在于：使用扩束镜组调节光束直径和发散角，来满足不同应用需求，扩束镜使用光学环氧胶粘接在信标座镜筒中，中间留有0.5mm直径放气孔。
5.根据权利要求1所述的一种用于激光通信终端的空间信标组件，其特征在于：所述激光器垫片为铝合金薄垫片，用来调节激光器角度，从而调节激光光束指向，铝合金薄垫片厚度为1mm，调节时需要整面研磨，平面度优于0.01mm。
6.根据权利要求1所述的一种用于激光通信终端的空间信标组件，其特征在于：所述信标座采用6061-T651材料，具有优良的导热性、可加工性和长期尺寸稳定性。
7.根据权利要求1所述的一种用于激光通信终端的空间信标组件，其特征在于：所述辅助散热片将信标激光器和信标座导热连接，辅助散热片和信标激光器顶壳以及信标座均使用GD414C硅橡胶粘接。
8.根据权利要求1所述的一种用于激光通信终端的空间信标组件，其特征在于：所述相变储热器填充的相变材料为十六烷(C14H34)。
9.根据权利要求1所述的一种用于激光通信终端的空间信标组件，其特征在于：相变储热器与信标座之间采用柔性安装，柔性结构为环形卸载槽。
10.根据权利要求1所述的一种用于激光通信终端的空间信标组件，其特征在于：所述保护电路板采用二级管，用于提供反向电压保护能力，增强防静电能力。
11.根据权利要求1所述的一种用于激光通信终端的空间信标组件，其特征在于：所述信标壳使用钨铜CuW85材料，具有优异的导热性和高密度，可在有限厚度内提供良好的辐照保护。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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