RU2738160C1 - Active phased antenna array of radar spacecraft for remote earth probing - Google Patents
Active phased antenna array of radar spacecraft for remote earth probing Download PDFInfo
- Publication number
- RU2738160C1 RU2738160C1 RU2019133187A RU2019133187A RU2738160C1 RU 2738160 C1 RU2738160 C1 RU 2738160C1 RU 2019133187 A RU2019133187 A RU 2019133187A RU 2019133187 A RU2019133187 A RU 2019133187A RU 2738160 C1 RU2738160 C1 RU 2738160C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- spacecraft
- afar
- ers
- apaa
- thermal
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
- B64G1/00—Cosmonautic vehicles
- B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Details Of Aerials (AREA)
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
Abstract
Description
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).The invention relates to space technology, namely, to the equipment of spacecraft (SC) intended for remote sensing of the Earth or other planets from spacecraft orbits using synthetic aperture radars (SAR).
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.The key element of SAR is the equipment that provides the emission of a high-power sounding signal and the reception of the signal reflected from the Earth's surface. Implementation of the antenna system and the SAR transceiver equipment in the form of an active phased antenna array (AFAR) makes it possible to obtain highly detailed radar images of the earth's surface. In this case, the AFAR is made in the form of flat rectangular sections mounted on the power body part (CS), which is rigidly suspended on the outer surface of the spacecraft using a bolted connection.
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.A specific feature of the APAR application as part of a high-resolution SAR is the session nature of the equipment functioning; at the same time, during a relatively short-term radar survey session, the power consumption of the AFAR can reach several tens of kilowatts. The main difficulties in the implementation of projects are associated with ensuring the thermal regime and maintaining the flatness of the AFAR radiating cloth during operation.
Изобретение предназначено для применения в бортовых радиолокаторах повторно-кратковременного действия со сверхмощным энергопотреблением в сеансах радиолокационной съемки, эксплуатируемых в составе КА дистанционного зондирования Земли.The invention is intended for use in on-board radars of intermittent action with super-powerful energy consumption in radar survey sessions operated as part of the Earth remote sensing spacecraft.
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.A device is known - a spacecraft (patent of the Russian Federation for invention No. 2198830), in which a thermal control system (STR) is used to dump heat into outer space, equipped with very complex thermal means: heat from energy sources is first transferred to thermoplates equipped with heat pipes (TT) placed inside the spacecraft, and the spent thermal energy is carried out outside the spacecraft onto other thermal boards that play the role of radiation heat exchangers (RTO), which sharply deteriorates the mass and size characteristics of the spacecraft and spacecraft as a whole. This RTS does not provide heat removal during repeated short-term shooting sessions and peak heat release of electrical radio products (ERP) inside the AFAR due to high thermal resistances between electrical radio elements and thermal means, but is designed to remove heat from the spacecraft for average daily or comparable time intervals.
Наиболее близкими к заявляемому техническому решению являются КА и секция антенной фазированной решетки, представленные в патенте Российской Федерации №2333139.Closest to the claimed technical solution are the spacecraft and the section of the phased array antenna, presented in the patent of the Russian Federation No. 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.The spacecraft described in the prototype includes a phased array antenna (PAR), made in the form of flat rectangular sections, each of which is equipped with a front skin placed on the frame. Onboard equipment (BA) of the spacecraft is fixed on the rear sides of flat equipment platforms installed on the rear side of the HEADLIGHTS section. At the stage of spacecraft injection into orbit, the HEADLIGHTS sections are folded parallel to each other with their front sides; solar panels are placed in the gap between them. After launching into flight orbit, the PAR sections are opened using a special mechanism. The transceiver units are located on the rear side of the front casing, and their emitters are located on its front side. Heat pipes are laid inside the front skin, connected with a device for removing heat into outer space.
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.The HEADLIGHT section contains a frame, a front skin, transceiver units and emitters. The section frame is made of closed rectangular beams equipped with an additional internal lintel. Attached to the lintel is the front paneling, which is composed of two three-layer panels. A layer of screen-vacuum thermal insulation is placed between the panels. The outer panel is made of CFRP and the inner panel is made of aluminum alloy. Heat pipes are passed inside the honeycomb core of the inner panel to remove heat from the transceiver units.
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.The technical result of these inventions was supposed to be obtained by ensuring high geometric stability of the phased array with a small mass of the antenna section and the entire spacecraft. The disadvantage is the need to use complex mechanisms for the deployment of antenna-feeder devices that provide a given configuration (including non-flatness parameters) of radiating HEADLIGHTS cloths, radiation heat exchangers, which are connected with other thermal boards placed inside the spacecraft, which significantly increases the mass-dimensional characteristics of the equipment.
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.The problem to be solved by the proposed invention is to implement the autonomy of the system for ensuring thermal modes (SOTR) of the AFAR from the SCR spacecraft while maintaining the temperature conditions of the electrical radio elements from the AFAR in the operating conditions of the SAR with super-power consumption and peak heat release during repeated repeated short-term sessions of radar imaging of the earth's surface. At the same time, the parameters of the non-planarity of the antenna cloth of the AFAR should be preserved, which directly affect the level of information characteristics of the SAR and ERS spacecraft as a whole.
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.To achieve this technical result, an AFAR ERS spacecraft is proposed, which contains a body part made in the form of a rectangular frame with transverse load-bearing elements and AFAR ERS spacecraft modules.
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 
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.As a special case of execution, the AFAR ERS spacecraft is motionless and rigidly fixed on the ERS spacecraft frame, while the ends of the hull part and the common web of microstrip emitters of the entire AFAR ERS spacecraft, as well as the AFAR body part facing the ERS spacecraft body and adjacent to the ERS spacecraft frame, closed with screen-vacuum thermal insulation together with the frame of the ERS spacecraft.
АФАР может быть закреплена на раме КА с помощью болтового соединения корпусной части АФАР с рамой КА ДЗЗ.AFAR can be fixed on the spacecraft frame by bolting the AFAR body part with the ERS spacecraft frame.
Микрополосковые излучатели могут быть установлены с помощью элементов крепления на первой стороне тепловой сотопанели.Microstrip emitters can be installed using fastening elements on the first side of the thermal honeycomb panel.
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.A deeply integrated dielectric composite, shape-stable phase transition material with a high latent heat of phase transformations during its multiple transitions from a solid to a liquid state and back, communicating with the environment, can be introduced into the design of the signal shaping and digitizing modules.
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.Embedded elements with holes (bushings) can be additionally introduced into the thermal honeycomb panel of each AFAR SC DZZ module, and the connection of the thermal honeycomb panel with the body part of the AFAR SC DZZ spacecraft can be provided using threaded studs inserted into the bushings.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами и графиками, представленными на фиг. 1-7.The invention is illustrated in the drawings and diagrams shown in FIG. 1-7.
На фиг. 1 показана конструкционно-компоновочная схема радиолокатора с синтезированной апертурой с активной фазированной антенной решеткой.FIG. 1 shows the structural layout of a synthetic aperture radar with an active phased array.
На фиг. 2 приведена компоновочная схема антенного модуля АФАР.FIG. 2 shows the layout diagram of the AFAR antenna module.
На фиг. 3 представлен общий послойный вид составных частей антенного модуля АФАР.FIG. 3 shows a general layered view of the components of the APAR antenna module.
На фиг. 4 изображен вид антенного модуля АФАР со стороны корпусной части АФАР.FIG. 4 shows a view of the antenna module AFAR from the side of the housing part of the AFAR.
На фиг. 5 представлен вид антенного модуля АФАР со стороны излучающей поверхности.FIG. 5 shows a view of the antenna module AFAR from the side of the emitting surface.
На фиг. 6 представлен график изменения температуры АФАР при функционировании радиолокатора.FIG. 6 shows a graph of the APAR temperature change during the operation of the radar.
На фиг. 7 приведены графики изменения температур на отдельных элементах АФАР при функционировании радиолокатора.FIG. 7 shows the graphs of temperature changes on individual AFAR elements during the operation of the radar.
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:Thermal processes occurring in the AFAR design in radar survey sessions and in longer pauses between them are of a non-stationary nature, accordingly, the laws of the theory of regular thermal regime can be applied to them [G.N. Dulnev. Heat and mass transfer in electronic equipment, M. "Higher school", 1984, pp. 166-172]. If, in the first approximation, we assume that the regularization of the temperature field according to the APAR design begins from the initial time moment τ = 0, then the rate of change of the logarithm of the excess temperature will be the same for all points of the system of bodies, and the rate m [1 / s] of cooling (heating) at the final the value of the heat transfer coefficient a is proportional to the product of the external surface area F [m 2 ] of the body by α [Bm / m 2 ⋅К] and is inversely proportional to the total heat capacity of the body:
где Ψ - коэффициент неравномерности температурного поля;where Ψ is the coefficient of unevenness of the temperature field;
С [Дж/кг⋅К] - удельная теплоемкость;C [J / kg⋅K] - specific heat capacity;
ρ [кг/м3] - плотность;ρ [kg / m 3 ] - density;
V [м3] - объем тела;V [m 3 ] - body volume;
М [кг] - масса тела.M [kg] - body weight.
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.Taking into account that the temperature field arising on the surface of the DFT during the operation of active energy sources installed on it is smoothed out due to the high thermal conductivity of the built-in CTs, in the first approximation we assume that the value Ψ = 1.
Тепловыми средствами пассивного типа, обеспечивающими допустимые температуры ЭРИ, используемыми в предлагаемом устройстве, являются:Thermal means of passive type, ensuring the permissible temperatures of ERI used in the proposed device, are:
- тепловые аккумуляторы (ТА), интегрированные в конструкцию теплонагруженных устройств;- heat accumulators (TA), integrated into the design of heat-loaded devices;
- тепловые сотопанели, установленные в конструкцию АФАР;- thermal honeycomb panels installed in the AFAR structure;
- терморегулирующие покрытия, наносимые на поверхности микрополосковых излучателей и приборов из состава АФАР;- thermoregulatory coatings applied to the surfaces of microstrip emitters and devices from the AFAR composition;
- специальные элементы крепления, соединяющие корпусную часть с секциями тепловой сотопанели, и теплоизолированные со сторон корпусной части и тепловой сотопанели;- special fastening elements connecting the hull part with the sections of the thermal honeycomb panel, and insulated from the sides of the body part and the thermal honeycomb panel;
- упругие диэлектрические теплопроводящие прокладки с высокой теплопроводностью, заполняющие зазоры и полости, имеющиеся между составными частями конструкции антенной решетки.- elastic dielectric heat-conducting gaskets with high thermal conductivity, filling the gaps and cavities between the components of the antenna array structure.
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.To ensure permissible heating of the AFAR structure during a radar survey session, the value of the cooling (heating) rate m should be selected based on the permissible values of the limiting operating temperatures of all ERIs from the composition of electronic devices. The value of αF (the numerator in formula (1)) in the composition of many bodies in the system is the thermal coefficient, and the possibility of its selection in the absence of convective heat transfer in vacuum is limited.
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).To reduce the rate (speed) of temperature change in individual components of the antenna array, the most effective thermal means are TA, which sharply increase the total heat capacity, deeply integrated into the design of the individual most heat-loaded devices. Dielectric composite phase transition materials (FPMs), consisting of a fusible filler and a polymer base (elastomer), were used as the working bodies of the TA. Ethylene-propylene rubber with a vulcanizing group was used as a polymer base, and a fusible filler was P-2 paraffin. With multiple transitions from a solid to a liquid state, and vice versa, the filler does not flow out of the said base after melting and staying in the liquid state (patent of the Russian Federation No. 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)].The effect of the introduction of heat-loaded blocks into the structure of structures can be estimated by the example of assessing the total effective heat capacity of the FPM placed in the structure of the MFOS, which is part of each section of the APAR. For this purpose, the enthalpy method of solving the so-called Stefan problem with a special boundary condition at the interface between the solid and liquid phases of the FPM is used. [Alekseev V.A. The basics of designing heat accumulators for spacecraft. Monograph. - Kursk: Naukom, 2016 .-- 248 p., Ill. (pp. 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:The total heat capacity of the mass of the module structure with the VTA-55M TU 1-595-28-916-2006 phase-transition working fluid placed inside it, in which P-2 paraffin is used as a fusible aggregate with a melting temperature in the range of 53 ÷ 55 ° C, is presented in form:
где Сконстр, 
r - скрытая теплота фазовых превращений рабочего тела;r - latent heat of phase transformations of the working fluid;
ΔТкр. - перепад температур в слое ФПМ в зоне фазового перехода.ΔТ cr. - temperature difference in the MTF layer in the phase transition zone.
Принимая типовые значения:Taking typical values:
Мконстр. = 2,25 кг, mФПМ = 0,25 кг; Сконстр = 900 Дж/кг⋅К;M design = 2.25 kg, m FPM = 0.25 kg; C design = 900 J / kg⋅K;
ΔТкр. = 55°С-53°С = 2°С = 2 К,ΔТcr. = 55 ° C-53 ° C = 2 ° C = 2 K,
имеем следующую оценку:we have the following estimate:
- суммарная теплоемкость массы МФОС без ФПМ:- total heat capacity of MFOS mass without FPM:
Сконстр.⋅Мконстр. = 900×2,25 = 2025 Дж/К; Constructed ⋅M Constr. = 900 × 2.25 = 2025 J / K;
- суммарная эффективная теплоемкость массы МФОС с интегрированным в его конструкцию ФПМ:is the total effective heat capacity of the MFOS mass with the FPM integrated into its design:
(С⋅М)эф. = 2025+(1400+3500+117000/2)⋅0,25 = 17875 Дж/К.(С⋅М) eff. = 2025+ (1400 + 3500 + 117000/2) ⋅0.25 = 17875 J / K.
Отсюда, отношение суммарных теплоемкостей МФОС при наличии ФПМ и при его отсутствии составляет величину:Hence, the ratio of the total heat capacities of MFOS in the presence of FPM and in its absence is:
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.i.e., in accordance with (1), the heating rate m of the MFOS module with the phase-transition working fluid introduced into its composition decreases by about 8.8 times compared to the MFOS design with the same mass, but without the FFM. These data are taken into account when calculating the thermal regime of all components of the APAR.
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.The amount of FPM mass in the MFOS is selected in such a way that the heating rates of other devices and devices placed on the RTD inside the AFAR are close to each other, since such a solution allows one to determine the temperature fields under their mounting surfaces. In this case, they are guided by those restrictions that are dictated by the regularity of the regular regime presented in formula (1), where the value of αF expresses all thermal bonds with neighboring bodies, and the term (С⋅М) is the total heat capacity of the body under study.
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.In order to bring the heat balance of bodies containing PPM into line with the rest of the APAR components, the enthalpy (heat capacity) calculation method is used, with the help of which the heat balance equation for a thermal storage composition (TAS) with PPM is reduced to a differential equation of the 1st order, depending on time, which makes it possible to take into account the thermal effect of phase transformations of a melting working fluid in the heat balance of the APAR.
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.Other effective thermal means of passive type for ensuring the thermal regime is an autonomous RTS installed inside the AFAR section, which includes axial TTs that equalize the thermal fields along the surfaces of the TSP, on which radio electronic devices and blocks are installed from below and above, and, thereby, improving the necessary geometric parameters of the non-flatness of the radiating surface of each section of the antenna array, rigidly in contact with the frame K A.
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.In this case, RTDs with built-in TTs are connected to the rigid body part of the antenna array CS using embedded elements (bushings) introduced into its composition along the entire contour of each RTD, and the studs inserted into them are thermally insulated from each other, thereby contributing to maintaining the requirements for flatness emitting cloth AFAR.
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 As (с начальной величиной As=0,15 (через пять лет эксплуатации КА на орбите As=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.The next effective thermal means are the ECOM-1 and ECOM-2 thermoregulatory coatings, the first of which is applied to the outer surface of a microstrip emitter facing open space. At the same time, the EKOM-1 coating has increased emissivity values ε≥0.9 and a low value of the solar radiation absorption coefficient A s (with an initial value A s = 0.15 (after five years of spacecraft operation in orbit A s = 0.23) ), which is no worse than that of such as TR-so-TsM, TO-so-12, K-208S, and better than traditional AK-512 and AK-573. The use of the ECOM-1 thermoregulatory coating leads to the fact that the outer surfaces of the fabric of the AFAR microstrip emitters simultaneously perform the functions of a radiation heat exchanger.
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.EKOM-2 coating is applied on the surfaces of devices placed inside the AFAR structure, which are not directly exposed to sunlight. Such a coating increases the intensity of heat transfer due to the radiation mechanism, it has high dielectric characteristics and at the same time the necessary emissivity value 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.Along with the aforementioned means, elastic pastes and compounds, for example, paste 131-179 TU6-02-1-342-86, which are efficient in vacuum, are introduced at the attachment points of the structural parts that require good contact with each other.
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 AS 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.Taking into account the above, when calculating the temperature fields of the APAR components, the method of heat balances is used, which is widely used in space technology. In this case, the structure is divided into n isothermal units. Then their masses, heat capacities and internal heat release are set, and thermal bonds between nodes are set. Each of the nodes is assigned one or more surfaces, between which radiant heat transfer and conduction occurs between the individual nodes. Coefficients A S and ε, thermal resistances between composite structures, values of heat fluxes falling on the outer surface of microstrip emitters facing space, and other heat fluxes are set. Then the equations of the heat balance of each node of the AESA components as a whole are compiled with the setting of the initial conditions. Next, the temperatures of all computational nodes are found. In general, the provision of thermal modes of the components of the AFAR is based on the following thermal scheme: active fuel elements (EF) - block body - TSP with TT - outer surface of the microstrip emitter web with an applied thermostatic coating - external environment in open space with setting heat fluxes from the Sun, Of the Earth and aerodynamic flows in the initial sections of spacecraft injection into orbit.
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.The results of calculating the temperature fields of APAR, experimentally confirmed by tests of the overall-mass centering thermal model (GMCTM) of the on-board radar equipment in a thermal vacuum chamber with imitation of solar and terrestrial heat fluxes, with a thermal accumulator (TA) as part of the electronic module MFOS with the calculated parameters given in the considered example (see relations (2) and (3)), showed that with a 10-minute session on the 1st flight loop and a decrease in the heating of the MFOS, other devices and the unevenness of the temperature according to TSP, it was possible to reduce the heating of the system in (1.5 ÷ 2) times and at the same time ensure the requirements for flatness on the surface of microstrip emitters up to the required values of 0.2 mm / (200 × 200) mm 2 .
Рассмотрим пример конструкции АФАР, практически реализующей предлагаемое изобретение.Let us consider an example of an APAR design that practically implements the invention.
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).The structural and layout diagram of the considered version of the radar can be structurally divided into two components - an antenna subsystem (AFAR) and a set of instruments for controlling the operation of the antenna subsystem (see Fig. 1).
В состав приборов управления входят:The control devices include:
- входной коммутатор питания (КП) (1);- input power switch (CP) (1);
- формирователь опорных и тактовых частот (ФОТЧ) (2);- shaper of reference and clock frequencies (FOTCH) (2);
- вычислитель (3).- calculator (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).All control devices are compactly located and fixed on a carrier thermoplate (4). The thermal board (4) is connected to the network of hydraulic pipelines from the SOTR KA and provides the temperature in the places of installation of control devices from - 10 ° С to + 45 ° С by the time of switching on and during operation of the SAR equipment, and from - 50 ° С to + 40 ° C is out of order. The thermal board (4) with the control devices installed on it is attached to the supporting body part (5) of the antenna subsystem from the side opposite to the radiating surface (6) of the AFAR. When installed on the spacecraft (7), the thermal board (4) with control devices is placed in a closed volume, limited by the frame of attachment (8) of the onboard radar equipment to the spacecraft (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).The AFAR design is a set of 18 antenna modules (9) AESA, assembled on the carrier body part (5) and forming a single radiating antenna sheet (10) of the AFAR (see Fig. 2) with a constant pitch of the emitters along the orthogonal axes 25 and 28 ( mm) and overall dimensions between the centers of the extreme radiators 1575 × 4004 (mm).
Компоновочная схема антенного модуля (9) АФАР изображена на фиг. 2.The layout diagram of the antenna module (9) of the APAR is shown in Fig. 2.
Антенный модуль (9) АФАР собирается на базе четырех подрешеток.Antenna module (9) AFAR is assembled on the basis of four subarrays.
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.The sublattice is formed from a web (10) of microstrip emitters, consisting of 8 emitting lines and 8 PPMs (11), each containing 2 transceiver channels. To generate signals of working polarization, a set of 4 PPMs is used, i.e. 8 transceiver channels. Accordingly, a set of 8 PPMs ensures the functioning of the AFAR sublattice at both working polarizations (horizontal or vertical). The subarrays are the basic element of the antenna module (9) of the AFAR and are mounted on the TSP (12) of the module. Each emitting bar contains 16 square-shaped emitting elements and has two microwave power systems (for vertical and horizontal polarization), built in parallel. Radiating rulers and microwave power systems are made using microstrip technology.
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.AFAR is closed by standard thermal insulation (ETI) (13) of the spacecraft (Fig. 1), with the exception of the radiating surface (6) of the AFAR, which faces open space and is exposed to external heat flows from the Sun, Earth or other celestial bodies. Maintaining the temperature of the elements of the antenna subsystem not lower than the permissible one occurs due to the functioning of the active heating subsystem, which is powered from a service source as part of the spacecraft.
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.The supporting body part (5) of the AFAR is made of a profile aluminum alloy, equipped with fastening elements for 18 antenna modules (9) of the AFAR and other components of the radar equipment. The design of the hull (5) provides the necessary precision geometric parameters of the emitting structure of the AFAR in the operating conditions of the radar equipment. To reduce the thermal mutual influence of the antenna modules (9) of the AFAR and the body part (5), the design of the module fastening elements provides a minimum contact area between the antenna modules (9) of the AESA and the body part (5), and is made using a titanium alloy having a low thermal conductivity. At the same time, the design of the fastening elements makes it possible to counter the mutual displacements of the carrier panels of the active antenna modules (9) and the body part (5) caused by their deformations thermal expansion, which provides the necessary geometric parameters of the radiating surface (6) of the AFAR under the operating conditions of the radar equipment.
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:The design of the basic element of the AFAR - antenna module (9) The AFAR is a layer-by-layer assembly of the components that form the module on the carrier TSP (12). Dimensions of the antenna module (9) AFAR 447 × 799 × 220 (mm),
6 - излучающая поверхность;6 - emitting surface;
10 - полотно микрополосковых излучателей;10 - cloth of microstrip emitters;
11 - приемопередающий модуль (ППМ) (32 шт.);11 - transceiver module (PPM) (32 pcs.);
12 - тепловая сотопанель (ТСП);12 - thermal honeycomb panel (TSP);
14 - блок управления (БУ) ППМ (4 шт. );14 - control unit (BU) PPM (4 pcs.);
15 - групповой источник питания (ИПГ) (4 шт. );15 - group power supply (IPG) (4 pcs.);
16 - стойки крепления полотен микрополосковых излучателей;16 - racks for fastening the cloths of microstrip emitters;
17 - модуль формирования и оцифровки сигнала (МФОС);17 - signal generation and digitization module (MFOS);
18 - приемопередающее устройство (ППУ);18 - transceiver device (PPU);
19 - вторичный источник питания (ИПВт).19 - secondary power supply (IPW).
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.TSP (12) is made in the form of a three-layer flat rectangular plate with dimensions of 799 × 447 (mm). The total thickness of the three-layer package is 13.4 mm, the mass of DFT 3.8 kg. The supporting layers of TSP (12) are made of B95 alloy sheet coated with Chem. Oaks. E, aluminum honeycombs of 2.75-5056-23P TU-569-486-2009 grade are used as a filler. The connection of the bearing layers and the honeycomb filler is carried out by means of VK-57 film glue according to TU 1-596-468-2010. TSP (12) is equipped with through mounting holes and embedded fastening elements (alloy D16) of the antenna module (9) and the module itself (9) as part of the AFAR.
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.TSP (12) ensures the unevenness of the surface temperature field for the installation of the module components no more than 10 ° C. This is achieved through the use of axial heat pipes (AD31 alloy) in the TSP design. The heat carrier in heat pipes is ammonia.
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.The architecture of constructing the design of the antenna module (9) of the AFAR is shown in Fig. 4, which shows a view from the side of the body part (5), and from the side of the radiating surface (6) - in Fig. 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.FIG. 4 and 5 show that subunits of the emitting structure and the formation of an analog microwave signal are installed on the TSP (12) on one side. Directly on the TSP (12) 32 two-channel PPMs (11) and 4 IPGs (15) for them are attached. For each group of eight PPMs (11) with tight contact through a heat-conducting paste (20) 131-179 TU6-02-1-342-86 (see Fig. 2), 4 BU (14) PPMs are installed. The last, top, layer on the racks (16) is used to fasten 4 boards, which make up the canvas (10) of the microstrip emitters of the antenna module (9) of the AFAR with a total area of S = 0.357 m 2 . The size of the gaps between the inner (facing the DFT (12)) surface of the web (10) of the microstrip emitters and the control units (14), as well as between the said surface of the web (10) of the microstrip emitters and the group power supplies (15) is, respectively, δ1 = 1 mm and δ2 = 2 mm. The web (10) of microstrip emitters is made of several layers of foil-clad dielectric R0 4350V with a total thickness of 4.85 mm, has dimensions of 447 × 199 (mm) and a weight of 0.8 kg. The canvas (10) of microstrip emitters is equipped with cut-in coaxial transitions of type 19S104-40M E4 Rosenberg and through 64 adapters (21) (see Fig. 2) of type 19K115-KO OE4 (L = 19.40 mm) are connected in the central zone to 32 PPM (11), providing communication over HF circuits of the minimum length. In addition, adapters (21), to a certain extent, carry out conductive heat exchange between the PPM (11) and the web (10) of the microstrip emitters.
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.To ensure effective heat transfer from the DFT (12) and the blocks attached to it to the web (10) of the microstrip emitters, the housing of the blocks, the surface of the DFT free from them and the surface of the cloth (10) of the microstrip emitters facing the DFT have a paint-and-lacquer coating ECOM-2 with an exponent blackness 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.On the other side of the TSP (12) there are: PPU (18), IPW (19), MFOS (17) with increased heat release, which include TA with a shape-stable working fluid.
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.The mounting surfaces of all blocks from the antenna module (9) of the AFAR, which are attached directly to the TSP (12), are heat removal surfaces. To ensure effective conductive heat transfer, their mounting surfaces are made with non-flatness not exceeding 0.2 / 200 × 200 (mm), and installation on TSP (12) is performed using heat-conducting paste 131-179 TU6-02-1-342-86 ...
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).FIG. 5 shows a view of the design of the antenna module (9) of the AFAR from the side of the emitting surface (6) of the web (10) of microstrip emitters with a cutout along the depth, where the places of installation of the IPG (15), PPM (11) and BU (14) are shown. Unlike other components of the antenna module (9) of the AFAR, the outer surface of the web (10) of microstrip emitters has a thermoregulatory coating ECOM-1 with emissivity values ε ≥ 0.9 and with an initial value of the absorption coefficient of solar radiation As = 0.15 ( after five years of operation As = 0.23).
Функционирование АФАР в сеансе радиолокационной съемки происходит следующим образом.The functioning of the AFAR in a radar survey session is as follows.
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.After turning on the devices and units installed on the RTP (12), the electrical radio elements placed on the multilayer printed circuit boards of cassettes made of aluminum alloys, for example, I-section, transmit the power they dissipate through the lower base of the cassette by thermal conductivity and partially by radiation to the RTP (12), usually with the use of heat-conducting gaskets with the required contact thermal conductivity between the devices and TSP (12). Further, the heat pipes included in the TSP (12) reduce the unevenness of the temperature field, i.e. stabilizes its temperature, at which the effect of local heating of devices is reduced to the required level, for example, (5-10) ° С. The body part (5), having a large mass and high thermal conductivity, closed outside the EHTI (13), practically does not react to the unevenness of the temperature field along the already thermally stabilized TSP (12), therefore, the power dissipated by the devices during a short-term shooting session will practically not affect on the non-flatness of the web (10) of microstrip emitters, fixed on the rigid body part (5). Dissipated thermal energy is transferred by conduction (thermal conductivity) and radiation of the components of the AFAR structure through the fabric (10) of microstrip emitters, consisting of four layers, to the outer layer of the radiating fabric, from which it is discharged into open space, mainly in the pauses between repeated switching on of the AFAR.
Полезная часть мощности, потребляемой ППМ (11), через элементы СВЧ-питания и антенное полотно излучается в пространство в виде зондирующего сигнала радиолокатора.The useful part of the power consumed by the PPM (11) is radiated into space through the microwave power elements and the antenna sheet in the form of a radar sounding signal.
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.Heat fluxes from the Sun and the Earth act on the outer surface of the web (10) of microstrip emitters in open space both during the modes of radar imaging in the sessions and in the pauses between them. Its surface is coated with a low solar radiation absorption coefficient (As <0.3) and a high emissivity ε> 0.9. The power dissipated by the ERI does not have time to reach the emitting surface in a short time of the radar survey session (6), since on its way it is first accumulated by the mass of the structure with additional thermal means integrated into it, including a form-stable phase-transition material with a high heat storage ability. With fixed flight orbits and time periods of the year, the heating rate of the APAR components during the session period remains practically constant at a given heat load and reaches a quasi-stationary mode usually in 7–8 orbits. In this case, the initial thermal state of the APAR is important, since the permissible value of heating the mass of the structure of the components of the APAR is counted from the initial temperature of the system.
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.As part of the spacecraft service systems, an AFAR controlled heating system (heaters (22), see Fig. 2) is provided, which, in the event of the spacecraft transition to a non-orientable position and upon exiting it, ensures the temperature of the components not lower than the allowable temperature in its off state and not lower -10 ° С by the time of the next radar survey session.
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.In order to actually provide the necessary conductive thermal connections, which are multi-link, sequentially and in parallel connected with each other, and ensuring the permissible temperatures of specific ERIs and temperature fields for the component parts of the structure as a whole, additional thermal means with optimal heat storage properties of the FPM and heat pipes as part of the RTP and other heat-conducting elements between them, deeply integrated into the AFAR design.
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.The dissipated energy from the operating devices and blocks partially reaches the emitting surface (6) of the web (10) of microstrip emitters, and then is discharged into open space. For the AFAR design described here as part of a spacecraft during orbital flight, the total duration of a survey session on each orbit in our case is limited to 10 minutes with a power consumption of up to 8500 W. These values of the parameters are limited by the mass-dimensional characteristics of the spacecraft power supplies, the permissible heating of the ERS, the non-flatness of the surface of the radiating cloth, which depends on the temperature state of the components of the active antenna array.
На фиг. 6 представлены результаты 3х-суточных тепловых испытаний при имитации внешних тепловых воздействий на ГМЦТМ бортовой аппаратуры радиолокатора с АФАР при размещении его в термовакуумной камере (ТВК).FIG. 6 shows the results of 3 x- day thermal tests when simulating external thermal effects on the HMCTM of the onboard equipment of a radar with an AFAR when it is placed in a thermal vacuum chamber (TVC).
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.According to the test conditions, the duration of active work of the AFAR for the time corresponding to the duration of one orbit of the spacecraft around the Earth was 10 minutes; at the same time, about 16-17 orbits of flight around the Earth are realized per day. During the session of radar shooting and the subsequent pause, the temperature of the AFAR changes in time in a cyclical manner. From FIG. 6 it can be seen that the quasi-stationary temperature regime of the APAR is achieved after 7-8 turns; (in Fig. 6, each working loop corresponds to a local temperature maximum). In this case, the temperature changes during heating and cooling of the APAR are exponential, but with a decrease in the heating rate in the vicinity of the temperatures of the phase transition of the working fluid. The maximum temperature values depend on the power dissipated by the devices and the absorbed heat fluxes, and are practically linear in relation to the APAR operating time. In the pauses between sessions - the same law, but with a decrease in the cooling rate in the temperature range of the phase transition of a fusible filler in a heat accumulator with a shape-stable heat-accumulating material. The nonlinear nature of the temperature change is observed only when the heat flux changes in its initial stages. The emitting web of microstrip emitters behaves differently, the temperature of which, depending on time, has a predominantly linear character, but differs from it at those moments in time when the external heat fluxes change, the temperature of the DFT with devices installed on them working or switched off, which have a thermal connection with the canvas.
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.FIG. 7 to observe the nature of the temperature change, the data of a separate fragment of the work cycle (from 3 turns) are given, which confirm our reasoning. Additionally, the temperature of the power housing part of the AFAR, into which the TSP is mounted, is presented here, and the housing part itself is rigidly attached to the spacecraft bracket using a bolted connection. If we take into account that the permissible temperatures of all ERIs that make up the active constituent parts of APAR are in the range from 85 ° C to 125 ° C, and according to the results of experiments, 60 ° C has not been reached, then this fact confirms the solution of the problem.
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.Thus, from the description it follows that the claimed design of the AFAR ERS spacecraft ensures the implementation of the autonomy of the AFAR AFAR from the SCR SC while maintaining the temperature regimes of the electrical radio elements from the AFAR under the operating conditions of the SAR with super-power consumption and peak heat release during repeated repeated short-term sessions of radar imaging of the earth's surface. At the same time, the parameters of the non-planarity of the AFAR antenna cloth are simultaneously preserved, which directly affect the level of information characteristics of the SAR and ERS spacecraft as a whole.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019133187A RU2738160C1 (en) | 2019-10-18 | 2019-10-18 | Active phased antenna array of radar spacecraft for remote earth probing |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019133187A RU2738160C1 (en) | 2019-10-18 | 2019-10-18 | Active phased antenna array of radar spacecraft for remote earth probing |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2738160C1 true RU2738160C1 (en) | 2020-12-09 |
Family
ID=73792808
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019133187A RU2738160C1 (en) | 2019-10-18 | 2019-10-18 | Active phased antenna array of radar spacecraft for remote earth probing |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2738160C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5293171A (en) * | 1993-04-09 | 1994-03-08 | Cherrette Alan R | Phased array antenna for efficient radiation of heat and arbitrarily polarized microwave signal power |
| RU2198830C2 (en) * | 2001-04-11 | 2003-02-20 | Государственный научно-производственный ракетно-космический центр "ЦСКБ-Прогресс" | Spacecraft |
| RU2333139C2 (en) * | 2006-09-06 | 2008-09-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина" | Spacecraft and section of phased antenna array |
| RU138991U1 (en) * | 2013-12-06 | 2014-03-27 | Евгений Вячеславович Комраков | RECEIVER |
-
2019
- 2019-10-18 RU RU2019133187A patent/RU2738160C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5293171A (en) * | 1993-04-09 | 1994-03-08 | Cherrette Alan R | Phased array antenna for efficient radiation of heat and arbitrarily polarized microwave signal power |
| RU2198830C2 (en) * | 2001-04-11 | 2003-02-20 | Государственный научно-производственный ракетно-космический центр "ЦСКБ-Прогресс" | Spacecraft |
| RU2333139C2 (en) * | 2006-09-06 | 2008-09-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина" | Spacecraft and section of phased antenna array |
| RU138991U1 (en) * | 2013-12-06 | 2014-03-27 | Евгений Вячеславович Комраков | RECEIVER |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10225953B2 (en) | Vehicle thermal management system | |
| US4420035A (en) | Thermal control system | |
| RU2738160C1 (en) | Active phased antenna array of radar spacecraft for remote earth probing | |
| Nagano et al. | Simple deployable radiator with autonomous thermal control function | |
| CN206136551U (en) | Multi -functional compound spacecraft electronics box | |
| RU2569658C2 (en) | Space platform | |
| Iwata et al. | Thermal and Structural Performance of a Small Satellite with Networked Oscillating Heat Pipes | |
| RU2648520C2 (en) | Space platform | |
| Liu et al. | Experimental study on a transpiration cooling thermal protection system | |
| CN106304796A (en) | Multi-functional Compound Spacecraft electronics casing | |
| Ababneh et al. | Copper-Water and Hybrid Aluminum-Ammonia Heat Pipes for Spacecraft Thermal Control Applications | |
| Abdelal et al. | Thermal fatigue analysis of solar panel structure for micro-satellite applications | |
| Wachche et al. | Thermal modeling and simulation of a Pico-satellite using Finite Element Method | |
| Kare et al. | A comparison of laser and microwave approaches to CW beamed energy launch | |
| RU2353553C2 (en) | Space vehicle arrangement method | |
| Benthem et al. | Innovative new High Performance Radiators: Developing heat rejection systems with flexible film technology | |
| RU2323859C1 (en) | Method of thermoregulation of spacecraft and device for its drying | |
| Okamoto et al. | Initial Evaluation of On-orbit Experiment of Loop Heat Pipe on ISS | |
| Deravanessian et al. | Thermal Analysis of an ESPA Class Host Satellite using Oscillating Heat Pipes and Deployable Solar Array Backed Radiator | |
| Khalil et al. | Parametric study of multi-layer insulation optical properties effect on spacecraft thermal control system during flight missions | |
| RU2268207C2 (en) | Method of temperature control of spacecraft and device for realization of this method | |
| Choi | Thermal design to meet stringent temperature gradient/stability requirements of SWIFT BAT detectors | |
| Bugby et al. | Modular two-phase heat transfer based architecture for future responsive spacecraft | |
| Bulut et al. | Thermal control system of cube satellite | |
| De Weck et al. | Multifunctionality in parabolic RF antenna design based on SMA actuated radiation pattern shaping |