CN101194391B - 航天器的热控制膜 - Google Patents

Abstract

提供一种应用于航天器中的热控制膜，包括适用于呈现对太阳辐射的高反射率，在微波谱内的低吸收率，以及对远红外的高发射率的多层干扰滤波器。该膜没有金属且遍布航天器承载的天线的工作面。这样的膜展现了所期望的热控制散热器表面的热-光特性且可以在不中断RF信号下应用于通信或雷达天线的工作面上。

Description

航天器的热控制膜

背景技术

航天器通信有效载荷产生大量的热，这些热必须通过其外部表面借由热辐射散发到空间中。而且，辐射表面经受来自入射阳光的热辐射，这降低了它的热效率。寄生热输入效应可能通过选择辐射表面的方向或通过应用具有适当的热-光特性的表面材料而降低到某种程度。在后面的情况中，常规的方法是利用具有对阳光低吸收率且在红外区域内高发射率的材料涂敷经受相对较高水平的太阳照度的辐射表面，例如赤道轨道航天器的南-北朝向的表面。

一种这样类型的材料是包含反射阳光的颜料的白漆。这样的涂层便宜，但是由于表面的紫外线退化而呈现相对较差的性能，尤其在长期任务上。或者，可使用光学太阳反射器(OSR)材料。OSR(也叫做第二表面镜)包括例如玻璃的光学透明介电材料，其发射良好，以例如银的金属的反射层作背面。这些材料相对稳定，并且随着时间的流逝而保持它们的光学特性。

如图1所示，这些类型的材料均运行在输入的太阳辐射的波长不同于辐射表面发射的热辐射的波长基础上。因此，可以选择具有在每一个这些各自波段中的适当特征的材料来透射或反射辐射。但是，即便在金属反射层的情况下，也已经发现阳光的反射在太阳能的有效部分集中的紫外线波长处远非最佳。

US6587263描述了一种具有包括衬底、涂敷于其上的接合层、涂敷接合层的反射层以及涂敷反射层的散热层的复合结构的改进的OSR。反射层典型地由银或铝制成且具有约50-100nm的厚度。散热层直接淀积在反射层之上且包括呈现不同空间折射率的一层或多层已调制的SiO₂/SiO_xN_y/Si₃N₄涂层。

选择在太阳光谱(200nm到2500nm)中具有低电磁辐射吸收率的材料应用于散热层中。这包括部分紫外(UV)光谱(200-400nm)，可见光谱(4000-750nm)和近红外光谱(750-2500nm)。该材料还必须呈现出在红外波长范围(2.5μm到25μm)中的高吸收率和发射率，与由OSR本身中的电子器件生成的过量热相对应。另外，因为与在UV光谱中由金属(Ag或Al)反射层的反射有关的问题，设计已调制的散热层以便在与界面吸收有关的波长范围内(典型地是380nm)反射光，从而使得相应的入射太阳辐射不到达与反射金属层的界面。

主要通过实现了改进有害UV辐射的反射和改进红外发射率的金属层和散热层而实现了宽波段反射特性(UV、可见光和近红外)，上述结构取决于频率既作为散热器又作为反射器。但是，虽然这样的OSR呈现出改进的热性能以及允许使用更薄的玻璃，然而仍然需要依赖金属层实现可见光反射。

一个特定的问题在承载有源传输天线阵列的航天器中出现。这样的天线阵列可以包括几百个分立的辐射元件，每一个元件具有相关联的T/R模块，其为施加到或接收来自相关联的天线元件的射频(RF)信号提供相位控制，以便网状辐射图案的阵列具有期望的定向性。T/R模块也用低噪音放大器放大接收信号，放大由功率放大器传输的信号，且提供例如可调衰减和传输/接收切换的多种其它功能。因此，阵列的每一个分立的T/R模块包括许多高频电路，其必须装配在相关联的天线元件的区域中。这些天线阵列消耗了大量输入功率(10kW或更多)且要辐射的废热超过5kW。

因为这些天线典型地具有3米量级的直径，在正常的情况下，表面区域足够允许多余热能的耗散且保持正常运行温度。但是，对于朝向地球的直接辐射天线，对于每天的若干小时而言日光输入功率在约每平米1kW的量级。对于这样的天线，上述日光输入功率的耗散不可能利用常规的OSR，因为典型地银或铝的反射金属层在微波频率是不传导的。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种膜材料，其在航天器应用中提供热控制并且满足微波传输需求。本发明的另一目的是提供适于航天器应用的热膜材料，其无需金属层即能实现反射。

本发明的第一方面在于用于管理航天器天线的热特性的无金属热控制膜，包括多层干涉滤波器，适于呈现预选择的在2.5μm到50μm的远红外波长范围内的高吸收率和发射特性、在200-2500nm的太阳光谱范围内的低吸收率、和在1到30GHz的微波频谱内的高传输特性。

根据本发明构建的膜呈现出对太阳辐射的高反射率、在微波频谱内的低吸收率和在远红外内的高发射率的组合，这为可以用在例如通信或雷达天线的工作面的表面上的热控制散热器表面提供了所期望的热光特性，而不会导致RF信号的中断。

不含金属的热控制膜呈现了对应用于通信和雷达的微波频率的高透明度。而且，在该膜中没有金属的优点在于膜将不会易受可能影响航天器设备操作的侵蚀或电磁干扰。

该膜优选覆盖航天器承载的天线的工作面。

以这种方式，天线的工作面可以用作热控制散热器以将由放大器和与它相关联的T/R模块的其它有源部件产生的废热耗散到空间里，而不是必须传送给遥控散热器。

该膜可以为柔性片(flexible sheet)的形式或者为待涂敷于航天器的表面的液体涂层的形式。

包含该膜的多层干涉滤波器优选为聚合物结构。应用这样的聚合物结构的优点在于：所有的层可以在利用或者不利用衬底的情况下同时挤压，并且最终的光学特性可以被精确地控制。而且，这样的热膜可以容易地成型为其要附接的表面的形状。

或者，多层干涉滤波器可以包括SiO₂、SiO_xN_y和Si₃N₄的任何组合的一层或多层，且可以为许多分立的瓦片的形式。这样的瓦片已知可以抵抗电离辐射的破坏，并可以直接接合于具有高热耗散的设备的不规则暴露表面。

这样的瓦片优选具有小于200微米的厚度，更加优选的是在50到150微米的范围内。

本发明的另外一方面在于一种天线，包括遍布其工作面的上述热控制膜。

附图说明

为了更好的理解本发明，将仅以实例的方式参照附图，在附图中：

图1是示出进入到航天器表面的太阳辐射光谱的简图；

图2是应用于光学干涉滤波器中的基础薄膜结构的示意图；

图3示出了航天器承载的典型热膜被暴露至的太阳辐射光谱；

图4示出了根据本发明的实施例构建的热膜的所期望的反射波谱；

图5是组合了根据本发明适合其工作表面的热控制层的航天器安装的有源传输天线的简化图。

具体实施方式

近来的技术成果已经导致薄膜干涉滤波器的构造相对便宜，其主要以波长选择和传输性能的进步为特征。薄膜干涉滤波器所采用的基本概念为：

(i)给出在两个介质之间边界的反射光振幅为(1-r)/(1+r)，其中r是在边界的折射率之比；

(ii)当反射发生在比相邻的介质的折射率低的介质中时，相移是180度，如果该介质与相邻的介质相比具有较高的折射率，则相移是零；且

(iii)如果光通过在薄膜的上和下表面的反射而分成两个分量，则光束以如下方式复合：如果相对的相移是180度，则复合后的振幅为两个分量的振幅之差(相消干涉)；如果相对的相移是零或360度的倍数，则复合后的振幅为两个分量的振幅之和(相长干涉)。

图2示出应用于干涉滤波器中的基础类型的薄膜结构，其由交替的高和低系数的介电膜的叠层组成，其中所有介电膜的厚度均为四分之一波长。在高系数层中反射的光将不会产生由于反射导致的任何相移，而在低系数层中的光反射将由于反射而产生180度的相移。因为所有的层的厚度都是四分之一波长(90度相厚度)，由此可见，在入射边界由反射生成的入射光的不同分量在膜的前表面处同相。这些光束相长地复合，且与入射光束相比具有非常高的光束密度。通过增加叠层中交替层的数量，可以使得膜的对特定波长的有效反射率非常高。保持高反射率的波长范围依据在叠层中的两种材料的折射率比而定。在该波长范围之外，膜反射率急剧降到非常低的值。

在干涉滤波器的设计中，进入辐射的入射角也是重要的，因为它影响层的光深。也就是说，滤波器的中心波长将随着入射角增大而减小，且波长位移的数量依赖于入射角和滤波器的有效折射率。

利用薄膜技术可以实现各种不同类型的光学滤波器的涂层或膜。降低表面反射和增加透射率的抗反射涂层可以实现为在一个波长具有零反射率的单层，乃至在一个波长范围内具有零反射率的多层结构。边缘滤波器(例如长波和短波通滤波器)呈现了在拒绝区域和吸收区域之间的突变。带通滤波器呈现了在任一侧具有拒绝区域的传输区域，而负滤波器(minus filter)从光谱消除一个波带，即具有由传输区域在任一侧限制的窄拒绝区域。

多层滤波器的设计涉及发生在叠层的每一层的界面的反射率和传输的复杂计算。电脑辅助设计工具大大地简化了薄膜光学涂层的设计和优化。特别是，被称为的针优化(needle optimisation)的技术允许将干涉滤波器设计和改进为特定应用的精确规格。这种优化技术的本质是薄膜滤波器基于由反射光波的相位和振幅确定的干涉效应来运行。设计的实际和期望光谱特性之间的一致性的数量由涂层的优质函数(merit function)而提供。优质函数值越小，实际值和目标之间的一致性就越接近。当针对层厚度而对优质函数优化时，反射波之间的相位关系改变。如果针对层的折射率而施行优化，则反射波的振幅也被改变。当不能进一步最小化优质函数时，就完成数学优化过程，而不在多层结构中引入新的层。

在叠层内的合适位置***新的层等效于改变叠层的折射率分布，并且与这些新的层关联的干涉效应将促进实际值和目标值之间的一致性。应用于针优化技术的算法识别新的层应当被***到多层结构中以促进优质函数的(任何可能)位置，并从预选组中识别能提供最大的改进的材料。

光学涂层通常利用例如热蒸发的常规工艺在高真空涂层腔中制造。近来，例如离子辅助沉积(IAD)、离子束溅射和活性磁控溅射的被称为高能PVD工艺的更先进的技术已经用于制造可以应用于塑料衬底的改进的光学涂层。高能PVD方法在许多情况下可以制造具有改进特性的薄膜，所述改进特性包括较高的密度、较高的折射率、对温度和潮湿的降低的光谱性能敏感度、以及优越的机械特性(例如耐久性)。这些技术具有的优势还有，与热蒸发工艺需要升高的衬底温度(典型地为300C)相对，沉积可以在接近室温下实施。

多种衬底材料可以用于制造薄膜干涉滤波器，选择这些衬底材料以满足它们预定应用的光学和机械学需要，也要满足期望的涂层材料的物理性质的兼容性。这些性质中对于在不同应用中的光学衬底材料重要的是在感兴趣的波长范围内的透射率、热膨胀系数和密度。这些材料还应当能抗化学蚀刻、机械和热震动。一些更普通的光学衬底材料是氟化镁、氟化钙、透明石英1(Suprasil 1)(多种熔融石英的商品名)、紫外级熔融石英、红外硅301(Infrasil 301)(具有低羟基含量的熔融天然石英的商品名)、结晶石英和蓝宝石。对于OSR，因为优良的光学特性、在空间环境中的稳定性和成本，典型地选择例如BK7的硼硅酸盐光学玻璃。

多层光学薄膜干涉滤波器目前可以用全聚合物成分制造。典型地，通过在有衬底或没有衬底的情况下共挤(co-extruding)所有的层而制造聚合物薄膜滤波器，且其可以形成为具有可控制厚度分布的从10到1000层中的任何层数的独立式(free-standing)膜叠层。为了增加韧性，外壳层可以包括在共挤膜叠层中，且可以包含膜叠层中的光学层中的聚合物的一种或者可以是不同的材料。使用的聚合物的选择可以基于许多标准，包括折射率和熔化特性。最终的镜的光学性质(即，反射率从前一个到下一个的变化)可以通过交替拉伸和冷却多层聚合物材料而精确地控制，其等效于在前述的针优化技术中***新的层。

这样的热膜可以形成为其通过热成型连接的表面的形状，热成型使用热和压力的组合使膜与预制模具相符。模具首先适合于膜层叠的表面的形状。一旦热成型，就可以使用普通的光学粘合剂或其它合适的方法将膜连接到表面。在预制模具的制作不可行的情况下，也可以使用聚合物多层膜的冷却成型。

根据本发明优选实施例的热控制膜包括聚合物多层结构，该结构包括被设计和优化为呈现如图3和4所示的期望的光学特性的一组干涉滤波器。要求膜具有对太阳辐射低的吸收率，太阳辐射包括部分UV光谱(200-400nm)、可见光谱(4000-750nm)和近红外光谱(750-2500nm)。膜必须也呈现在远红外波长范围(2.5μm到50μm)的高的吸收率和发射率，其对应于与通过天线阵列的T/R模块相关联的高频电路产生的热光谱。更进一步的根本的标准是膜呈现对通信和雷达观测所使用的微波频率(典型地在1到30GHz)的高透过性。因为膜设计为在空间中使用，所以使用的材料不仅要有经受得住有关温度的变化的能力，而且还要能够保持在这种极端环境下的光学特性的要求。也因为抑制带的带宽非常高，所以应用在膜中的材料之间的折射率之比应当尽可能地高。

应用于优选实施例中的热膜包括例如3M^TM的辐射镜膜产品的多层聚合物膜。3M辐射镜膜VM2002是实验的或实验性的材料，其被制造用来评估，测试或实验的目的，且包括具有聚对萘二甲酸乙二脂(polyethylenenaphthalate)的外保护层的多层聚合物膜，用于防止经由磨损、潮气浸入或其它环境因素引起的最终光学特性的退化。膜没有金属且因此呈现了对于由通信和雷达设备使用的微波频率的高透过率。而且，没有金属有利于膜不会受可能影响天线操作的腐蚀或电磁干扰的影响。膜材料是热稳定的，最大连续使用温度达到125℃，且典型地呈现了入射角在0到80范围，带宽在(400-415)nm到(775-1020)nm上的高反射率。膜在775-1020nm以上的近红外光谱内传输波长，且在400nm以上(即，可见和红外光谱)呈现低吸收率。如果需要的话，额外的涂层可以应用到膜以便实现在UV光谱内所期望的低吸收率。

虽然上述实施例中，膜基于商业可用材料，采用其以实现期望的光学特性，但是可以理解的是对于精确规格需求，可以制造定制的材料。这样的定制膜可以从例如3M^TM和许多其它的专业供应商获得。如前述，在这样的多层膜中，辐射的入射角是一个重要的因素。对于赤道轨道航天器的南-北辐射表面，当辐射表面以相对太阳倾斜23度时，因为这是地球倾斜的角度，因此最大太阳光注入发生在二至点(solstice)。这样的定制膜是这个角度理想地优选膜。

图5是示出根据本发明优选实施例的组合了热膜的航天器的有源传输天线阵列的简化形式。可以理解的是本发明可以应用于任何类型的微波天线。如前所述，天线阵列1包括几百个分立的辐射元件3(图中所示的是一小部分)，每一个元件3具有装配在相关联的天线元件3的区域中的相关RF电子电路。这些天线阵列消耗了大量的输入功率(10kW或更多)且辐射的废热可以超过5kW。

根据本发明优选实施例的热膜7制造成独立式软片的形式，其已经切割成将要被应用到的天线1的形状和尺寸。为了便于描述，在图5中，显示膜7在附加到天线1的工作表面之前的状态。之后将薄片(具有50到150微米范围的厚度)置于天线1的工作表面上，且使用合适的光学粘合剂附接在那里。以这种方式，天线1的工作表面可以用作热控制散热器以将由放大器及其相关联的T/R模块的其它有源器件产生的废热耗散到空间中，而不是必须传输给遥控散热器。基于聚合物的膜结构的柔韧性质有助于附接到天线的弯曲表面。膜的厚度不能超过200微米。

根据本发明构建的膜展现出对于太阳辐射的高反射率、在微波频谱范围内的低吸收率、和在远红外内的高发射率的组合，这为热控制辐射表面提供了期望的热-光特性，其可以不中断RF信号而应用于通信或雷达天线的工作表面。

可以理解的是虽然粘合剂可以用于将膜与天线表面接合，但是也可以使用其它的附接方法，例如夹子、钮扣或其它合适的固定手段。当天线具有不规则形状或当其表面不光滑的时候，这样的连接手段可能更合适。薄片也可以通过热成型而制成天线的形状。

虽然已经描述了根据本发明的基于聚合物的热膜，但是可以理解的是也可以使用基于玻璃或石英的结构。如前所述，例如BK7的硼SiO₂、SiO_xN_y和Si₃N₄的任何组合或其它合适的材料的一个或多个层构成。基于这些材料的干涉滤波器被设计和优化用以呈现如前所述的所期望的光学特性。如前所述，这样的膜可以制造成独立式膜片、系列瓦片或作为涂敷到表面的涂层的形式。

Claims (8)

1.一种用于航天器的天线，该天线包括：

工作面；

至少一个用于通过所述工作面发射射频信号的辐射元件；以及

覆盖所述工作面的无金属热控制膜，该无金属热控制膜包括多层干涉滤波器，该多层干涉滤波器具有交替的高折射率层和低折射率层，所述交替的高折射率层和低折射率层被布置成基于这些层之间的边界处的反射所产生的光辐射的不同分量之间的干涉效应而对光辐射进行滤波，该控制膜呈现预选择的在2.5μm到50μm的远红外波长范围内的高吸收率和发射特性、在200-2500nm的太阳光谱范围内的低吸收特性，使得限制太阳光注入并且允许天线中耗散的热经由工作面被辐射到空间，并且该控制膜还呈现预选择的在1到30GHz的微波频谱内的高传输特性，使得允许经由所述工作面发射射频信号。

2.根据权利要求1所述的天线，其中所述膜为柔性片的形式。

3.根据权利要求1所述的天线，其中所述膜是通过将液体涂层涂敷于所述航天器的表面而形成的。

4.根据前述任一权利要求所述的天线，其中所述多层干涉滤波器是聚合物结构。

5.根据权利要求1、2或3所述的天线，其中所述多层干涉滤波器包括SiO2、SiOxNy和Si3N4的任何组合的一层或多层。

6.根据权利要求5所述的天线，其中所述膜是多个瓦片的形式。

7.根据权利要求1、2或3所述的天线，其中所述膜的厚度小于200微米。

8.根据权利要求7所述的天线，其中所述膜的厚度在50到150微米的范围内。

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