基于薄膜技术的星用微型热控百叶窗研究

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卫星热控制技术就是控制卫星内部及外部环境热交换过程,使其热平衡温度处于要求范围内的技术,是航天技术的重要组成部分。微纳卫星由于其功率密度高、自身热容小,卫星轨道、姿态以及有效载荷工作状态等各方面的变化都会对整星温度造成较大波动,且极易过冲,迫切需要具有较强主动调节能力的热控技术根据卫星热环境对整星温度进行实时控制。传统热控百叶窗是目前具有较强调节能力的航天器主动热控技术,然而由于其重达十几kg的重量、几乎与整星尺寸相当的体积、具有较大延迟且无法与控制系统相集成的记忆合金驱动方式等诸多问题,导致其无法满足微纳卫星主动热控的应用需求。基于薄膜和微加工技术的微型热控百叶窗具有热控调节范围大、轻小、低功耗、响应速度快、易于热控管理系统集成等诸多优势,非常适合于微纳卫星热控应用。是目前航天器主动热控技术研究的前沿。然而国内外近年来开展的微纳卫星主动热控用微型热控百叶窗的研究都是以传统的硅基MEMS微加工工艺为基础,采用静电梳齿电机驱动的滑移式结构。这种设计和工艺都比较成熟,但是受结构原理性限制,其最大当量发射率调节范围不会超过0.5,一般都在0.3左右。此外,脆硬的硅基材料对于震动等工作环境较为苛刻的微型热控百叶窗空间应用而言,并不是最佳材料。本文首次提出了一种基于非硅基材料、采用薄膜制备和紫外准分子激光微加工作为主要工艺、以具有较大调节范围的扭梁式微百叶窗为主要结构的微型热控百叶窗,具有较强的创新性,开展了扭梁式微型热控百叶窗设计和制造技术的系统性研究,为我国微纳卫星主动热控技术发展提供了有益的探索。论文围绕微型热控百叶窗的研制,开展了微型热控百叶窗总体结构设计、材料选取、驱动方式选择和工艺设计,建立了扭梁式微型热控百叶窗物理模型,并进行了机电特性的理论分析计算和软件仿真模拟,确定了驱动电压与微窗结构尺寸之间的影响关系,为后续样件单元微结构设计和制作提供了参考。在此基础上开展了微型热控百叶窗制造技术研究,采用浸渍提拉法解决了大面积、超薄悬空薄膜制备,获得了平均膜厚5μm的悬空薄膜,是本文的创新点之一,该技术可为其它相关类型的超薄悬空薄膜的制备提供技术参考。利用优化气压等薄膜沉积参数和快速退火的方法,解决了在超薄悬空窗叶薄膜上制备功能层时因应力而导致的窗叶薄膜变形问题。分析确定了最佳的刻蚀激光光源,优化了激光刻蚀参数。研制了微型热控百叶窗原理样件并对驱动电压、当量发射率变化量等主要性能指标进行了测试,测试结果表明器件当量发射率变化量为0.43,是口前微型热控百叶窗研制文献报道中最大的。但是器件驱动电压较高且离散性较大,为360V-922V,需要进一步对设计和工艺进行优化和改进,从而为后续型号工程样件的研制奠定技术基础。
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