专利名称：航天器的热控制膜的制作方法
献器的热控制膜
背景技术：
狱器通信有效载荷产生大量的热，这些热必须通过其夕MP表面借由热辐
m^L到空间中。而且，旨表面经受来自A^"阳光的热辐射，这降低了它的
热效率。寄生热输x^i可肯诚iiiyNI^表面的方向或通itS用具有适当的 热-緣性的表面材料而斷^'J某种禾級。扭面的情况中，常规的方法是利用
具有对阳光低吸收率iL^^卜区域内高发射率的材料涂飾受相对较高水平的
太阳照渡的^f表面，例M道4ftim^器的南-北朝向的表面。
一种这样类型的材料是包含a阳光的颜料的白漆。这样的涂;^ ,但 是由于表面的紫外线退化而呈麵目对^t的性能，尤其在长^K壬务上。或者， 可^^I光学太阳幼器(OSR)材料。OSR (也叫鄉二表面镜)包括例如玻 璃的光学透明介电材料，其发射MS以例:H艮的金属的幼辦背面。这些 材辨目^NI定，并iW时间的^i^iHWS们的光学4H生。
如图1所示，这些类型的材料均运行在输入的太阳,的波长不同于, 表面发射的热絲的波~^1|上。因此，可以选择具有在"^个这些各自波段 中的适当特征的材料ijUt:射iUJt,。但是，即^tjt金属^f层的情况下， 也已经发现阳光的^j"在太阳能的有效部分集中的紫外线波^t远非最佳。
US6587263描述了^t具有^H"底、涂敷于其上的齡层、涂敷齡层 的絲层以;SiMt^层的散热层的复合结构的舰的OSR。 ^j"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vjl^层^JiiL包括 呈现不同空间折射率的 一层或多层已调制的Si02/SiOxNy/Si3N4涂层。
选择在太阳光镨(200nm到2500nm)中具有低电^H^及收率的材料应 用于散热层中。这包括部分紫外(UV)光镨(200 - 400nm )，可见光潜(4000 一 750nm)和i^f光潜(750 一 2500nm )。该材朴迅必须呈现出在^f波长范 围(2.5jim到25nm)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i普中由金属(Ag或AI)M层的 ^SJt有关的问题，设计已调制的散热层以^lt与界面吸收有关的波长范围内(典
型地是380nm) ^j"光，从而使得相应的A^太阳辐射不到达与A^金属层的 界面。
主要通过实现了改进有害UV ,的M和^M^卜发射率的金属层g
热层而实现了宽波^a^jft特性(uv、可见^i^卜)，上g构取决于频率
既作为散热器又作为A^t器。但是，虽然这样的osr呈现出a的热性能以 ;sjwi^f^i更薄的i^璃，然而仍然需^(^金属层实现可见it^t。
一^4t定的问题^W源传输^阵列的献器中出现。这样的賴阵
列可以包括几百个分立的，元件，^""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A^元件的射频(rf)信号提供相位控制，以便网 状辐射图案的P车列具有期望的定向性。t/r ^^也用低噪音放大器放大接收信 号，放大由功率放大辦输的信号，且提^^如可调衰减和传输/接收切换的多 种其它功能。因此，阵列的"f-个分立的t/r微包^i午多高频电路，其必须 叙e^目关联的^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,的废热超过5kW。
因为这些A^典型J4^有3米量级的直径，在iE常的情况下，表面区J^L 够允许多余热能的耗"W^Mt正常运行温度。但是，对于朝向 的直#^ 天线，对于每天的若干小时而言日光输入功率在约每平米.lkW的量级。对于 这样的戏，上述日ib^入功率的耗散不可能利用常规的osr，因为典型^艮
或铝的^f金属层在^^^率是;f^导的。
发明内容
本发明的一个目的是提^""^膜材料，其在M器应用中提m^制并且
满;t孩&皮传^求。本发明的另一目的是提供适于M器应用的热膜材料，其 无需金属层即能实ii^財。
本发明的第一方面在于用于航天器的热控制膜，包括多层干拔摅波器，适
于呈现预选#^|在2.5jun到50fim的i^卜波长范围内的高吸收率和发射特 性、在200-2500nm的太阳光镨范围内的低吸收率、和在1到30GHz的^UrfC 频i普内的高传i^特性。
##本发明构建的^现出对太阳,的高^^率、在微ifc^语内的低吸 收率和x(fei^L外内的高发射率的组合，这为可以用在例:fet信或雷ii^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踏性，而不会导致RF 信号的中断。
热控制膜他逸不含金属，由:ttX现了对应用于通信和雷达的微^M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狱器设 备,的侵M电磁干扰。
该^^i^^^器M的^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* 遥控歉热器。
该膜可以为柔性片(flexible sheet)的形式或者为幹凃敷于^A器的表面的 ^^^层的形式。
包^i亥膜的多层干拔滤波a^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iL^终 的光学特性可以##确雌制。而且，这样的热膜可以容易 型为絲附接 的表面的形状。
或者，多层干^i^虑波器可以包括Si02、 SiO,Ny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M电离, 的破坏，并可以JJ^^于具有高热耗散的设备的不^J'J暴露表面。
这样的瓦片她具有小于200孩沐的厚度，妙M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戏，包^4布其工作面的上述総制膜。
为了更好的理解本发明，#(51以实例的方式参照附图，在附图中 图l是示出i^v^^器表面的太阳,光i普的简图； 图2是应用于光学干船虑波器中的Wl薄膜结构的示意图； 图3示出了M器承载的典型热膜净i^露至的太阳,光i普； 图4示出了才娥本发明的实施例构建的热膜的所期望的>^波语； 图5是组合了才M^本发明适合其工作表面的M制层的^JI^装的有源 传输A^的简化图。
M实施方式
*的技术成果已经导致薄膜干和虑波器的构勤目对便宜，其主要以波长 j^^p传^"性能的进步为特征。薄膜干^i^虑波器所^)的^fe念为
(i) 给出在两个介质之间錄的絲; 幅为(1 -r) / (1 + r )，
其中r是在边界的折射^: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) 如果规it^薄膜的Ji^下表面的A4t而分成两个分量，则光 束以如下方式复合如科目对的相移是180度，则复合后的振幅为两个分量的 振幅之差(相消干扰)；如勤目对的相移是零或360度的倍数，则复合后的振幅 为两个^f:的"^幅^^ (相长干扰)。
图2示出应用于干45虑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《誠，其中所有介电膜的厚度均为四分之一波长。在高系 It^中絲的絲不会产生由于絲导致的4封可相移，而在低系lt&中的;5t^ 射将由于a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(卯 ;l相;i"度)，由此可见，^A^边界由^j"生成的A^j"光的不同^J:在膜的前表 面处同相。这些ife^目^l合，且与A^it^目比具有非常高的M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^Jt率非常高。 保持高^l"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"卜，^Jlt率急剧降到非常低的值。
在干1虑波器的设计中，iiAJ^t的A^角也是重要的，因为它影响层的 规。也i6B兑，滤波器的中心波长将錄A^角增大而减小，且波长^#的 数量，于A^t角和滤波器的有效折射率。
利用薄M^支术可以实55^t不同类型的光学滤波器的涂层雄。斷錄面 ^^增加,率的扭^^凃层可以实现为在一个波长具有零M率的单层，
乃錄一个波长范围内具有零絲率的多层结构。ii^虑波器(例如长波和短
波通滤波器)呈现了在拒绝区^吸收区域之间的突变。带通滤波器呈现了在
^W具有拒绝区域的传输区域，而负滤波器(minus filter) ^M^脊消ft^个 波带，即具有由传输区^^fr"HW艮制的窄拒绝区域。
多层滤波器的设计涉^jt在叠层的^"层的界面的^j"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(needleoptimisation)的技术允许M"t^虑波器设计和 ^ii^
特^I用的精确,。这种优^^支术的^b^膜滤波器基于由M光波的相
^^振幅确定的干^^^t行。设计的实际和期望光if^性之间的一致性的 数量由涂层的^f函数(meritfunction)而提供。优资函教:員小，实际值和 目标之间的一致性tt^^1当财层厚度而对 函数优化时，麟波之间 的相位关系改变。如果4W"层的折射率而施衧优化，则^l"波的振幅^M^t变。 当不能进一步最小^ 函数时，就完錄学优^it程，而不在多层结构中引 入新的层。
在叠层内的合适位置插入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4^l4Wi实际值和目标值之间的一致性。应用于针似匕
才^的算，;^只别新的层应当被插入到多层结构中以促进M函数的(胃可能)
位置，并从预3^且中识别^^供最大的 的材料。
光学涂层通常利用例如热蒸发的常MJi艺在高真空涂层腔中制造。 ， 例如离子辅助^^P、 ( IAD )、离子束';pw^活'l^t',的被称为高能PVD工
艺的^jb进的技术已经用于制造可以应用于塑料衬底的 m的光学涂层。高能
PVD方法在许多情况下可以制造具有^it特性的薄膜，所述ifcii特性包括较高 的密度、较高的折射率、^显度和潮湿的斷氐的光译性能敏感度、以及M的 W^t性(例:iMt久性)。这些^M^"有的优^T，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^t料可以用于制^膜干4i^波器，选g些衬底材料以满足它 们预定应用的光学^械学需要，M满足期望的涂层材料的物理性质的^ 性。这些'I^资中对于在不同应用中的光学衬^N"料重要的是在感3^的波长范
围内的透射率、热膨胀系数和密度。这些材^Hi应当能4^匕学蚀刻、才/i^热
震动。 一些更普通的光学衬7Mt料是氟化镁、氟化钩、透明石英l (Suprasai) (多种溶融石英的商品名)、紫外皿融石英、红外珪301 (Infrasi1301 )(具有 ^^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'l^p^^，典型iik^择例如BK7的硼硅
^ik光学玻璃。
多层光学薄膜干拖虑波器目1TT以用4^^^成^^造。典型地，通錄 有衬底或没有衬底的情况下M (co-extruding)所有的层而制造聚^/薄膜滤
独立式(freestanding )膜叠层。为了增加軔性，外壳层可以包括在^J溪叠层 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。 ^^的聚^的选择可以基iS午多标准，包括折射率^r熔4沐性。最终的镜的 光学'M (即，贿率从前一个到下一个的变化)可以通过交替拉伸和转多 层聚*材料而精确#制，其等效于在前述的针优^^支术中插入新的层。
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^fM热和 压力的组^f娘与预制^M目符，默首;feit合于M^叠的表面的形状。 一旦 热成型，就可以1M脊逸的光学M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^^l情况下，也可以^fM聚合物多层膜的^P成型。
,本发明优选实施例的热控制膜包^^合物多层结构，该结构包^Ml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船虑波器。要, 具有对太阳辐射低的吸收率，太阳,包括部分UV光谱(200 - 400nm )、可 见光镨(4000 一 750nm )和^il^卜光镨(750 — 2500nm )。膜必须^JJL^^: 外波长范围(2.5jun到50nm)的高的吸收率和发射率，其对应于与通it^ 阵列的T/R^^相关联的高频电路产生的热光傳。更进一步的才M^的标准AM
因为膜设it为在空间中使用，所以使用的材^不仅要有经受4f^T关温度的变 化的能力，而《&还要能够##^1种极端环嫂下的光学特性的要求。也因为抑 制带的带宽非常高，所以应用在溪中的材料之间的折射R比应当尽可負^高。 应用于他逸实施例中的热膜包括例如3M 的辐射 产品的多层聚# 膜。3M^f微VM2002是实,或实验性的材料，^4皮制iM来^H古，测 试或实验的目的，且包括具有^t萘二曱酸乙二脂(polyethyleiien叩hthalate) 的夕NW层的多层聚^膜，用于防止经由磨损、潮^A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^f吏 用的^U顿率的高透过率。而且，没有金絲利于膜不M可能影响^^t 的腐城电磁干扰的影响。膜材料是热稳定的，最大连续^^l温度Wj 125C， 且典型g现了 A4t角在0到80范围，带宽在(400 -415)nm到(775 -1020)
nm上的高絲率。膜在775-1020nm以上的i^卜光语内传输波长，JL^ 400nm以上(即，可j^^卜光语)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# UV光i普内所期望的低吸收率。
虽然上述实施例中，g于商业可用材料，采用其以实现期望的光学棒性， 但是可以理解的是对于精确胁需求，可以制奴制的材料。这样的定制膜可 以从例如3Mm和i午多其它的专业供应商获得。如前述，^it样的多层膜中，
,的4角是一个重要的因素。对于赤道^m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il^:Wl倾斜的角度，因jt遽:^阳光注 ^Lt^至点(solstice )。这样的定制^i这个角度理^M^M。
图5是示出^^本发明M实施例的组合了热膜的M器的有源传输^ 阵列的简化形式。可以理解的是本发明可以应用于^f可类型的微^L^线。如前 所述，^阵列1包括几百个分立的絲元件3 (图中所示的是一小部分)，每 一个元件3具有叙E^目关联的^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。
才N^本发明优选实施例的热膜7制iiA独立式软片的形式，其已经切割成
将^#应用到的天线1的形#尺寸。为了便于描述，在图5中，显示膜7在 附加到戏1的工作表面之前的状态。^#将薄片(具有50到150 范围的 厚度)置于^1的工作表面上，iLfM合适的光学^^^附接在那里。以这 种方式，頑1的工作表面可以用作热控制歉热器以将由狄器及其相关联的 T/R模夹的其它有源器件产生的废热耗散到空间中，而不是必须传^4控散 热器。基于聚M的膜结构的柔辆M有助于附接到頑的弯曲表面。膜的厚 度不肯魄过200絲。
^^本发明构建的^m出对于太阳旨的高^j"率、在微^Mi普范围内 的低吸收率、和^i^卜内的高发射率的组合，这为皿制^t表面提供了期 望的热 -錄性，其可以不中断RF信号而应用于通信或雷ii^的工作表面。
可以,的是虽然*^|可以用于将膜与^4面#，但是也可以^f^J 其它的附接方法，例如夹子、^^或其它合适的固定手段。当A^具有不^!J，J 形M当其表面不光滑的时候，这样的连^^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##本发明的基于聚合物的热膜，^a是可以衝眸的^i也可
以使用基于玻璃或石英的结构。如前所述，例如BK7的硼^盐光学玻璃，因 务阮良的光学特性、空间环《免下的稳定'1^其礼^，也是一种非常合适的衬底 材料。干M可以由Si02、 SiOxNy和Si3N4的^f可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^虑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it^法立i^片、系列瓦片 或作为^^liJ，J表面的J^层的形式。
权利要求
1、一种用于航天器的热控制膜，包括多层干扰滤波器，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特性、和在1到30GHz的微波频谱内的高传输特性。
2、 根据权利要求1的热控制膜，其中所组没有金属'
3、 根据权利要求1的热控制膜，其中所iiM^所ii^器絲的天 线的工作面。
4、 根据权利要求1到3的热控制膜，其中所 ^7柔性片的形式。
5、 根据权利要求1或2的热控制膜，其中所述膜凃敷于所述航天器的表面的液体涂层的形式。
6、 根据前述任一权利要求的热控制膜，其中所述多层干枏虑波器 合物结构。
7、 根据前述任一权利要求的热控制膜，其中所述多层干拖虑波器包括 Si02、 SiOxNy和Si3N4的任"^组合的一层或多层。
8、 根据权利要求7的热控制膜，其中所^A多个瓦片的形式。
9、 根据前述任一权利要求的総制膜，其中所M的厚度小于200微米。
10、 根据前述任一权利要求的热控制膜，其中所鄉的厚度在50到150 Wt的范围内。
11、 一种包括根据前述任一权利要求的热控制膜的天线，该JM盖该天 线的工作面，
全文摘要
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。
文档编号H01Q1/00GK101194391SQ200680017120
公开日2008年6月4日 申请日期2006年5月17日 优先权日2005年5月20日
发明者P·J·布鲁克斯 申请人:Eads航空有限公司