庞博

摘要：主要介绍了美国NASA航天器用光缆组件应用及发展，对目前在用的AVIM及MTP光连接器件进行了介绍，并以NASA水星高度计MLA及月球高度计LOLA为例，介绍了光缆组件的组成及功能，旨在为我国航天用光缆组件的型号应用提供参考。

关键词：光缆组件;航天器;激光测距;光纤器件

中图分类号：TN253

文献标识码：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.08.067

1 航天器用光纤器件使用概况

自从1978年首次将无源光纤器件应用在航天器开始，其在航天领域的应用已经走过了40多个年头，1992美国NASA戈达德航天中心（Goddard Space Flight Center）在小型探索者项目（ SMEX）中证实了光纤器件可应用在航天器总线传输系统中，1992年该项目所发射的第一个航天器太阳磁层异常粒子探测器截至2008年还能通过其光缆传输系统向地面传输有效的探测数据。美国NASA现主要使用MTP阵列连接器和菱形AVIM单模/多模光连接器件[1]。

菱形AVIM单模/多模光连接器件由洛克希德马丁公司生产，在20世纪90年代中期被NASA和ESA批准获得航天器应用资格，该光连接器件首次使用在地球激光测高仪（ GIAS）实现单模与多模光纤的互联上并能很好地抵抗辐照诱导闪烁效应的影响，也应用在了水星高度计（ MIA）与月球侦查轨道器（ IRO）上。

MTP连接器是20世纪90年代中期为兼容垂直腔面激光器而发展的数据通信总线连接器，由NASA戈达德航天中心第一次应用在星载光纤数据总线（ FODB）上。以下主要对两种光纤器件及所应用的宇航任务进行介绍。

2 两种典型光连接器特点

MTP阵列连接器由美国Conec有限公司制造，主要与光纤数据总线（ FODB）配套使用，用于这种应用的光纤是商用级100/140 ym多模光纤。光纤带状电缆由W.L.Gore公司制造。该光缆配置包括ePTFE粘合剂、芳纶纤维强度构件和kynar护套。MTP连接器组件的平均插入损耗为每通道0.35 dB。每个连接器都装配了应变释放装置并使用符合太空战程序的套圈垫。在质量和成本降低方面，MTP连接器大约比以前使用的38999型连接器轻33倍，便宜20多倍。MTP连接器端面如图1所示。

20世纪90年代中期洛克希德马丁公司研究人员，为NASA选择单模光纤确定空间合格或合格的光连接器件时，发现市场上没有达到要求的产品，NASA要求连接器必须能够使每对配对的初始插入损耗不超过0.5 dB的最大值，在暴露于环境之后，每对配对的插入损耗不能超过0.7 dB。随后研究人员通过“主动对准”套圈终止技术在单模光纤上实现典型的0.2 dB插入损耗，该种带有主动对准技术的连接器即为AVIM DIN型光连接器件，外形如图2所示[2]。

3 光连接器在航天器型号的应用情况

3.1 在水星激光高度计上的应用

水星激光高度计（ MIA）是第一个前往水星的轨道飞行器（信使号）上的七个科学仪器之一。信使号于2004-08发射，2011-03抵达水星。NASA通过建立的荷马激光测距系统实现了在信使号前往水星过程中跨越2 400万千米的测距链路，这是迄今为止在太空中进行的最长的激光链路。MLA仪器由四架望远镜组成，如图3 （a）所示，其设计精度为0.5 m.MLA激光飞行时间测量和航天器轨道位置数据将有助于确定行星的表面高度、天平动和内部结构[3]。

作为接收光学系统的一部分，如图3 （b）所示，四根独立的跃折射率多模光纤从接收光学望远镜连接到MLA独立探测器。该光缆组件采用AVIM连接器，光纤采用丹顿公司的1 064 nm的抗反射涂层涂覆。光纤主要功能是将由4台接收望远镜收集行星表面反射回来的部分脉冲能量聚焦在4根光纤上，通过光学带通滤波器将信号传递给硅光电二极管。4个MLA接收望远镜安装在主外壳的角落處。每个望远镜的输出信号通过光纤耦合到安装在主外壳下的探测孔光学组件上[4]。

3.2 在月球轨道激光高度计上的应用

LOLA效果图如图4所示。

月球轨道激光高度计（LOLA堤月球轨道探测器（IRO）上对月球地形环境进行探测的仪器，LOLA仅由一架望远镜组成，其设计精度为O.l m。使用短脉冲1 064 nm激光器工作，通过测量反射的时间进行工作。LOLA利用衍射光学元件将一束激光分割成五束单独的脉冲光束，在接收光的后面有五根位置非常精确的光纤，将每束光束与指定的探测器连接起来。

为了保证从仪器表面反射到仪器上的五个点的完整性，研制了一种光纤阵列，将整个阵列封装成一个单一的保偏型菱形AVIM连接器。并选用200/220 μm台阶折射率FI系列光纤满足传输性能要求，图5显示了所有5根200/220 μm阶跃折射率光纤整体图及端面图形[5]。

激光测距（ LR）任务是LRO的一个附加任务，主要挑战是如何将来自地球的532 nm的激光脉冲传输到月球勘测轨道飞行器的另一端，脉冲将被激光测距望远镜收集并聚焦到阵列组件中，同时将激光和接收器的光学聚焦到月球上。主要方案是通过一根长光缆将来自LR接收望远镜的光线穿过高增益天线系统（ HGAS）框架，并且沿着HGAS吊杆向下，穿过一个一次性可展开的心轴，然后绕着航天器的另一侧到达LOLA探测器。总距离小于lOm，但在弯曲约束下，受低温和运动影响较大。戈达德太空飞行中心（ GSFC）专门开发了一种使用定制菱形AVIM PM连接器的7根光纤阵列。这项技术使激光测距应用于LRO成为可能。由于高性能的要求，选用400/440 μm台阶折射率FV系列光纤，在设计初期就决定将光纤束与定制的菱形AVIM光连接器件一起使用[5]。

激光测距应用需要总共三根电缆，如图6所示，以便在与几个子系统集成时更加容易。子系统包括框架、HGAS臂和LRO航天飞机。由于需要三个组件，因此，需要特別注意这些组件之间的互连。光纤阵列连接器套圈是调节这些接口插入损耗的重点。每根电缆由7根flexlite电缆光缆绕着与flexlite电缆外径大致相同的PFA缓冲材料包覆而成。

4 总结

本文以NASA水星高度计和月球轨道探测器光缆组件为例，介绍了光缆组件在太空任务中功能及应用特点。主要针对未来我国航天器光缆型号需求，对国外已成功应用的宇航型号进行分析，为我国相关研究开展航天器用光缆设计及可靠性验证技术研究提供有力支撑。

参考文献：

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[2] MELANIE N OTT ， W. Joe Thomes ， Richard F. Chuska，et al.Small form factor optical fiber connector evaluationfor harsh environments [J] .Nanophotonics andMacrophotonics for Space Environments V ： Proc. SPIE ，2011 （ 8164 ）： 1-14.

[3] JOHN F CAVANAUGH ， JAMES C SMITH ， XIAOLISUN ， et aI.The Mercury Laser Altimeter Instrument forthe MESSENGER Mission [J] .Space Science Reviews，2007 （ 131 ）： 451-479.

[4] MELANIE N OTT ， MARCELLUS PROCTOR ，MATTHEW DODSON ， et al.Optical fiber cable assemblycharacterization for the Mercury Laser Altimeter[J] .Enabling Photonic Technologies for AerospaceApplicationsV ： Proc SPIE， 2003 （ 5104 ）： 97-106.

[5] MELANIE N OTT， XIAODAN LINDA JIN， FRANK VLAROCCA ， et al.Space flight requirements evaluationtesting on the 7 0ptical fiber array connector/cableassemblies for the Lunar Reconnaissance Orbiter （ LRO ）[J] . Nanophotonics and Macrophotonics for SpaceEnvironments： Proc SPIE， 2007 （ 6713Q ）： 1-12.