王耀霆，王 波，肖志偉，徐向陽，張小波

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

金屬網(wǎng)具有柔韌性好、收納比高、低剛度、低密度、高電磁波反射比等特點，被廣泛應(yīng)用于大型可展開天線的反射面。目前常用金屬反射網(wǎng)由多根較細的金屬絲加捻合股、紗線整經(jīng)、上機編織而成[1]，金屬絲表面鍍覆金屬保護層，如金或鎳，鍍覆后單根金屬絲徑有14μm、17μm 、27μm三種規(guī)格，根據(jù)電磁反射特性要求采用不同編織方案。某型號金屬網(wǎng)實物微距照片如圖1所示。

圖1 透射率測試原理圖Fig.1 Measurement principle of transmissivity

在軌飛行過程中金屬絲和空間環(huán)境之間的換熱以熱輻射的方式進行，金屬絲的熱輻射性質(zhì)對其溫度水平有決定意義。對于空間材料的熱輻射性質(zhì)主要指表面的紅外半球發(fā)射率εh和太陽吸收比αs兩個參數(shù)，吸收發(fā)射比αs/εh的大小與金屬絲受照的最高溫度成正比，而εh/Cp的大小與金屬絲進入陰影區(qū)后溫度降低的快慢程度成正比，其中Cp為金屬絲的熱容(J/K)。金屬絲的結(jié)構(gòu)特性決定了其熱容很小，因此較小的εh也會導(dǎo)致金屬網(wǎng)在軌溫度較低。

大型可展開天線反射面金屬網(wǎng)方案如表1所示：

從專著[2]上可以查到不同鍍金表面的αs、εh兩個參數(shù)的變化范圍很大：太陽吸收比αs的變化范圍為0.19～0.33；紅外半球發(fā)射率εh的變化范圍為0.01～0.025，對應(yīng)的吸收發(fā)射比αs/εh變化范圍為33～7.6。

根據(jù)熱平衡方程可以計算得到不同吸收/發(fā)射比情況下，將細金屬絲簡化為等溫圓柱體，對應(yīng)的受照平衡溫度如表2所示：

表2 金屬網(wǎng)熱物性與高溫范圍Tab.2 The Temperature V.S. Radiation Properties

由此可見，金屬絲的不同熱輻射特性對應(yīng)的受照平衡溫度變化范圍很大，但由于金屬絲尺寸太小，無法直接測試其表面熱物性，而利用大尺寸試樣又無法真實還原金屬絲的鍍覆工藝對熱物性的影響，因此本文通過測試已編織成成品的金屬網(wǎng)的熱輻射性質(zhì)間接獲得了金屬絲的半球發(fā)射率εh和太陽吸收比αs兩個參數(shù)。

在TMG等有限元熱分析仿真中，金屬網(wǎng)一般采用殼單元模擬?；诮饘倬W(wǎng)的結(jié)構(gòu)特性，仿真采用的殼單元的厚度、導(dǎo)熱系數(shù)均可忽略，關(guān)鍵是要通過設(shè)置殼單元的熱光屬性，來模擬金屬網(wǎng)在天線系統(tǒng)中的輻射傳熱關(guān)系，因此在熱分析仿真中，金屬網(wǎng)的透射率、太陽吸收比和半球發(fā)射率才是最值得關(guān)注的。

1 金屬網(wǎng)太陽光譜性質(zhì)測試

1.1 金屬網(wǎng)太陽光譜透射率(τs)測試原理

金屬網(wǎng)的太陽光譜透射率就是把太陽輻射作為投射輻射能量投射到金屬網(wǎng)上，其中透過金屬網(wǎng)的份額。由于編織金屬網(wǎng)所用材料為金屬絲，本身為不透明材料，因此金屬網(wǎng)的透射率就是透過“網(wǎng)孔”的太陽輻射能量在投入輻射總能量中所占的份額。由于航天器熱控制研究的太陽光譜范圍為0.2μm～2.6μm之間[4,6]，遠小于金屬網(wǎng)孔及金屬絲材尺寸，因此可以認為金屬網(wǎng)太陽光譜透射率與光譜波長無關(guān)，即：

τs(λi)=τs(λj)

其中λi、λj為0.2μm～2.6μm之間的任意波長。

國軍標[4]中的相對光譜法測試太陽光譜反射比，利用了積分球內(nèi)部光強檢測器檢測電流I(λi)與試樣反射比ρo(λi)和入射能量qs(λi)成正比的原理，即I(λi)∞ρo(λi)·qs(λi)，在標準反射板不變，而入射能量因金屬網(wǎng)遮擋而減小為τs(λi)·qs(λi)后，其光強檢測器檢測的電流I'(λi)∞ρo(λi)·τs(λf)·qs(λi)，將兩式相比得到：

即，入射孔帶金屬網(wǎng)狀態(tài)下相對于標準白板的光譜反射比與金屬網(wǎng)透射率相等。

1.2 金屬網(wǎng)太陽光譜透射率(τs)測試方法

根據(jù)上節(jié)原理，由于金屬網(wǎng)透射率與波長無關(guān)，因此只要在入射孔帶金屬網(wǎng)狀態(tài)下測試得到標準白板的光譜反射比，就是被測金屬網(wǎng)的透射率。

標準白板的光譜反射比測試方法可參見國軍標[4]的反射比測試方法。測試裝置按下圖1所示設(shè)置，首先在沒有金屬網(wǎng)狀態(tài)下完成標準白板的基線掃描，設(shè)定儀器的工作參數(shù)，然后在入射光孔處放置被測金屬網(wǎng)，在相同波長范圍內(nèi)進行相對于標準白板的光譜反射比掃描，得出的不同波長下的光譜反射比曲線就是金屬網(wǎng)的透射率，若透射率與波長無關(guān)，可以看到該曲線為一條水平線，其平均值就是金屬網(wǎng)透射率。

1.3 金屬網(wǎng)及金屬絲太陽光譜吸收比測試原理

對于金屬網(wǎng)的網(wǎng)孔狀物理結(jié)構(gòu)，必須對傳統(tǒng)的非透明材料的太陽光譜吸收比測試方法進行校準，本文利用國軍標[4]中的相對光譜法，依據(jù)金屬網(wǎng)的太陽光譜反射比ρeff、吸收比αeff和透射率τs的完備性(ρeff+αeff+τs=1)，通過測試金屬網(wǎng)的反射比ρeff和透射率τs，從而間接測試得到金屬網(wǎng)的太陽光譜吸收比αeff。

αeff=1-ρeff-τs

(1)

另外，通過金屬網(wǎng)的反射比ρeff和透射率τs，可以間接地的得到金屬絲本身表面的太陽光譜吸收比αs，推導(dǎo)如下：

假設(shè)投射到金屬網(wǎng)表面的總能量為q，其中q·τs能量份額被透射，投射到金屬絲上的能量為q·(1-τs)；被金屬網(wǎng)反射的能量為q·ρeff(或者q·(1-τs)·ρs)；而金屬絲本身是不透明的，因此被金屬絲吸收的能量為q·(1-τs)-q·ρeff，可得出金屬絲鍍層的太陽光譜吸收比為：

(2)

1.4 金屬網(wǎng)表面鍍層太陽光譜反射比(ρeff)測試方法

金屬網(wǎng)的太陽光譜反射比ρeff測試系統(tǒng)如下圖2所示，方法如下：

在金屬網(wǎng)試樣背面放置吸光材料或反射鏡，使透過金屬網(wǎng)的透射光被吸光材料完全“吸收”或“反射”掉，而不會返回到積分球內(nèi)引起測試誤差。

圖2 反射比測試原理圖Fig.2 Measurement principle of reflectivity

測試程序可參見國軍標[4]，完成標準白板的基線掃面后，在正式測試金屬網(wǎng)試樣前，增加空載測試，即在試樣孔處無被測件的情況下，按正常程序進行一次反射比掃描，得出的反射比應(yīng)接近于0±0.01，否則應(yīng)重新設(shè)置吸光材料或反射鏡的狀態(tài)，直到滿足0±0.01，然后再進行金屬網(wǎng)試樣的測試。得到金屬網(wǎng)的太陽光譜反射比ρeff，進行積分后得到金屬網(wǎng)的太陽光譜反射比ρeff。

式中：ρo(λi)-波長為λi時標準白板的光譜反射比(已知量)；

ρb(λi)-波長為λi時試樣相對于標準白板的光譜反射比(測試量)；

Es(λi)-對應(yīng)波長λi的太陽光譜單色輻射能量密度(已知量)；

Δλi-波長間隔Δλi=(λi+1-λi-1)/2，單位：μm。

2 金屬網(wǎng)紅外光譜特性測試

2.1 金屬網(wǎng)及金屬絲表面鍍層半球發(fā)射率測試原理

由于金屬網(wǎng)的特殊物理結(jié)構(gòu)，必須對傳統(tǒng)的非透明材料的半球發(fā)射率測試方法進行校準，本文利用國軍標[5]中的輻射計法，依據(jù)發(fā)射率理論，間接測試得到金屬絲的半球發(fā)射率εh。

假設(shè)將金屬網(wǎng)試件與已知發(fā)射率的背景樣片重疊放置，測試這種復(fù)合表面的半球發(fā)射率，測得的值為復(fù)合表面的有效發(fā)射率εeff，假設(shè)背景樣片的已知發(fā)射率為ε1，金屬絲的未知發(fā)射率為ε2，復(fù)合表面中露出的背景樣片面積為A1，金屬絲面積為A2，復(fù)合表面的面積為A，則有如下公式：

A·εeff=A1·ε1+A2·ε2

A=A1+A2

根據(jù)透射率的定義有：

τs=A1/A

整理得到：

(3)

上式中ε1為背景樣片發(fā)射率，金屬網(wǎng)的透射率τs通過1.2節(jié)方法測試得到，因此金屬絲表面鍍層半球發(fā)射率的測試就轉(zhuǎn)換為金屬網(wǎng)試件與背景樣片重疊的復(fù)合表面的有效發(fā)射率εeff的測試，εeff測試方法見下。

而在熱分析仿真中網(wǎng)孔“背景”發(fā)射率ε1=0，帶入公式3，可得仿真中金屬網(wǎng)等效發(fā)射率為：

εeff=εh·(1-τs)

決定金屬網(wǎng)在軌受照狀態(tài)下溫度的主要參數(shù)就是透射率和吸收/發(fā)射比，結(jié)合公式1)，2)，3)可以得到金屬網(wǎng)的吸收/發(fā)射比：

(4)

由此可見金屬網(wǎng)的有效吸收發(fā)射比由金屬絲本身的熱物性決定，而與編織工藝無關(guān)。

2.2 復(fù)合表面有效發(fā)射率(εeff)測試方法

復(fù)合表面發(fā)射率測試原理及測試程序可參見國軍標[5]所述方法，區(qū)別僅僅是把試樣更換為金屬網(wǎng)試件與背景樣片重疊的復(fù)合樣件。

一般情況下輻射計會帶有一黑、一白兩片參比試樣，黑片發(fā)射率在0.88左右，白片發(fā)射率在0.05左右，可以用參比試樣作為復(fù)合表面的背景樣片，考慮到金屬絲鍍層本身的發(fā)射率極小，與白片發(fā)射率接近，為了提高測試精確度，建議用黑片作為背景樣片進行測量，測量三次以上取平均值。

3 實驗部分

太陽光譜涵蓋了波長短于10-14m的γ射線到長于104m的無線電波，其中能轉(zhuǎn)換成熱能的部分主要是0.18μm～40μm之間，它占太陽總輻射能的99.99%。

地球大氣層外太陽光譜輻照強度平均值為1367W/m2，一年內(nèi)隨日地距離有±3.5%的變化[3]。太陽光譜中95.87%的能量集中在波長0.2μm～2.6μm的光譜范圍內(nèi)[3]，地球軌道航天器熱控工程中主要關(guān)注這個譜段范圍內(nèi)的太陽吸收比。國軍標[4]將測試譜段分為：0.2μm～0.6μm(測試間隔不大于5nm)；0.6μm～0.75μm(測試間隔不大于10nm)；0.75μm～1μm(測試間隔不大于50nm)；1μm～2.6μm(測試間隔不大于100nm)。

由于金屬網(wǎng)自身剛度極小，不具備常規(guī)試片的剛度特性，且金屬網(wǎng)的張力對透射率影響較大，被測金屬網(wǎng)試樣需采用窄金屬邊框制作具有固定張力的金屬網(wǎng)試片，并且在測試過程中維持其張力不變(透射率一定)，見圖4所示。

試樣

按照上文原理，對某種金屬網(wǎng)測試，得到單色光譜透射率、反射比、吸收比(圖5a)，將每個波長的測試結(jié)果與太陽光譜單色輻射強度乘積后得到下圖5 b)所示的金屬網(wǎng)的透射、反射、吸收特性曲線，各條曲線下方的面積與太陽光譜總能量之比為金屬網(wǎng)的太陽光譜透過率、反射比和吸收比。圖示可見太陽光譜透射率幾乎不隨波長發(fā)生變化。

按上述方法對4種金屬網(wǎng)試樣進行了測試，結(jié)果如下表：

a)單色光譜測試數(shù)據(jù) b)太陽光譜特性圖5 某金屬網(wǎng)光譜特性曲線Fig.5 Optical-Property curve of a metal wire mesh

表3 金屬網(wǎng)熱物性測試結(jié)果Tab.3 The Measurement Radiation Properties of Metal Wire Mesh

4 仿真分析

在有限元熱分析軟件中可以將金屬網(wǎng)理想化為平面(即用“殼單元”模擬金屬網(wǎng))；或者從微觀上將金屬絲理想化為等溫圓柱，用上表測試得到的熱物性參數(shù)可計算其受照的平衡溫度(太陽常數(shù)取全年最大值1414W/m2)，見下表：

表4 不同金屬網(wǎng)的平衡溫度Tab.4 The Temperature of Different Metal Wire Mesh

將金屬網(wǎng)理想化為平面時，國產(chǎn)鍍金鉬絲網(wǎng)的受照平衡溫度329℃左右；進口鍍金鉬絲網(wǎng)的受照平衡溫度193℃左右；將金屬絲理想化為等溫圓柱體時，國產(chǎn)鍍金鉬絲的受照平衡溫度268℃左右；進口鍍金鉬絲的受照平衡溫度145℃左右。

“絲”的溫度分別比“網(wǎng)”會偏低40～50℃，主要原因是：從金屬網(wǎng)的微觀結(jié)構(gòu)看(見前文圖1照片)，金屬絲通過合股、編織等工藝，在空間相互交叉重疊，并不是孤立的“等溫圓柱體”，每根“絲”與冷空的視角系數(shù)被四周的其他“絲”遮擋，并且存在相互間的輻射和傳導(dǎo)熱交換，因此導(dǎo)致實際上每根“絲”外表面與冷空的輻射視角系數(shù)<1，而理想化為等溫圓柱體時，圓柱外表面與空間的輻射視角系數(shù)取“1”，導(dǎo)致金屬絲與冷空的輻射換熱量增加，溫度偏低。

由計算結(jié)果可見，金屬網(wǎng)在軌受照的溫度水平主要由金屬絲鍍層的熱物性決定：進口鍍金鉬絲采取“電鍍金”工藝，而國產(chǎn)鍍金鉬絲采取“物理鍍金”工藝，導(dǎo)致兩種鍍層的熱物性不同，平衡溫度也不同。采用相同工藝金屬絲編織的金屬網(wǎng)，因編織要求和工藝不同，透射率不同，從而導(dǎo)致金屬網(wǎng)的熱物性(αeff，εeff)有差異，但吸收/發(fā)射比(αeff/εeff)相同(僅與鍍層特性有關(guān)，見公式4)，在軌溫度也接近，反映了鍍金工藝的一致性。

5 結(jié)論

本文提出了一種測試半透明材料的太陽光譜性質(zhì)、紅外光譜特性的原理和方法，對于其他半透明材料，如玻璃、聚酰亞胺鍍鍺膜等也可以適用，本文介紹的測試方法中，當材料為非透明體時，τeff=0，就演變成常規(guī)非透明材料的測試方法。

金屬網(wǎng)的宏觀熱物性(αeff，εeff)與透射率(τs)密切相關(guān)，即不同的工藝會有不同的αeff和εeff，而吸收發(fā)射比(αeff/εeff)由絲材本身鍍層的熱物性決定(見公式4)，與編織工藝無關(guān)，因此對于金屬網(wǎng)這種由金屬絲編織而成的功能性結(jié)構(gòu)材料，其在軌溫度僅與絲材本身鍍層的熱物性相關(guān)，與編織工藝無關(guān)；這種金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)在熱分析計算中，理想化為平面所計算得的溫度結(jié)果更接近于實際在軌溫度水平。

金屬絲鍍層本身的太陽光譜吸收比和反射比與透射率無關(guān)，但透射率數(shù)據(jù)會影響測試結(jié)果，必須準確獲取，且進行金屬網(wǎng)透射率測試和反射比測試時的透射率必須保持一致。