尹曉峰 徐銀芳 胡由宏 曹志偉 武小峰 王成亮

（1 北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076；2 北京航天長征飛行器研究所，北京 100076）

0 引言

導(dǎo)彈天線罩為了降低外部電磁干擾、減小雷達(dá)散射截面，通常采用頻率選擇表面作為一種解決方案。FSS基本結(jié)構(gòu)為平面二維周期陣列[1-3]，單元分為金屬貼片型和縫隙型，當(dāng)電磁波照射到單元上會(huì)引起諧振，在傳輸特性上分別引起帶阻（貼片型）和帶通（縫隙型）特性。通過在天線罩表面設(shè)計(jì)制備周期性金屬單元圖案，可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的頻率選擇效果。

為了測試高溫試驗(yàn)后FSS天線罩的電性能有無衰減，并考核金屬涂層和天線罩的熱匹配性能是否滿足使用要求，F(xiàn)SS天線罩結(jié)構(gòu)在應(yīng)用前通常需要經(jīng)過高溫?zé)崞ヅ湫阅茉囼?yàn)和相應(yīng)電性能測試考核，其中以石英燈、石墨為加熱方式的輻射熱試驗(yàn)是考核FSS天線罩熱匹配性能的一種重要的技術(shù)手段[4-8]。

在針對普通天線罩結(jié)構(gòu)的輻射熱試驗(yàn)中，天線罩表面通常采取涂黑措施，來增加對輻射熱的吸收能力，并且在表面不同位置會(huì)粘貼熱電偶溫度傳感器[9]，來進(jìn)行溫度測試與加熱反饋控制。但是對于FSS天線罩，考慮到在高溫?zé)崞ヅ湓囼?yàn)后還需進(jìn)行電性能測試，為了防止涂層遭到破壞，其表面一般不允許涂黑和粘貼熱電偶，因此對于溫度測試和控制只能采用非接觸式紅外測溫技術(shù)方案[10]。盡管如此，由于FSS天線罩的金屬涂層表面發(fā)射率較低，反射率較高，這一特點(diǎn)一方面會(huì)增加輻射加熱的難度，另一方面對加熱源的輻射光反射也會(huì)干擾非接觸溫度測試的精度[11]，這給精確的表面溫度測試和控制帶來很大的困難。

本文針對典型的FSS天線罩結(jié)構(gòu)的輻射熱匹配試驗(yàn)，擬設(shè)計(jì)高功率石英燈加熱器，并采用小試樣調(diào)試和反控技術(shù)方案，解決天線罩表面非接觸式溫度的準(zhǔn)確測試和控制的技術(shù)難題，以滿足相關(guān)試驗(yàn)考核需求。

1 試驗(yàn)

某型FSS天線罩由編織石英基體與表面金屬涂層組成。輻射熱匹配試驗(yàn)要求天線罩除端頭位置外的金屬涂層區(qū)域，表面溫度以不低于10°C/s的速率升至1200°C后保溫10min，加熱條件如圖1所示。試驗(yàn)后觀察天線罩涂層表面是否出現(xiàn)鼓包、脫落等現(xiàn)象。

圖1 FSS天線罩結(jié)構(gòu)及輻射加熱條件 Fig.1 FSS radome structure and radiation heating condition

采用TEMP 2000A紅外發(fā)射率/反射率測試儀（波長范圍：3～35μm）對FSS天線罩涂層表面10個(gè)不同位置的常溫發(fā)射率進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如表1所示，可以看出涂層表面發(fā)射率較低，但一致性良好，約在0.4左右。

表1 FSS天線罩涂層表面發(fā)射率 Table 1 Surface emissivity of FSS radome coating

2 輻射加熱及溫度測試控制方案

為了保障天線罩涂層區(qū)域均勻加熱，根據(jù)天線罩的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)了隨形的錐形輻射加熱器，如圖2所示。加熱器主要由雙排石英燈、拋光水冷反射板等結(jié)構(gòu)組成，其中石英燈作為加熱元件為天線罩提供輻射加熱，反射板一方面作為支撐結(jié)構(gòu)起到固定石英燈的作用，另一方面可以反射石英燈向外的輻射光，提高加熱效率[12]。試驗(yàn)采用溫度作為變量進(jìn)行反饋控制，系統(tǒng)控制框圖如圖3所示，控制點(diǎn)有2個(gè)，K1和K2，分別位于天線罩表面對應(yīng)兩排石英燈的中心高度處。

圖2 FSS天線罩輻射加熱器 Fig.2 Radiation heater of FSS radome

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)控制框圖 Fig.3 Control diagram of test system

利用ANSYS軟件對上述加熱器在圖1 所示加熱條件下的天線罩熱場進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯鎏炀€罩表面的涂層區(qū)域的溫度均勻性良好，均勻性偏差最大不超過10.7%，并且偏差隨加熱時(shí)間逐漸降低。另外，由于天線罩表面較低的發(fā)射率（較高的反射率）以及拋光反射板的反射作用，光線在加熱區(qū)域發(fā)生多次反射和吸收，增強(qiáng)了熱場的均勻性，進(jìn)而使得兩排石英燈拼接處位置（橫坐標(biāo)約50%處）的溫度僅僅略低于兩排石英燈中心區(qū)域，并未出現(xiàn)明顯的加熱盲區(qū)[13]。

圖4 涂層表面溫度隨高度位置的變化曲線及天線罩表面的溫度分布 Fig.4 Variation curve of coating surface temperature with height and temperature distribution on radome surface

針對FSS天線罩的小試樣平板結(jié)構(gòu)開展了調(diào)試試驗(yàn)，其中采用非接觸式單波段紅外測溫儀（Reytek，MMG5系列，量程450°C～2250°C）進(jìn)行控制，試樣表面發(fā)射率設(shè)為0.4，同時(shí)粘貼K型熱電偶進(jìn)行對比測試。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，Th—紅外測溫儀，T1、T2—K型熱電偶。

圖5 小試樣平板調(diào)試結(jié)果 Fig.5 Debugging results of small plate specimen

可以看出紅外測溫儀在低溫段控制較差，高溫段控制良好；兩個(gè)熱電偶測溫一致性良好，熱電偶的溫度測試結(jié)果顯著低于紅外測溫儀，紅外測溫儀顯示1200°C時(shí)，實(shí)際熱電偶溫度只有約860°C。考慮到試樣的表面發(fā)射率在高溫下會(huì)發(fā)生變化[11,14]，并且較高的反射率可能會(huì)將石英燈熱源的輻射光反射至紅外測溫儀，進(jìn)而影響測溫精度，因此直接采用紅外測溫儀進(jìn)行溫度控制的方案不可行。

為了解決精確的表面溫度測試和控制問題，設(shè)計(jì)了調(diào)試反控方案，如圖6所示：

圖6 調(diào)試反控方案示意 Fig.6 Schematic diagram of solution of debugging and inverse control

（1）針對小試樣平板結(jié)構(gòu)，采用與天線罩結(jié)構(gòu)相同的錐形輻射加熱器，近似模擬相同的加熱狀態(tài)，通過熱電偶To進(jìn)行控制，獲取紅外測溫儀Th的測試結(jié)果Thr；

（2）在小試樣平板上采用紅外測溫儀按照上面測試結(jié)果Thr進(jìn)行反向控制，獲取熱電偶的測試結(jié)果Tor，對比To和Tor結(jié)果，對調(diào)試反控方案進(jìn)行驗(yàn)證；

（3）采用紅外測溫儀進(jìn)行控制，應(yīng)用于天線罩結(jié)構(gòu)的熱匹配試驗(yàn)中。

3 結(jié)果與討論

采用熱電偶進(jìn)行控制的小試樣平板調(diào)試試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，其中T1和T2為熱電偶結(jié)果，T1進(jìn)行反饋控制，T2進(jìn)行測試，Th為紅外測溫儀測試結(jié)果，C.S.為計(jì)算機(jī)控制輸入信號，表征石英燈加熱器的輸出功率。需要指出的是，考慮到紅外測溫儀起始測試溫度為450°C，因此調(diào)試試驗(yàn)的控制曲線在圖1基礎(chǔ)上進(jìn)行了相應(yīng)修改：試驗(yàn)起始階段采用C.S.信號控制，保持恒定輸出至熱電偶到達(dá)400°C溫度平臺(tái)，記錄恒定輸出時(shí)間（根據(jù)圖5結(jié)果，紅外測溫儀測試結(jié)果顯著高于熱電偶，在后面的反控試驗(yàn)中C.S.信號控制輸出相同時(shí)間，可以確保紅外測溫儀測試溫度超過450°C的起始溫度）；之后自動(dòng)切換至程序曲線控制，熱電偶溫度保持400°C至80s，然后線性升溫，140s到達(dá)1200°C峰值。

圖7 小試樣調(diào)試試驗(yàn)控制及測試結(jié)果 Fig.7 Control and measurement results of debugging test for small plate specimen

由測試結(jié)果可以看出熱電偶控制狀態(tài)良好，紅外測溫儀測試結(jié)果顯著高于熱電偶，并且在熱電偶1200°C穩(wěn)定段時(shí)，紅外測溫儀測試溫度逐漸降低，其趨勢與C.S.信號輸出一致，說明紅外測溫儀受到了試樣表面高反射率金屬涂層反射的石英燈輻射光的影響。

根據(jù)調(diào)試試驗(yàn)中紅外測溫儀的測試結(jié)果，制定了反控溫度控制曲線，并對小試樣平板進(jìn)行了反控驗(yàn)證試驗(yàn)。起始階段仍恒定C.S.信號輸出相同時(shí)間，然后切換紅外測溫儀程序控制曲線?？刂坪蜏y試結(jié)果如圖8所示，可以看出紅外測溫儀控制狀態(tài)良好，熱電偶在1200℃穩(wěn)定段的溫度偏差小于2.5%，證明了調(diào)試反控方案的有效性。

圖8 小試樣反控試驗(yàn)控制及測試結(jié)果 Fig.8 Control and measurement results of inverse control test for small plate specimen

利用上述調(diào)試反饋方案，對FSS天線罩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了輻射熱匹配試驗(yàn)。試驗(yàn)采用兩個(gè)紅外測溫儀分別對如圖2所示的天線罩上下兩個(gè)加熱區(qū)域進(jìn)行溫度控制，另外在天線罩根部附近（不影響后續(xù)電性能測試的部位），粘貼了3個(gè)K型熱電偶進(jìn)行溫度測試。試驗(yàn)照片及控制測試結(jié)果分別如圖9、圖10所示，可以看出兩個(gè)加熱區(qū)域的溫度控制良好（Th1和Th2），三個(gè)熱電偶在加熱峰值時(shí)刻（140s）損壞，損壞時(shí)溫度約1200°C?？紤]到K型熱電偶的使用上限溫度即為1200°C，根據(jù)上述調(diào)試反控，以及正式試驗(yàn)的綜合分析，可以判斷試驗(yàn)達(dá)到了1200°C均勻加熱的要求，進(jìn)一步說明調(diào)試反控方案切實(shí)有效，該方案可以實(shí)現(xiàn)對于FSS天線罩這類帶高反射率金屬涂層結(jié)構(gòu)表面非接觸式溫度的準(zhǔn)確測試和控制。

圖9 FSS天線罩結(jié)構(gòu)輻射熱匹配試驗(yàn)照片 Fig. 9 Photo of thermal matching test for radome structure

圖10 FSS天線罩結(jié)構(gòu)輻射熱匹配試驗(yàn)控制及測試結(jié)果 Fig.10 Control and measurement results of thermal matching test for FSS radome structure

4 結(jié)論

FSS天線罩結(jié)構(gòu)輻射熱匹配試驗(yàn)中提出了結(jié)構(gòu)表面不允許涂黑和粘貼熱電偶的技術(shù)要求?？紤]到天線罩表面金屬涂層具有高反射率特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用了小試樣平板調(diào)試和反控技術(shù)方案，建立了接觸式熱電偶與紅外測溫儀之間的定量對應(yīng)關(guān)系，然后應(yīng)用于天線罩結(jié)構(gòu)輻射熱匹配試驗(yàn)中，試驗(yàn)結(jié)果顯示調(diào)試反控方案有效，實(shí)現(xiàn)了天線罩表面非接觸式溫度的準(zhǔn)確測試和控制。