天線窗材料熱透波特性風洞測試方法

王國林，張曉晨，馬昊軍,*，劉麗萍，羅杰，張軍

1. 中國空氣動力研究與發展中心 超高速空氣動力研究所，綿陽 621000 2. 北京臨近空間飛行器系統工程研究所，北京 100076

天線窗材料是保護高超聲速飛行器在惡劣的氣動熱環境下通訊、遙測、制導、引爆等系統正常工作的一種防熱透波多功能復合電介質材料，在運載火箭、飛船、導彈及返回式衛星等航天飛行器無線電系統中得到廣泛的應用[1-2]。

熱透波是指電磁波通過高溫或燒蝕狀態的天線窗材料的動態傳輸過程，其物理機制和過程遠復雜于電磁波在室溫穩態電介質材料中的傳輸。在嚴重的氣動加熱環境下，飛行器的天線窗成為熱窗，其表面溫度迅速達到1 000～3 000 K或更高，窗體自外至內形成明顯的溫度梯度。天線窗材料表面高溫區將經歷相變，或者分解、氣化，材料內部也會隨溫度的變化而發生不同的物理、化學、微觀組織結構變化，從而引起材料物性的變化[3]。伴隨這一變化過程，材料的透波特性可能發生很大的改變。這種熱透波效應會造成信號衰減，使雷達作用距離縮短、天線方向圖發生畸變，瞄準精度下降，甚至發生測控信號的中斷或脫靶。

同時，高超聲速飛行器在大氣層中飛行時，在飛行器周圍形成等離子體鞘套，這種非均勻、碰撞、弱電離的等離子體對電磁波信號的衰減作用很強，同樣可以導致飛行器與地面測控系統的通信中斷[4-6]。

天線窗的熱透波效應和等離子體鞘套的衰減作用，是產生“黑障”的主要原因。因此，在地面模擬環境中，對天線窗材料的熱響應和燒蝕特性進行研究，并測試其在高溫或燒蝕條件下的介電特性、透波帶寬、電磁波幅值和相位變化等，是分析天線窗材料特性、設計和研制高性能天線窗的基礎；開展等離子體和天線窗的透波特性聯合測試，是進行“黑障”研究和飛行器通信制導系統設計的基礎。

國外在電弧風洞上對阿波羅飛船天線窗[7]的熱響應特性和燒蝕前后的射頻傳輸特性進行了研究，對氮化硼材料在高溫下的介電特性和電磁波損耗特性進行了理論和試驗分析[8-9]，獲得了天線窗材料在高溫條件下的燒蝕特性和透波特性。國內也在電弧風洞上開展了天線窗材料熱燒蝕特性及透波特性聯合試驗[10]。

相比于電弧風洞，感應耦合等離子體風洞采用感應加熱的方式產生等離子體，沒有電極燒蝕對等離子體的污染，可以有效模擬等離子體的電子數密度和碰撞頻率，是開展天線窗和等離子體對電磁波傳輸特性影響研究的理想設備。

本文利用感應耦合等離子體風洞產生一定參數的等離子體射流，對天線窗進行加熱作用，測試了一定熱流分布條件下天線窗表面的溫度，同時采用矢量網絡分析儀和微波天線組成的測試系統，獲得了天線窗在等離子體覆蓋條件下以及降溫過程中無等離子體覆蓋條件下不同溫度下的透波特性。

1 等離子體射流及熱環境參數

1.1 等離子體射流的產生

感應耦合等離子體(Inductively Coupled Plasma，ICP)風洞能夠提供純凈的、長時間穩定運行的高焓等離子體射流，被廣泛應用于再入飛行器氣動熱研究[11-12]、高超聲速飛行器防熱材料性能試驗研究[13-14]、火星探測器氣動熱與熱防護研究[15-16]等方面。常規工作條件下，感應耦合等離子體射流的電子數密度范圍為1010～1013cm-3，碰撞頻率范圍為109～1010Hz。

為了產生一定厚度的薄片狀等離子體射流，本研究采用出口截面尺寸為50 mm×250 mm的矩形噴管，從而形成厚度為50 mm(即電磁波傳輸方向)的片狀等離子體射流，如圖1所示。根據風洞運行狀態，該噴管的等離子體射流速度為100～200 m/s。

圖1 矩形噴管等離子體射流Fig.1 Plasma jet of rectangular nozzle

1.2 天線窗表面冷壁熱流測試方法

試驗中，需要針對平板天線窗開展熱透波試驗，并保證天線窗表面熱流分布盡可能均勻，為此采用平板燒蝕試驗技術。

首先，開展了流場狀態調試和天線窗表面熱流測試。將風洞運行在一定的狀態下，產生射流參數一定的等離子體射流；將熱流校測模型嵌套在試驗段中的專用水冷支架上；通過送進系統將水冷支架送至等離子體射流中，并保證水冷支架前端與噴管出口齊平。測試時，利用送進系統將熱流探頭快速送至射流中心并短暫停留，得到量熱計的溫升響應曲線；通過溫升響應曲線的斜率和量熱計參數，得到各個測點的熱流[17]；根據熱流的大小，調整風洞運行狀態和水冷支架的迎角，直到熱流測試結果滿足試驗要求。

試驗中，設計了相應的熱流校測模型，如圖2所示，在熱流校測模型表面布置9個熱流測點，分別分布在平板中心、50 mm×50 mm和100 mm×100 mm的正方形各頂點上，每個測點均采用柱塞式量熱計。試驗中熱流測試誤差約為10%。

圖2 熱流校測模型Fig.2 Heat flux calibration model

1.3 天線窗表面等離子體流場電子數密度測試方法

試驗中，采用靜電探針診斷系統[18]測試覆蓋天線窗的等離子體電子數密度。探針采用了功函數較大、熔點較高、濺射率較小的金屬鉬作為探針材料，探針材料外面采用三氧化二鋁陶瓷絕緣和支撐，探針工作端直徑為1 mm、長度為15 mm。

采用靜電探針診斷系統獲得探針在等離子體中的伏安特性曲線。根據探針數據處理理論，當等離子體密度較高，探針半徑與等離子體Debye半徑比大于10時[19]，探針周圍的等離子體鞘層較薄，按照薄鞘層探針理論，得到正離子數密度[20-21]為

(1)

式中：Ii為離子飽和電流；As為探針有效面積；e為電子電量；Mi為離子質量；Te為電子溫度；kB為Boltzmann常數。探針的電子收集面積取決于探針鞘層的厚度，其可修正為[20-21]

As=Ap(1+δ/rp)

(2)

其中：Ap為探針的表面積；rp為探針半徑；δ為鞘層厚度，其表達式為[20-21]

(3)

其中：me為電子質量;λD為Debye半徑，其表達式為

(4)

其中:ne為電子數密度。

采用式(1)計算等離子體的電子數密度，采用式(2)～式(4)計算探針的有效面積，直到電子數密度和探針有效面積收斂為止。將本文的探針測試方法與微波測試結果進行對比驗證，發現誤差在20%以內[18]。

2 天線窗熱透波特性試驗方法

2.1 天線窗的布置

為了防止水冷支架的側向熱傳導對天線窗邊緣熱流分布的影響，將天線窗固定在泡沫石英框架中。泡沫石英耐熱性好，同時熱導率低，可以有效地隔熱。泡沫石英框架外形與熱流校測模型一致，前端方形沉孔可以保證天線窗放入后表面與其齊平，中心方形開孔為天線窗的有效透波孔徑，如圖3所示。泡沫石英框架可以保證天線窗材料側面和背面均與水冷支架隔開。

試驗前，將泡沫石英框架和天線窗安裝在水冷支架中，如圖4所示。水冷支架采用箱體封閉結構，各個面均采用夾層水冷，可以保護放在其中的微波天線及電纜不受等離子體射流的影響。

圖3 泡沫石英隔熱體Fig.3 Foam quartz for heat shield

圖4 放置天線窗的水冷支架Fig.4 Water-cooling support with antenna window

2.2 天線窗表面溫度測試方法

采用紅外熱像儀對整個天線窗表面的溫度分布進行測試，同時采用比色高溫計對天線窗中心位置的溫度進行測試。比色高溫計和紅外熱像儀分別以石英玻璃和ZnSe作為窗口材料，整個測試系統的布置如圖5所示。

在試驗室條件下近距離測溫時，可以忽略大氣透射和環境溫度對紅外熱成像測溫的影響，材料表面溫度測量結果僅僅與材料的發射率相關。因此，只要準確設定材料的發射率和測試路徑上的紅外窗口透過率，就可以得到材料的表面溫度。

圖5 熱透波測試系統Fig.5 Hot-wall microwave-transparency test system

采用ZnSe作為風洞洞壁上的紅外窗口材料，其在熱像儀測試波段的透過率為0.65。

試驗中，以比色高溫計測溫結果為依據，在紅外熱像儀中設定天線窗發射率，使相同時刻紅外熱圖中高溫計測量位置的紅外溫度與高溫計測試結果一致，從而得到正確的天線窗材料發射率。在紅外熱像儀中設定相應材料發射率和窗口透過率，從而獲得天線窗整個表面的溫度分布云圖。

2.3 天線窗熱透波特性測試方法

天線窗熱透波特性測試系統由矢量網絡分析儀、遠程數據采集與控制計算機、發射天線、接收天線以及低損耗同軸電纜等構成，如圖5所示，其中控制計算機與矢量網絡分析儀之間通過通用接口總線(GPIB)連接。

為了研究天線窗在X波段的熱透波特性，采用了一組增益為15 dB的標準增益天線。將發射天線放置在試驗段外部，并以石英玻璃作為透波窗口；將接收天線放置在水冷支架中，并距離天線窗一定位置，防止天線窗受熱后對天線和電纜造成影響。

試驗測試步驟為：

步驟1微波天線安裝就位，風洞各系統完成準備工作。

步驟2在不安裝天線窗的條件下，風洞抽真空，待真空度穩定后，在矢量網絡分析儀中設定測試通道和測試頻率點，調整發射天線的位置和角度，在矢量網絡分析儀中觀察透波電平的變化，確定透波電平最高的位置，保證測試系統的匹配最大化，獲得未安裝模型時測試頻點的透波電平。

步驟3關閉真空泵并打開試驗段，安裝天線窗，風洞重新抽真空，待真空度穩定后，測量模型安裝后測試頻點的透波電平，并進行測試系統調零。

步驟4風洞開車，在設定的試驗狀態下對天線窗模型進行燒蝕，燒蝕試驗與透波測試同時進行，采用比色高溫計和熱像儀測量材料表面溫度；風洞停車后，繼續測量天線窗透波電平和表面溫度變化。

設無等離子體加熱時測試系統的入射波功率為Pi，有等離子體時透射信號和反射信號的功率分別為Pt和Pr，則透射信號和反射信號的增益分別為[22]

Gt=10lg(Pt/Pi)

(5)

Gr=10lg(Pr/Pi)

(6)

電磁波功率衰減系數為[22]

(7)

3 試驗結果及分析

3.1 試驗狀態

通過試驗狀態調試，最終得到天線窗表面熱流分布如圖6所示，去除個別量熱計的安裝問題導致的數據缺失或偏低，同時考慮量熱計的測試誤差，可以認為：天線窗表面的熱流分布基本均勻，平均熱流為222 kW/m2。采用靜電探針測試了覆蓋天線窗的等離子體電子數密度，風洞中心軸線上等離子體電子數密度為1.1×1012cm-3。

圖6 天線窗表面熱流分布Fig.6 Surface heat flux distribution of antenna window

3.2 天線窗的熱響應

試驗中，采用等離子體射流對天線窗加熱3 000 s，之后風洞停車并關閉風洞進氣裝置，讓天線窗進入自然降溫過程并持續測試2 500 s。

圖7為雙色高溫計與紅外熱成像所測得的天線窗中心溫度(T)隨試驗時間(t)的變化，在該試驗狀態下，加熱500 s后天線窗表面溫度達到平衡，天線窗中心的平均溫度為910 ℃。

圖8為t=1 500 s和t=3 500 s時刻(加熱3 000 s，降溫500 s)天線窗表面溫度分布云圖，可見在加熱過程中天線窗表面的溫度分布差異小于100 ℃，降溫過程中天線窗表面的溫度分布差異小于30 ℃；圖8(a)中白色虛線框內為天線窗的實際大小，外圍是泡沫石英隔熱體的溫度分布。

圖7 天線窗中心的溫度測試結果Fig.7 Test results of temperature at center of antenna window

圖8 天線窗表面溫度分布Fig.8 Surface temperature distribution of antenna window

3.3 天線窗的熱透波特性

圖9為10.2 GHz電磁波傳輸特性隨測試時間的變化，可見：等離子體流場建立后，由于等離子體的衰減作用，電磁波信號急劇衰減；加熱過程中，由于天線窗的熱透波效應和等離子體的衰減作用，電磁波功率平均衰減為10 dB；風洞停車后，在無等離子體的條件下，電磁波功率衰減系數迅速回升并低于初始零點0.5 dB，之后隨著天線窗溫度的降低而升高。

圖10為降溫過程中無等離子體時天線窗熱透波特性隨表面溫度的變化曲線，可見：在80～750 ℃以內天線窗熱透波性能低于燒蝕前常溫條件下的，對電磁波的最大衰減為0.5 dB；天線窗透波性能隨著溫度的升高而降低，在天線窗溫度降為80 ℃時回到初始零點。

圖9 10.2 GHz電磁波傳輸特性隨測試時間的變化Fig.9 10.2 GHz electromagnetic wave transmission characteristics vs test time

圖10 天線窗熱透波特性隨平均表面溫度的變化Fig.10 Hot-wall microwave-transparency characteristics of antenna window vs average surface temperature

試驗前后分別對天線窗的質量和厚度進行了測量，測試結果表明：在該狀態下天線窗的質量燒蝕速率為4.7×10-4g/s，天線窗未發生顯著的燒蝕，表面形貌保持不變，無熔融現象。在該熱流條件下，天線窗材料有很好的抗燒蝕性。

下一步，將在本文工作的基礎上，對覆蓋天線窗的等離子體參數進行深入研究，獲得流場截面上等離子體電子數密度和碰撞頻率的非均勻分布，結合數值模擬，研究天線窗和等離子體耦合作用對電磁波傳輸特性的影響。

4 結 論

通過天線窗熱透波特性試驗，基于本文的試驗條件，可以得到以下結論：

1) 在222 kW/m2平均表面熱流作用下，本文所用的天線窗材料在3 000 s加熱過程中未發生顯著的燒蝕，天線窗中心的平均溫度為910 ℃。

2)在厚度為5 cm、中心電子數密度為1.1×1012cm-3的等離子體射流覆蓋條件下，天線窗透波電平遠低于無等離子體覆蓋時的透波電平，等離子體對電磁波傳輸特性的影響遠大于天線窗熱透波效應的影響。

3) 天線窗材料燒蝕后在80～750 ℃以內的熱透波性能低于燒蝕前常溫條件下的，且透波性能隨著溫度的升高而降低。

本文的方法為在地面等離子體風洞中開展天線窗熱透波特性試驗，分析天線窗材料高溫介電特性，開展天線窗材料選型試驗，研究電磁波在等離子體和天線窗中的傳輸特性建立了基礎。

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