FSS天線罩輻射加熱試驗溫度測試和控制方法研究

尹曉峰 徐銀芳 胡由宏 曹志偉 武小峰 王成亮

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

0 引言

導彈天線罩為了降低外部電磁干擾、減小雷達散射截面，通常采用頻率選擇表面作為一種解決方案。FSS基本結構為平面二維周期陣列[1-3]，單元分為金屬貼片型和縫隙型，當電磁波照射到單元上會引起諧振，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計制備周期性金屬單元圖案，可以實現相應的頻率選擇效果。

為了測試高溫試驗后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，FSS天線罩結構在應用前通常需要經過高溫熱匹配性能試驗和相應電性能測試考核，其中以石英燈、石墨為加熱方式的輻射熱試驗是考核FSS天線罩熱匹配性能的一種重要的技術手段[4-8]。

在針對普通天線罩結構的輻射熱試驗中，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粘貼熱電偶溫度傳感器[9]，來進行溫度測試與加熱反饋控制。但是對于FSS天線罩，考慮到在高溫熱匹配試驗后還需進行電性能測試，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方案[10]。盡管如此，由于FSS天線罩的金屬涂層表面發射率較低，反射率較高，這一特點一方面會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天線罩結構的輻射熱匹配試驗，擬設計高功率石英燈加熱器，并采用小試樣調試和反控技術方案，解決天線罩表面非接觸式溫度的準確測試和控制的技術難題，以滿足相關試驗考核需求。

1 試驗

某型FSS天線罩由編織石英基體與表面金屬涂層組成。輻射熱匹配試驗要求天線罩除端頭位置外的金屬涂層區域，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。試驗后觀察天線罩涂層表面是否出現鼓包、脫落等現象。

圖1 FSS天線罩結構及輻射加熱條件 Fig.1 FSS radome structure and radiation heating condition

采用TEMP 2000A紅外發射率/反射率測試儀（波長范圍：3～35μm）對FSS天線罩涂層表面10個不同位置的常溫發射率進行了測試，測試結果如表1所示，可以看出涂層表面發射率較低，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域均勻加熱，根據天線罩的結構形式，設計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構組成，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構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]。試驗采用溫度作為變量進行反饋控制，系統控制框圖如圖3所示，控制點有2個，K1和K2，分別位于天線罩表面對應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 試驗系統控制框圖 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行了計算，計算結果如圖4所示。可以看出天線罩表面的涂層區域的溫度均勻性良好，均勻性偏差最大不超過10.7%，并且偏差隨加熱時間逐漸降低。另外，由于天線罩表面較低的發射率（較高的反射率）以及拋光反射板的反射作用，光線在加熱區域發生多次反射和吸收，增強了熱場的均勻性，進而使得兩排石英燈拼接處位置（橫坐標約50%處）的溫度僅僅略低于兩排石英燈中心區域，并未出現明顯的加熱盲區[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構開展了調試試驗，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）進行控制，試樣表面發射率設為0.4，同時粘貼K型熱電偶進行對比測試。試驗結果如圖5所示，Th—紅外測溫儀，T1、T2—K型熱電偶。

圖5 小試樣平板調試結果 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；兩個熱電偶測溫一致性良好，熱電偶的溫度測試結果顯著低于紅外測溫儀，紅外測溫儀顯示1200°C時，實際熱電偶溫度只有約860°C。考慮到試樣的表面發射率在高溫下會發生變化[11,14]，并且較高的反射率可能會將石英燈熱源的輻射光反射至紅外測溫儀，進而影響測溫精度，因此直接采用紅外測溫儀進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，設計了調試反控方案，如圖6所示：

圖6 調試反控方案示意 Fig.6 Schematic diagram of solution of debugging and inverse control

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

（2）在小試樣平板上采用紅外測溫儀按照上面測試結果Thr進行反向控制，獲取熱電偶的測試結果Tor，對比To和Tor結果，對調試反控方案進行驗證；

（3）采用紅外測溫儀進行控制，應用于天線罩結構的熱匹配試驗中。

3 結果與討論

采用熱電偶進行控制的小試樣平板調試試驗結果如圖7所示，其中T1和T2為熱電偶結果，T1進行反饋控制，T2進行測試，Th為紅外測溫儀測試結果，C.S.為計算機控制輸入信號，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，因此調試試驗的控制曲線在圖1基礎上進行了相應修改：試驗起始階段采用C.S.信號控制，保持恒定輸出至熱電偶到達400°C溫度平臺，記錄恒定輸出時間（根據圖5結果，紅外測溫儀測試結果顯著高于熱電偶，在后面的反控試驗中C.S.信號控制輸出相同時間，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1200°C峰值。

圖7 小試樣調試試驗控制及測試結果 Fig.7 Control and measurement results of debugging test for small plate specimen

由測試結果可以看出熱電偶控制狀態良好，紅外測溫儀測試結果顯著高于熱電偶，并且在熱電偶1200°C穩定段時，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。

根據調試試驗中紅外測溫儀的測試結果，制定了反控溫度控制曲線，并對小試樣平板進行了反控驗證試驗。起始階段仍恒定C.S.信號輸出相同時間，然后切換紅外測溫儀程序控制曲線。控制和測試結果如圖8所示，可以看出紅外測溫儀控制狀態良好，熱電偶在1200℃穩定段的溫度偏差小于2.5%，證明了調試反控方案的有效性。

圖8 小試樣反控試驗控制及測試結果 Fig.8 Control and measurement results of inverse control test for small plate specimen

利用上述調試反饋方案，對FSS天線罩結構進行了輻射熱匹配試驗。試驗采用兩個紅外測溫儀分別對如圖2所示的天線罩上下兩個加熱區域進行溫度控制，另外在天線罩根部附近（不影響后續電性能測試的部位），粘貼了3個K型熱電偶進行溫度測試。試驗照片及控制測試結果分別如圖9、圖10所示，可以看出兩個加熱區域的溫度控制良好（Th1和Th2），三個熱電偶在加熱峰值時刻（140s）損壞，損壞時溫度約1200°C。考慮到K型熱電偶的使用上限溫度即為1200°C，根據上述調試反控，以及正式試驗的綜合分析，可以判斷試驗達到了1200°C均勻加熱的要求，進一步說明調試反控方案切實有效，該方案可以實現對于FSS天線罩這類帶高反射率金屬涂層結構表面非接觸式溫度的準確測試和控制。

圖9 FSS天線罩結構輻射熱匹配試驗照片 Fig. 9 Photo of thermal matching test for radome structure

圖10 FSS天線罩結構輻射熱匹配試驗控制及測試結果 Fig.10 Control and measurement results of thermal matching test for FSS radome structure

4 結論

FSS天線罩結構輻射熱匹配試驗中提出了結構表面不允許涂黑和粘貼熱電偶的技術要求。考慮到天線罩表面金屬涂層具有高反射率特點，設計采用了小試樣平板調試和反控技術方案，建立了接觸式熱電偶與紅外測溫儀之間的定量對應關系，然后應用于天線罩結構輻射熱匹配試驗中，試驗結果顯示調試反控方案有效，實現了天線罩表面非接觸式溫度的準確測試和控制。