秦家勇，柳曉寧，劉 暢，王 晶，林博穎

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

控溫型吸波箱溫度均勻性研究

秦家勇，柳曉寧，劉 暢，王 晶，林博穎

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

文章以一個小型吸波箱為研究對象，采用TD軟件對吸波箱的溫度與其內(nèi)部放置的天線表面熱流均勻性之間的關(guān)系進行了仿真分析，依據(jù)仿真結(jié)果設(shè)計吸波箱的控溫回路和控溫策略，最后通過模擬試驗對吸波箱的控溫效果進行驗證。試驗證明通過對吸波箱進行合理控溫能夠?qū)⑻炀€表面熱流的不均勻度控制在5%以內(nèi)。

真空熱試驗；吸波箱；控溫；溫度均勻性

0 引言

某型號衛(wèi)星的天線計劃與整星一起進行并行真空熱試驗，且在試驗過程中需測試天線的電性能。不同于以往的天線電性能測試一般在微波暗室里進行[1-2]，該電性能測試需要在真空熱環(huán)境下進行。而真空容器內(nèi)部空間狹小，內(nèi)壁布滿金屬熱沉，且熱沉是微波的強反射體，因此，需要設(shè)計能夠滿足安裝在真空容器內(nèi)部使用的吸波裝置。吸波材料SiC陶瓷[3-5]具有優(yōu)異的耐高溫、耐熱沖擊以及很強的抗氧化能力，使用溫度可達1400 ℃，適用于真空熱環(huán)境[6]。以SiC陶瓷尖錐制成吸波箱，將天線呈半沉式放置在吸波箱內(nèi)后，箱內(nèi)無法再安裝常用的紅外籠、紅外燈等加熱裝置，因此，還需設(shè)計具備外熱流模擬能力的控溫型吸波箱。

模擬外熱流的均勻性（誤差要求在5%以內(nèi)）是考驗試驗有效與否的關(guān)鍵指標[7]。用SiC陶瓷尖錐制成的吸波箱能夠在真空低溫環(huán)境下很好地工作，但是由于SiC陶瓷材料導(dǎo)熱性較差、熱容大[8]，且SiC陶瓷尖錐安裝后與基板間存在間隙，進一步降低了二者之間的導(dǎo)熱效率，因此，需要在正樣大吸波箱投產(chǎn)之前加工一個小型吸波箱，對吸波箱內(nèi)的熱流均勻性以及溫度控制方法進行深入研究，以檢驗采用 SiC陶瓷尖錐吸波箱模擬外熱流的可行性。

1 吸波箱模擬外熱流均勻性仿真

整個試驗?zāi)M系統(tǒng)包括吸波箱、冷板及試驗支架等部分（圖1）。吸波箱長1800 mm、寬1000 mm、深500 mm。以SiC陶瓷制成尖錐緊密排列在鋁板上形成吸波模塊（圖2），吸波模塊安裝在骨架上形成吸波箱體。吸波箱采用薄膜加熱器控制溫度，測溫采用T型熱電偶。先對吸波箱進行數(shù)值仿真，建立天線熱流均勻性與吸波箱溫度二者之間的關(guān)系，為吸波箱的電裝提供指導(dǎo)。

1.1 仿真邊界設(shè)定

在熱試驗過程中高溫工況要求天線表面的溫度達到35 ℃。天線模塊半埋入吸波箱內(nèi)（見圖1），在熱平衡情況下，天線與SiC陶瓷尖錐只存在輻射換熱，因此，可以認為當(dāng)溫度平衡時，SiC陶瓷尖錐表面溫度與天線表面溫度相等。本文以SiC陶瓷尖錐的溫度近似作為目標溫度，在仿真計算過程中分析吸波箱的溫度受各個表面加熱功率，冷板和背景溫度的影響程度。

1.2 仿真模型簡化

由于吸波尖錐數(shù)量龐大，直接數(shù)值求解計算量很大，這里在尖錐高度方向上將尖錐離散為8個節(jié)點，然后用8個平面建立等效尖錐[9-11]模型進行計算，相應(yīng)地，吸波箱被等效成相互套在一起的9個盒子，里面的8個盒子模擬尖錐陣列，最外面的為鋁板，如圖3所示。

模型其他簡化參數(shù)：背景為100 K熱沉；吸波箱底面由于有大量工裝遮擋熱沉，簡化為-60 ℃背景，即吸波箱底面面對-60 ℃熱沉；吸波箱內(nèi)無內(nèi)熱源；冷板面對吸波箱一側(cè)涂黑漆；薄膜加熱器背面發(fā)射率取0.85；鋁板與吸波尖錐間的接觸熱導(dǎo)取200 W/(m2·K)；冷板通液氮時簡化為100 K的邊界節(jié)點；SAR天線面對吸波箱一面的發(fā)射率為0.88，面對真空罐熱沉一面絕熱。

1.3 仿真結(jié)果分析

1.3.1 吸波箱各加熱面對模擬外熱流均勻性的影響天線受熱面與吸波箱的各個加熱面之間的角系數(shù)不同，吸波箱各個加熱面在加熱的過程中對天線吸收熱流的貢獻也不一樣，其中吸波箱底面與側(cè)面差異最大。在分析過程中分別設(shè)定2個工況，即吸波箱所有面（底面與所有側(cè)面）一起加熱和僅底面加熱。仿真結(jié)果見圖4和圖5。

可以看出，當(dāng)吸波箱所有面一起加熱時，天線接收到的熱流均勻性更好，不均勻度在5.5%以內(nèi)；當(dāng)僅有底面加熱時，天線吸收熱流的均勻性較差，不均勻度達到25%。這說明來自吸波箱側(cè)面的熱流對天線表面的外熱流均勻性起到了重要的輔助作用。

1.3.2 冷板對模擬外熱流均勻性的影響

在熱試驗過程中，吸波箱需要利用試驗支架實現(xiàn)其在真空容器內(nèi)的安裝和定位，并且在容器的底部往往還有導(dǎo)軌以及鋪設(shè)的加熱電纜、測量電纜等，如果不采取措施，這些工裝電纜對容器底部的熱沉有很多遮擋，會影響吸波箱的降溫速度和最低溫度。通常，在吸波箱與支架之間增加冷板可以增強吸波箱的散熱能力。本文分別計算了有冷板和無冷板狀態(tài)下的吸波箱的加熱功率變化和對天線表面外熱流均勻性的影響，計算結(jié)果見圖6、圖7。

根據(jù)仿真結(jié)果可知，有冷板情況下，吸波箱總加熱功率為519 W/m2，熱流均勻性偏差為3.99%；無冷板情況下，吸波箱總加熱功率為505 W/m2，熱流均勻性偏差為5.5%。由此可見，冷板的存在與否對吸波箱的總加熱功率影響不大，二者相差約14 W/m2，對于天線表面接收熱流的均勻性影響也很小。

綜上分析可知，對吸波箱溫度影響最大的是底面，吸波箱側(cè)面尖錐的熱流對天線溫度的均勻性起到了很大的補充作用。在吸波箱控溫時，底面作為模擬外熱流的主要貢獻區(qū)，其設(shè)計的加熱功率應(yīng)該較大，側(cè)面加熱功率應(yīng)較小，底面和側(cè)面需要同時分別單獨控溫才能滿足天線對溫度均勻性的要求。

2 吸波箱設(shè)計加工

2.1 吸波箱加熱回路設(shè)計

本次試驗選擇SiC尖錐作為吸波材料，鋁型材作為安裝基板，不銹鋼方管焊接成框架。采用薄膜加熱器作為吸波箱用的加熱裝置，吸波箱底面和各側(cè)面單獨控溫，共粘貼薄膜加熱器172片，并聯(lián)處理后加熱回路共74路。按照薄膜加熱器分布情況，在尖錐安裝鋁板和材料內(nèi)部均勻布置了測溫點。

2.2 SiC尖錐的測溫分析

天線試驗時，為準確控制施加給天線的外熱流，需要獲得準確的尖錐溫度，試驗中采用T型熱電偶采集尖錐的溫度。根據(jù)不同的位置需要，熱電偶在吸波箱中有3種安裝方式（見圖8）：

1）安裝在最能反應(yīng)尖錐溫度的尖錐表面，能夠準確測得產(chǎn)品受到的外熱流值，但是熱電偶會受天線微波輻射的影響，導(dǎo)致測溫數(shù)據(jù)波動。

2）安裝在尖錐內(nèi)部。從SiC尖錐的底部向頂部打φ2 mm的小孔，孔深約為尖錐高度的2/3，通過硅橡膠GD414將熱電偶固定在吸波尖錐內(nèi)部。這種安裝方式能夠避免天線微波輻射熱電偶對測溫的影響，但是由于尖錐內(nèi)部孔較小，熱電偶不易安裝，容易出現(xiàn)因熱電偶粘貼不實導(dǎo)致的測溫不準。

3）安裝在尖錐安裝基板上。熱電偶測量的溫度為基板溫度，而從安裝基板上至SiC尖錐表面，溫度沿SiC長度方向存在一定的梯度，即熱電偶測得的溫度并不是真實的尖錐溫度，兩者在時間和溫度上都存在一定的差值，需要試驗獲得。

在實施過程中，為了測試以上3種情況下熱電偶測得溫度在時間和溫度上的梯度分布，在吸波箱后側(cè)面選擇同一個尖劈，在其外表面、尖錐內(nèi)部和安裝基板上分別安裝1個熱電偶（見圖9）測量該3處位置的溫度分布。

3 真空試驗驗證

3.1 試驗條件

1）KM3F空間環(huán)境模擬器有效直徑 3 m，長5.5 m，滿足試驗條件要求及安裝空間要求；試驗時溫度低于100 K。真空系統(tǒng)容器壓力在10-4Pa量級，與真實試驗環(huán)境參數(shù)一致。

2）利用1600 mm×400 mm的鋁板代替天線，鋁板面向吸波箱一面噴涂半球發(fā)射率和吸收率＞0.9的黑漆。

3）鋁板表面的熱流采用絕熱型熱流計測量，在面向吸波箱一面布置 7個熱流計，編號為RLJ-01～RLJ-07，如圖10(a)所示。

4）鋁板采用橫梁架在吸波箱的上方，黑漆面朝下，在鋁板的背面使用10個單元的多層進行覆蓋以減少鋁板對外的熱量輻射，如圖10(b)所示。

5）測控系統(tǒng)由程控電源、數(shù)采儀器、計算機等組成。熱電偶測量精度±0.5 ℃，分辨率±0.1 ℃，采樣時間間隔60 s。

6）試驗過程中以鋁板表面的熱流計的熱流值為控制目標值，控制鋁板的溫度在-90～30 ℃之間變化。溫度控制在-90～-10 ℃范圍，每10 ℃一個臺階進行升溫控制；-10～30 ℃范圍，每 20 ℃一個臺階控制。

3.2 試驗結(jié)果

1）鋁板溫度均勻性

經(jīng)過5天的真空熱環(huán)境測試，對鋁板按照設(shè)計的9個工況和溫度范圍進行控制。鋁板上熱流計溫度曲線見圖11。由圖可知，在整個升溫過程中鋁板上7個熱流計的溫度變化趨勢基本一致，在達到平衡后各個熱流計間的溫度偏差小于1 ℃，熱流均勻度偏差＜5%，與數(shù)值仿真結(jié)果基本一致。

以-60 ℃時為例列出溫度值見表1，可見熱流計溫差最大約為0.6 ℃，此時吸波箱各個面的加熱功率見表2。

表1 -60 ℃穩(wěn)定時鋁板表面溫度Table 1 The steady-state temperature difference at -60 ℃

表2 鋁板-60 ℃穩(wěn)定時吸波箱各個面的加熱功率Table 2 The heating power of each face of the wave absorbing box when the temperature of aluminum plate is stable at -60 ℃

將上述功率數(shù)值代入仿真模型，模型中鋁板的正對熱沉一側(cè)等效為多層，其余簡化條件見第1.1、1.2節(jié)，仿真的結(jié)果見圖12。由圖可知，鋁板的溫度分布范圍為-63～-59 ℃，溫度不均勻度為3.2%，與試驗結(jié)果十分接近，證明本文中采用的熱分區(qū)劃分方案準確有效。

2）吸波尖錐的溫度分布

試驗過程中對尖錐的溫度分布進行了測量，結(jié)果見圖13?？梢钥闯?，在升降過程中吸波尖錐表面、內(nèi)部和安裝基板上的溫度變化趨勢相同。當(dāng)溫度保持平衡后，吸波尖錐溫度依次為：內(nèi)部溫度＞尖錐表面溫度＞安裝基板溫度，且尖錐表面溫度比內(nèi)部溫度低約2 ℃。在不同的平衡溫度下，尖錐內(nèi)部與表面溫差基本保持不變，而安裝基板溫度與尖錐內(nèi)部的溫差隨著溫度的升高而逐漸變大，這是因為安裝基板直接面對熱沉，當(dāng)溫度升高時，基板與熱沉的輻射換熱增強，使安裝基板與尖錐內(nèi)部的溫差越來越大。

根據(jù)以上測試結(jié)果，建議后續(xù)試驗過程中采用熱電偶粘貼在吸波尖錐表面的測溫點安裝工藝，這種工藝方法實施簡單，效率高，測溫誤差較小。

4 結(jié)論

1）天線吸收外熱流主要來源于產(chǎn)品正對的吸波箱底面，各側(cè)面熱流起到對邊緣低熱流的補充作用，提高了熱流均勻性，兩者在劃分加熱區(qū)時要單獨劃分；

2）熱電偶粘貼在吸波尖錐的表面與內(nèi)部所測得結(jié)果差別不大，與安裝基板的溫度差別較大，建議后續(xù)熱電偶粘貼在吸波尖錐表面，簡化安裝工藝；

3）通過驗證試驗完成了吸波外熱流模擬裝置的熱流均勻性測試，其熱流不均勻度小于5%，能夠滿足試驗指標要求。

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（編輯：馮露漪）

Temperature uniformity of temperature-control type microwave absorbing box

QIN Jiayong, LIU Xiaoning, LIU Chang, WANG Jing, LIN Boying
(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

This paper studies a small microwave absorbing box, using the TD software to simulate the temperature of the box and the heat flux uniformity of the antenna, and based on the results of the simulation, the temperature control circuit and strategy are designed.The temperature control capability of the box is validated through the simulation test which shows that by controlling the temperature of the microwave absorbing box reasonably, the heat flux uniformity can be kept within 5%.

vacuum thermal test; microwave absorbing box; temperature-control; temperature uniformity

V416.8

：A

： 1673-1379(2017)01-0056-07

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.01.009

秦家勇（1982—），男，碩士學(xué)位，從事航天器熱試驗方向研究。E-mail: qjy_1134@126.com。

2016-07-29；

：2017-01-22

秦家勇，柳曉寧，劉暢,等.控溫型吸波箱溫度均勻性研究[J].航天器環(huán)境工程, 2017, 34(1): 56-62

QIN J Y, LIU X N, LIU C, et al.Temperature uniformity of temperature-control type microwave absorbing box[J].Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(1): 56-62