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        航天器大型可展開天線金屬網(wǎng)熱輻射性質(zhì)測(cè)試及熱分析仿真①

        2020-03-04 07:30:20王耀霆肖志偉徐向陽(yáng)張小波
        空間電子技術(shù) 2020年6期
        關(guān)鍵詞:金屬網(wǎng)金屬絲發(fā)射率

        王耀霆,王 波,肖志偉,徐向陽(yáng),張小波

        (中國(guó)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(diǎn),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(xì)的金屬絲加捻合股、紗線整經(jīng)、上機(jī)編織而成[1],金屬絲表面鍍覆金屬保護(hù)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(hào)金屬網(wǎng)實(shí)物微距照片如圖1所示。

        圖1 透射率測(cè)試原理圖Fig.1 Measurement principle of transmissivity

        在軌飛行過(guò)程中金屬絲和空間環(huán)境之間的換熱以熱輻射的方式進(jìn)行,金屬絲的熱輻射性質(zhì)對(duì)其溫度水平有決定意義。對(duì)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(yáng)吸收比αs兩個(gè)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(jìn)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(huì)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(gè)參數(shù)的變化范圍很大:太陽(yáng)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(duì)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(jì)算得到不同吸收/發(fā)射比情況下,將細(xì)金屬絲簡(jiǎn)化為等溫圓柱體,對(duì)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(jiàn),金屬絲的不同熱輻射特性對(duì)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(wú)法直接測(cè)試其表面熱物性,而利用大尺寸試樣又無(wú)法真實(shí)還原金屬絲的鍍覆工藝對(duì)熱物性的影響,因此本文通過(guò)測(cè)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(yáng)吸收比αs兩個(gè)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(guò)設(shè)置殼單元的熱光屬性,來(lái)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(yáng)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(yáng)光譜性質(zhì)測(cè)試

        1.1 金屬網(wǎng)太陽(yáng)光譜透射率(τs)測(cè)試原理

        金屬網(wǎng)的太陽(yáng)光譜透射率就是把太陽(yáng)輻射作為投射輻射能量投射到金屬網(wǎng)上,其中透過(guò)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(guò)“網(wǎng)孔”的太陽(yáng)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(yáng)光譜范圍為0.2μm~2.6μm之間[4,6],遠(yuǎn)小于金屬網(wǎng)孔及金屬絲材尺寸,因此可以認(rèn)為金屬網(wǎng)太陽(yáng)光譜透射率與光譜波長(zhǎng)無(wú)關(guān),即:

        τs(λi)=τs(λj)

        其中λi、λj為0.2μm~2.6μm之間的任意波長(zhǎng)。

        國(guó)軍標(biāo)[4]中的相對(duì)光譜法測(cè)試太陽(yáng)光譜反射比,利用了積分球內(nèi)部光強(qiáng)檢測(cè)器檢測(cè)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(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)檢測(cè)器檢測(cè)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(duì)于標(biāo)準(zhǔn)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(yáng)光譜透射率(τs)測(cè)試方法

        根據(jù)上節(jié)原理,由于金屬網(wǎng)透射率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān),因此只要在入射孔帶金屬網(wǎng)狀態(tài)下測(cè)試得到標(biāo)準(zhǔn)白板的光譜反射比,就是被測(cè)金屬網(wǎng)的透射率。

        標(biāo)準(zhǔn)白板的光譜反射比測(cè)試方法可參見(jiàn)國(guó)軍標(biāo)[4]的反射比測(cè)試方法。測(cè)試裝置按下圖1所示設(shè)置,首先在沒(méi)有金屬網(wǎng)狀態(tài)下完成標(biāo)準(zhǔn)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(cè)金屬網(wǎng),在相同波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)白板的光譜反射比掃描,得出的不同波長(zhǎng)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(zhǎng)無(wú)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(yáng)光譜吸收比測(cè)試原理

        對(duì)于金屬網(wǎng)的網(wǎng)孔狀物理結(jié)構(gòu),必須對(duì)傳統(tǒng)的非透明材料的太陽(yáng)光譜吸收比測(cè)試方法進(jìn)行校準(zhǔn),本文利用國(guó)軍標(biāo)[4]中的相對(duì)光譜法,依據(jù)金屬網(wǎng)的太陽(yáng)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(guò)測(cè)試金屬網(wǎng)的反射比ρeff和透射率τs,從而間接測(cè)試得到金屬網(wǎng)的太陽(yáng)光譜吸收比αeff。

        αeff=1-ρeff-τs

        (1)

        另外,通過(guò)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(yáng)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(yáng)光譜吸收比為:

        (2)

        1.4 金屬網(wǎng)表面鍍層太陽(yáng)光譜反射比(ρeff)測(cè)試方法

        金屬網(wǎng)的太陽(yáng)光譜反射比ρeff測(cè)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(guò)金屬網(wǎng)的透射光被吸光材料完全“吸收”或“反射”掉,而不會(huì)返回到積分球內(nèi)引起測(cè)試誤差。

        圖2 反射比測(cè)試原理圖Fig.2 Measurement principle of reflectivity

        測(cè)試程序可參見(jiàn)國(guó)軍標(biāo)[4],完成標(biāo)準(zhǔn)白板的基線掃面后,在正式測(cè)試金屬網(wǎng)試樣前,增加空載測(cè)試,即在試樣孔處無(wú)被測(cè)件的情況下,按正常程序進(jìn)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(jìn)行金屬網(wǎng)試樣的測(cè)試。得到金屬網(wǎng)的太陽(yáng)光譜反射比ρeff,進(jìn)行積分后得到金屬網(wǎng)的太陽(yáng)光譜反射比ρeff。

        式中:ρo(λi)-波長(zhǎng)為λi時(shí)標(biāo)準(zhǔn)白板的光譜反射比(已知量);

        ρb(λi)-波長(zhǎng)為λi時(shí)試樣相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)白板的光譜反射比(測(cè)試量);

        Es(λi)-對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)λi的太陽(yáng)光譜單色輻射能量密度(已知量);

        Δλi-波長(zhǎng)間隔Δλi=(λi+1-λi-1)/2,單位:μm。

        2 金屬網(wǎng)紅外光譜特性測(cè)試

        2.1 金屬網(wǎng)及金屬絲表面鍍層半球發(fā)射率測(cè)試原理

        由于金屬網(wǎng)的特殊物理結(jié)構(gòu),必須對(duì)傳統(tǒng)的非透明材料的半球發(fā)射率測(cè)試方法進(jìn)行校準(zhǔn),本文利用國(guó)軍標(biāo)[5]中的輻射計(jì)法,依據(jù)發(fā)射率理論,間接測(cè)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(cè)試這種復(fù)合表面的半球發(fā)射率,測(cè)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(guò)1.2節(jié)方法測(cè)試得到,因此金屬絲表面鍍層半球發(fā)射率的測(cè)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(cè)試,εeff測(cè)試方法見(jiàn)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(jiàn)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(wú)關(guān)。

        2.2 復(fù)合表面有效發(fā)射率(εeff)測(cè)試方法

        復(fù)合表面發(fā)射率測(cè)試原理及測(cè)試程序可參見(jiàn)國(guó)軍標(biāo)[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(jì)會(huì)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(cè)試精確度,建議用黑片作為背景樣片進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量三次以上取平均值。

        3 實(shí)驗(yàn)部分

        太陽(yáng)光譜涵蓋了波長(zhǎng)短于10-14m的γ射線到長(zhǎng)于104m的無(wú)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(yáng)總輻射能的99.99%。

        地球大氣層外太陽(yáng)光譜輻照強(qiáng)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(yáng)光譜中95.87%的能量集中在波長(zhǎng)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(gè)譜段范圍內(nèi)的太陽(yáng)吸收比。國(guó)軍標(biāo)[4]將測(cè)試譜段分為:0.2μm~0.6μm(測(cè)試間隔不大于5nm);0.6μm~0.75μm(測(cè)試間隔不大于10nm);0.75μm~1μm(測(cè)試間隔不大于50nm);1μm~2.6μm(測(cè)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(duì)透射率影響較大,被測(cè)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(cè)試過(guò)程中維持其張力不變(透射率一定),見(jiàn)圖4所示。

        試樣

        按照上文原理,對(duì)某種金屬網(wǎng)測(cè)試,得到單色光譜透射率、反射比、吸收比(圖5a),將每個(gè)波長(zhǎng)的測(cè)試結(jié)果與太陽(yáng)光譜單色輻射強(qiáng)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(yáng)光譜總能量之比為金屬網(wǎng)的太陽(yáng)光譜透過(guò)率、反射比和吸收比。圖示可見(jiàn)太陽(yáng)光譜透射率幾乎不隨波長(zhǎng)發(fā)生變化。

        按上述方法對(duì)4種金屬網(wǎng)試樣進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果如下表:

        a)單色光譜測(cè)試數(shù)據(jù) b)太陽(yáng)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(cè)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(cè)試得到的熱物性參數(shù)可計(jì)算其受照的平衡溫度(太陽(yáng)常數(shù)取全年最大值1414W/m2),見(jiàn)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(shí),國(guó)產(chǎn)鍍金鉬絲網(wǎng)的受照平衡溫度329℃左右;進(jìn)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(shí),國(guó)產(chǎn)鍍金鉬絲的受照平衡溫度268℃左右;進(jìn)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(huì)偏低40~50℃,主要原因是:從金屬網(wǎng)的微觀結(jié)構(gòu)看(見(jiàn)前文圖1照片),金屬絲通過(guò)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(shí)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(shí),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(jì)算結(jié)果可見(jiàn),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(jìn)口鍍金鉬絲采取“電鍍金”工藝,而國(guó)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(jiàn)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(cè)試半透明材料的太陽(yáng)光譜性質(zhì)、紅外光譜特性的原理和方法,對(duì)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(cè)試方法中,當(dāng)材料為非透明體時(shí),τeff=0,就演變成常規(guī)非透明材料的測(cè)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(huì)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(jiàn)公式4),與編織工藝無(wú)關(guān),因此對(duì)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(wú)關(guān);這種金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)在熱分析計(jì)算中,理想化為平面所計(jì)算得的溫度結(jié)果更接近于實(shí)際在軌溫度水平。

        金屬絲鍍層本身的太陽(yáng)光譜吸收比和反射比與透射率無(wú)關(guān),但透射率數(shù)據(jù)會(huì)影響測(cè)試結(jié)果,必須準(zhǔn)確獲取,且進(jìn)行金屬網(wǎng)透射率測(cè)試和反射比測(cè)試時(shí)的透射率必須保持一致。

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