吸波熱沉在微波雷達(dá)成像衛(wèi)星真空熱試驗(yàn)中的應(yīng)用

胡小康，翟載騰，程 鋒，史奇良，葛 釗

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109）

吸波熱沉在微波雷達(dá)成像衛(wèi)星真空熱試驗(yàn)中的應(yīng)用

胡小康，翟載騰，程 鋒，史奇良，葛 釗

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109）

在微波雷達(dá)成像衛(wèi)星的整星真空熱試驗(yàn)中，需采取特殊措施吸收SAR天線T/R組件發(fā)射出的大功率微波，以保護(hù)組件不被損傷。文章介紹了一種新型外熱流模擬裝置——吸波熱沉，兼具吸波和外熱流模擬 2方面的功能。為驗(yàn)證吸波熱沉在真空熱試驗(yàn)時(shí)的有效性，設(shè)計(jì)了一套驗(yàn)證試驗(yàn)方案，試驗(yàn)結(jié)果表明：吸波熱沉可以滿足真空熱試驗(yàn)的外熱流模擬精度需求，偏差在4%以內(nèi)。該裝置已在某微波雷達(dá)成像衛(wèi)星的真空熱試驗(yàn)中成功應(yīng)用。

微波雷達(dá)成像衛(wèi)星；SAR天線；真空熱試驗(yàn)；吸波熱沉；外熱流模擬；溫度控制

0 引言

微波雷達(dá)成像衛(wèi)星SAR天線陣面的發(fā)射組件對(duì)地發(fā)射微波，接收組件接收由地球表面反射回來(lái)的微波并反演出圖像，從而實(shí)現(xiàn)遙感觀測(cè)[1]。衛(wèi)星在軌工作時(shí)，SAR天線陣面發(fā)出的微波功率較大，通常達(dá)到幾千瓦甚至上萬(wàn)瓦，而經(jīng)過(guò)地表漫反射回到衛(wèi)星的微波功率卻是非常小的，因此天線陣面上的T/R組件的接收模塊必須具有足夠高的靈敏度。真空熱試驗(yàn)用空間模擬器的內(nèi)部材料一般均為金屬材料，對(duì)微波具有很好的反射效果；常用的外熱流模擬裝置有紅外加熱籠、紅外燈陣、加熱片和太陽(yáng)模擬器等[2-6]。在微波雷達(dá)成像衛(wèi)星的整星真空熱試驗(yàn)中，如果采取常規(guī)手段直接在真空罐中發(fā)射微波，將有較大功率的微波直接被反射回天線陣面，而T/R組件的高靈敏度接收模塊無(wú)法承受大劑量的微波輻射（會(huì)被損傷甚至燒毀），需要采取一定的措施避免該類情況的發(fā)生。

按照以往的經(jīng)驗(yàn)，可以通過(guò)將T/R組件接上一個(gè)有線負(fù)載來(lái)吸收發(fā)射出去的微波，將天線的無(wú)線發(fā)射模式改為有線負(fù)載模式來(lái)避免組件發(fā)射大功率微波。該種模式可以很好地保護(hù)接收模塊，但具有以下局限性：

1）試驗(yàn)前后需對(duì)每個(gè) T/R組件進(jìn)行改裝，工作量大。隨著天線陣面向著大尺寸、高功耗的發(fā)展，T/R組件數(shù)量達(dá)到幾百甚至幾千個(gè)，改裝已不適用；

2）T/R組件加接有線負(fù)載后的熱耗精度有限，不能完全真實(shí)反映其在軌狀態(tài)。

目前國(guó)外關(guān)于對(duì)SAR天線進(jìn)行無(wú)線模式真空熱試驗(yàn)的相關(guān)文獻(xiàn)極少，可借鑒的經(jīng)驗(yàn)較為有限，這主要是因?yàn)槲⒉ǔ上窭走_(dá)衛(wèi)星通常應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，各國(guó)相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)此類信息一般采取封鎖的態(tài)勢(shì)。從現(xiàn)有資料可以看到采用吸波材料進(jìn)行 SAR天線的無(wú)線模式真空熱試驗(yàn)的相關(guān)報(bào)道。據(jù)美國(guó)Emerson & Cuming公司的產(chǎn)品成功使用案例介紹，Eccosorb SF吸波材料已被成功應(yīng)用于日本GPS衛(wèi)星、阿根廷-意大利合作的地球資源衛(wèi)星、國(guó)際海事通信衛(wèi)星IV及多顆美國(guó)衛(wèi)星的真空低溫環(huán)境試驗(yàn)[7]。該種吸波材料單頻點(diǎn)工作且反射率低于-20 dB，但不具備外熱流模擬功能，因而不能直接用于真空熱試驗(yàn)。

本文提出一種新型的外熱流模擬裝置——吸波熱沉，并設(shè)計(jì)了驗(yàn)證試驗(yàn)對(duì)其試驗(yàn)精度進(jìn)行驗(yàn)證。

1 吸波熱沉方案

吸波熱沉作為一種新型外熱流模擬裝置，兼具吸波和外熱流施加2方面功能。其正面（正對(duì)天線陣面）采用吸波型材料，背面粘貼電加熱片和熱電偶用于主動(dòng)溫控。因此，在天線陣面上方布置吸波熱沉，可以有效吸收發(fā)射組件發(fā)射的微波；對(duì)吸波熱沉的溫度加以控制，可以使其兼具外熱流模擬功能，滿足真空熱試驗(yàn)的需要。圖1為使用吸波熱沉進(jìn)行整星熱試驗(yàn)的狀態(tài)。

圖1 吸波熱沉熱試驗(yàn)狀態(tài)Fig. 1 Microwave absorbing heat sink in vacuum tank

吸波熱沉正面的吸波組件選擇碳化硅材料的方形尖錐結(jié)構(gòu)，通過(guò)槽道與鋁板連接，并使用GD414C硅橡膠降低吸波組件與鋁板之間的熱阻。在鋁板背面粘貼電加熱片及控溫?zé)犭娕?，用于?duì)整個(gè)吸波熱沉進(jìn)行主動(dòng)溫控。整個(gè)鋁板背面噴涂高發(fā)射率的黑漆，用于和真空罐的熱沉進(jìn)行均勻的輻射換熱。在真空熱試驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)試驗(yàn)所需的外熱流設(shè)置吸波熱沉控溫點(diǎn)的目標(biāo)溫度，令吸波熱沉通過(guò)輻射換熱的方式向天線陣面施加合適的外熱流，同時(shí)吸收天線陣面發(fā)射出的微波。吸波熱沉的加熱控溫實(shí)施方案如圖2所示。

圖2 吸波熱沉加熱控溫方案Fig. 2 Temperature control scheme of microwave absorbing heat sink

2 理論分析

下面理論分析SAR天線陣面所需外熱流對(duì)應(yīng)的吸波熱沉的溫度，以及為了維持吸波熱沉溫度所需的加熱功率。

在軌飛行時(shí)，SAR天線波導(dǎo)陣面的平衡溫度取決于 SAR天線的內(nèi)部熱耗以及外熱流，如圖3所示，其平衡方程為[8-11]

式中：qw′為天線吸收外熱流，W/m2；qn′為 SAR 天線內(nèi)部熱耗，W/m2；εs為 SAR天線陣面表面發(fā)射率；σ為Stefan-Boltzmann常量，5.67×10-8W/(m2·K4)；Ts為SAR天線陣面平衡溫度，K。

圖3 天線在軌熱交換示意圖Fig. 3 Heat change of SAR in orbit

真空熱試驗(yàn)時(shí)，SAR天線陣面與吸波熱沉之間的換熱量應(yīng)等于SAR天線內(nèi)部熱耗，

SAR天線陣面與吸波熱沉可看成是兩表面組成的腔體，則SAR天線陣面與吸波熱沉之間的凈輻射換熱速率為

式中：Tx為吸波熱沉表面溫度，K；εx為吸波熱沉表面發(fā)射率；As為SAR天線陣面面積，m2；Ax為吸波熱沉對(duì)天線陣面的面積，m2；Fsx為SAR天線陣面對(duì)吸波熱沉的視角系數(shù)。

吸波熱沉與SAR天線陣面組成封閉空間，則Fsx=1。吸波熱沉朝向天線陣面的一面為尖錐結(jié)構(gòu)，具有較高的發(fā)射率，εx≈1。則式(2)可以表示為

將式(4)代入式(1)得：

則由式(5)可以計(jì)算出SAR天線陣面所需外熱流所對(duì)應(yīng)的吸波熱沉表面溫度Tx。

以吸波熱沉為研究對(duì)象，如圖4所示，其熱平衡方程為

式中：qj為吸波熱沉的加熱功率；xε′為吸波熱沉背面發(fā)射率。由式(6)和式(4)可以得到：

則由式(7)可以計(jì)算出將吸波熱沉溫度維持在Tx所需的加熱功率。

圖4 吸波熱沉換熱關(guān)系Fig. 4 Heat change of microwave absorbing heat sink

3 吸波熱沉驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證吸波熱沉施加熱流的準(zhǔn)確性，開(kāi)展驗(yàn)證試驗(yàn)。衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)，試驗(yàn)件表面（散熱面）有一定的工作溫度范圍，單純由吸波熱沉加熱的溫升無(wú)法達(dá)到這個(gè)工作溫度范圍，必須通過(guò)加熱片為試驗(yàn)件提供補(bǔ)償熱流。吸波熱沉外熱流驗(yàn)證試驗(yàn)如圖5所示。q0′為加熱片給試驗(yàn)件加熱的熱流密度，q1′為到達(dá)試驗(yàn)件表面的吸波熱沉熱流密度，q2′為試驗(yàn)件對(duì)外散熱熱流密度。

圖5 試驗(yàn)時(shí)換熱關(guān)系Fig. 5 Heat exchange of microwave absorbing heat sink in the experiment

由于相互位置關(guān)系等諸多因素作用，吸波熱沉到達(dá)試驗(yàn)件表面的熱流密度q1′并不等于試驗(yàn)件實(shí)際吸收熱流密度q′′吸[8]。以試驗(yàn)件為研究對(duì)象，其熱平衡方程為

q2′由Stefan-Boltzmann定律得到，即

式中：ε為試驗(yàn)件表面紅外發(fā)射率；T為試驗(yàn)件表面溫度，K。將式(9)代入式(8)得：

根據(jù)預(yù)設(shè)試驗(yàn)件表面溫度T及試驗(yàn)件吸收的熱流密度q′′吸，由式(10)即可確定此工況下加熱片施加的熱流密度q0′。吸波熱沉的熱流密度由軟件通過(guò)閉環(huán)控制算法，以熱流計(jì)穩(wěn)定在q′′吸為目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

試驗(yàn)開(kāi)始后，按照預(yù)設(shè)要求向試驗(yàn)件施加熱流（含加熱片和吸波熱沉的熱流密度）。熱平衡后，如果試驗(yàn)件表面溫度低于預(yù)設(shè)溫度，說(shuō)明吸波熱沉熱流密度不足；如果試驗(yàn)件表面溫度高于預(yù)設(shè)溫度，說(shuō)明試驗(yàn)件吸收的吸波熱沉熱流過(guò)多。緩慢調(diào)整熱流計(jì)的設(shè)定值，使試驗(yàn)件表面溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度。當(dāng)試驗(yàn)件表面溫度和預(yù)設(shè)溫度相等時(shí)，則吸波熱沉施加給試驗(yàn)件的吸收熱流滿足要求。

通過(guò)試驗(yàn)確定不同的吸收熱流下的熱流計(jì)實(shí)際響應(yīng)值，即可得到吸波熱沉指定吸收熱流密度與對(duì)應(yīng)的熱流計(jì)響應(yīng)之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)吸波熱沉外熱流模擬準(zhǔn)確性的驗(yàn)證。

3.1 試驗(yàn)件技術(shù)狀態(tài)

試驗(yàn)件本體使用厚度為3 mm的鋁板。鋁板一面粘貼鍺膜模擬散熱面（發(fā)射率 0.83），并粘貼熱電偶用于監(jiān)視試驗(yàn)件溫度；另一面均勻粘貼加熱片后使用30層的多層隔熱組件隔熱，鋁板邊緣也使用多層隔熱，并在多層隔熱組件上粘貼熱電偶以便考察多層的漏熱情況。熱流計(jì)的安裝方式有支架懸空安裝和安裝于試驗(yàn)件表面2種。懸空安裝的熱流計(jì)支架安裝于擋板上，距離試驗(yàn)件表面約20 mm。

3.2 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)工況具體設(shè)置和實(shí)施步驟為：

1）擬定不同吸收外熱流密度下試驗(yàn)件表面的目標(biāo)溫度。

2）由吸收外熱流密度計(jì)算得到吸波熱沉控制的熱流計(jì)溫度，由試驗(yàn)件表面的目標(biāo)溫度和吸收外熱流密度計(jì)算得到試驗(yàn)件加熱占需提供的熱流密度，進(jìn)而可以得到試驗(yàn)件加熱片的加熱電流。以計(jì)算得到的熱流計(jì)溫度和試驗(yàn)件加熱片電流作為工況輸入條件，施加工況。

3）維持試驗(yàn)件加熱片熱流密度，即保持加熱片電流不變，通過(guò)調(diào)整吸波熱沉控制熱流計(jì)的溫度來(lái)調(diào)整吸波熱沉熱流密度，使熱平衡后試驗(yàn)件表面平均溫度和設(shè)定的目標(biāo)溫度接近。

最終，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果評(píng)估驗(yàn)證吸波熱沉外熱流模擬的準(zhǔn)確性。判據(jù)為試驗(yàn)件實(shí)際吸收外熱流密度與第1步中提供的吸收外熱流密度間的偏差小于5%。

3.3 工況設(shè)置

吸波熱沉外熱流驗(yàn)證試驗(yàn)工況如表1所示。

表1 試驗(yàn)工況Table 1 Summary of the test conditions

3.4 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果匯總Table 2 Summary of the experimental results

由表2可以看出，試驗(yàn)施加外熱流密度與試驗(yàn)件實(shí)際吸收外熱流密度比較接近，偏差均在4%以內(nèi)。這表明，使用吸波熱沉作為外熱流模擬裝置可以滿足真空熱試驗(yàn)的精度需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的適用于微波雷達(dá)成像衛(wèi)星SAR天線真空熱試驗(yàn)的外熱流模擬裝置，兼具吸波和外熱流模擬的功能，其外熱流模擬精度已經(jīng)得到了試驗(yàn)驗(yàn)證。該裝置已成功應(yīng)用于某微波雷達(dá)成像衛(wèi)星整星真空試驗(yàn)，并在在軌飛行試驗(yàn)中得到了進(jìn)一步驗(yàn)證，可推廣應(yīng)用于后續(xù)微波雷達(dá)成像衛(wèi)星及其他有吸波需求的真空熱試驗(yàn)。

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Application of microwave absorbing heat sink in the thermal vacuum test of microwave radar imaging satellite

HU Xiaokang, ZHAI Zaiteng, CHENG Feng, SHI Qiliang, GE Zhao
(Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109, China)

In the vacuum thermal test for the SAR satellite, special measures should be taken to absorb the high power microwave emitted by the transmitter-receiver subassembly to protect it from damage. This paper introduces a new heat flux simulation device, with the functions of both absorbing the wave and simulating the heat flux. In order to verify the validity of the microwave absorbing heat sink, a calibration experiment is carried out. The experimental results show that the heat sink can meet the requirements of external flux precision for the thermal vacuum test, with a bias not more than 4%. The heat sink has been successfully applied in the thermal vacuum test of a SAR satellite.

microwave radar imaging satellite; SAR antenna; thermal vacuum test; microwave absorbing heat sink; external heat flux simulation; temperature control

V416.5

A

1673-1379(2017)05-0505-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.05.009

2017-03-20；

2017-08-24

國(guó)家重大科技專項(xiàng)工程

胡小康, 翟載騰, 程鋒, 等. 吸波熱沉在微波雷達(dá)成像衛(wèi)星真空熱試驗(yàn)中的應(yīng)用[J]. 航天器環(huán)境工程, 2017, 34(5):505-509

HU X K, ZHAI Z T, CHENG F, et al. Application of microwave absorbing heat sink in the thermal vacuum test of microwave radar

imaging satellite[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(5): 505-509

（編輯：馮露漪）

胡小康（1985—），男，博士學(xué)位，從事航天器熱設(shè)計(jì)工作。E-mail: huxk@mail.ustc.edu.cn。