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

王耀霆，王 波，肖志偉，徐向陽，張小波

(中國空間技術(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。某型號金屬網(wǎng)實(shí)物微距照片如圖1所示。

圖1 透射率測試原理圖Fig.1 Measurement principle of transmissivity

在軌飛行過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)對其溫度水平有決定意義。對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)金屬絲簡化為等溫圓柱體，對應(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，金屬絲的不同熱輻射特性對應(yīng)的受照平衡溫度變化范圍很大，但由于金屬絲尺寸太小，無法直接測試其表面熱物性，而利用大尺寸試樣又無法真實(shí)還原金屬絲的鍍覆工藝對熱物性的影響，因此本文通過測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)鍵是要通過設(shè)置殼單元的熱光屬性，來模擬金屬網(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)太陽光譜性質(zhì)測試

1.1 金屬網(wǎng)太陽光譜透射率(τs)測試原理

金屬網(wǎng)的太陽光譜透射率就是把太陽輻射作為投射輻射能量投射到金屬網(wǎng)上，其中透過金屬網(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“網(wǎng)孔”的太陽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)太陽光譜透射率與光譜波長無關(guān)，即：

τs(λi)=τs(λj)

其中λi、λj為0.2μm～2.6μm之間的任意波長。

國軍標(biāo)[4]中的相對光譜法測試太陽光譜反射比，利用了積分球內(nèi)部光強(qiáng)檢測器檢測電流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)檢測器檢測的電流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)太陽光譜透射率(τs)測試方法

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

標(biāo)準(zhǔn)白板的光譜反射比測試方法可參見國軍標(biāo)[4]的反射比測試方法。測試裝置按下圖1所示設(shè)置，首先在沒有金屬網(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金屬網(wǎng)，在相同波長范圍內(nèi)進(jìn)行相對于標(biāo)準(zhǔn)白板的光譜反射比掃描，得出的不同波長下的光譜反射比曲線就是金屬網(wǎng)的透射率，若透射率與波長無關(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)及金屬絲太陽光譜吸收比測試原理

對于金屬網(wǎng)的網(wǎng)孔狀物理結(jié)構(gòu)，必須對傳統(tǒng)的非透明材料的太陽光譜吸收比測試方法進(jìn)行校準(zhǔn)，本文利用國軍標(biāo)[4]中的相對光譜法，依據(jù)金屬網(wǎng)的太陽光譜反射比ρeff、吸收比αeff和透射率τs的完備性(ρeff+αeff+τs=1)，通過測試金屬網(wǎng)的反射比ρeff和透射率τs，從而間接測試得到金屬網(wǎng)的太陽光譜吸收比αeff。

αeff=1-ρeff-τs

(1)

另外，通過金屬網(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光譜吸收比為：

(2)

1.4 金屬網(wǎng)表面鍍層太陽光譜反射比(ρeff)測試方法

金屬網(wǎng)的太陽光譜反射比ρeff測試系統(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)引起測試誤差。

圖2 反射比測試原理圖Fig.2 Measurement principle of reflectivity

測試程序可參見國軍標(biāo)[4]，完成標(biāo)準(zhǔn)白板的基線掃面后，在正式測試金屬網(wǎng)試樣前，增加空載測試，即在試樣孔處無被測件的情況下，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)試樣的測試。得到金屬網(wǎng)的太陽光譜反射比ρeff，進(jìn)行積分后得到金屬網(wǎng)的太陽光譜反射比ρeff。

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

ρb(λi)-波長為λi時(shí)試樣相對于標(biāo)準(zhǔn)白板的光譜反射比(測試量)；

Es(λi)-對應(yīng)波長λi的太陽光譜單色輻射能量密度(已知量)；

Δλi-波長間隔Δλi=(λi+1-λi-1)/2，單位：μm。

2 金屬網(wǎng)紅外光譜特性測試

2.1 金屬網(wǎng)及金屬絲表面鍍層半球發(fā)射率測試原理

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

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，而與編織工藝無關(guān)。

2.2 復(fù)合表面有效發(fā)射率(εeff)測試方法

復(fù)合表面發(fā)射率測試原理及測試程序可參見國軍標(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，為了提高測試精確度，建議用黑片作為背景樣片進(jìn)行測量，測量三次以上取平均值。

3 實(shí)驗(yàn)部分

太陽光譜涵蓋了波長短于10-14m的γ射線到長于104m的無線電波，其中能轉(zhuǎn)換成熱能的部分主要是0.18μm～40μm之間，它占太陽總輻射能的99.99%。

地球大氣層外太陽光譜輻照強(qiáng)度平均值為1367W/m2，一年內(nèi)隨日地距離有±3.5%的變化[3]。太陽光譜中95.87%的能量集中在波長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)的太陽吸收比。國軍標(biāo)[4]將測試譜段分為：0.2μm～0.6μm(測試間隔不大于5nm)；0.6μm～0.75μm(測試間隔不大于10nm)；0.75μm～1μm(測試間隔不大于50nm)；1μm～2.6μm(測試間隔不大于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)的張力對透射率影響較大，被測金屬網(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，并且在測試過程中維持其張力不變(透射率一定)，見圖4所示。

試樣

按照上文原理，對某種金屬網(wǎng)測試，得到單色光譜透射率、反射比、吸收比(圖5a)，將每個(gè)波長的測試結(jié)果與太陽光譜單色輻射強(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光譜總能量之比為金屬網(wǎng)的太陽光譜透過率、反射比和吸收比。圖示可見太陽光譜透射率幾乎不隨波長發(fā)生變化。

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

a)單色光譜測試數(shù)據(jù) b)太陽光譜特性圖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，用上表測試得到的熱物性參數(shù)可計(jì)算其受照的平衡溫度(太陽常數(shù)取全年最大值1414W/m2)，見下表：

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(見前文圖1照片)，金屬絲通過合股、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，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

本文提出了一種測試半透明材料的太陽光譜性質(zhì)、紅外光譜特性的原理和方法，對于其他半透明材料，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(見公式4)，與編織工藝無關(guān)，因此對于金屬網(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光譜吸收比和反射比與透射率無關(guān)，但透射率數(shù)據(jù)會(huì)影響測試結(jié)果，必須準(zhǔn)確獲取，且進(jìn)行金屬網(wǎng)透射率測試和反射比測試時(shí)的透射率必須保持一致。