FSS天线罩辐射加热试验温度测试和控制方法研究

尹晓峰 徐银芳 胡由宏 曹志伟 武小峰 王成亮

（1 北京强度环境研究所，北京 100076；2 北京航天长征飞行器研究所，北京 100076）

0 引言

导弹天线罩为了降低外部电磁干扰、减小雷达散射截面，通常采用频率选择表面作为一种解决方案。FSS基本结构为平面二维周期阵列[1-3]，单元分为金属贴片型和缝隙型，当电磁波照射到单元上会引起谐振，在传输特性上分别引起带阻（贴片型）和带通（缝隙型）特性。通过在天线罩表面设计制备周期性金属单元图案，可以实现相应的频率选择效果。

为了测试高温试验后FSS天线罩的电性能有无衰减，并考核金属涂层和天线罩的热匹配性能是否满足使用要求，FSS天线罩结构在应用前通常需要经过高温热匹配性能试验和相应电性能测试考核，其中以石英灯、石墨为加热方式的辐射热试验是考核FSS天线罩热匹配性能的一种重要的技术手段[4-8]。

在针对普通天线罩结构的辐射热试验中，天线罩表面通常采取涂黑措施，来增加对辐射热的吸收能力，并且在表面不同位置会粘贴热电偶温度传感器[9]，来进行温度测试与加热反馈控制。但是对于FSS天线罩，考虑到在高温热匹配试验后还需进行电性能测试，为了防止涂层遭到破坏，其表面一般不允许涂黑和粘贴热电偶，因此对于温度测试和控制只能采用非接触式红外测温技术方案[10]。尽管如此，由于FSS天线罩的金属涂层表面发射率较低，反射率较高，这一特点一方面会增加辐射加热的难度，另一方面对加热源的辐射光反射也会干扰非接触温度测试的精度[11]，这给精确的表面温度测试和控制带来很大的困难。

本文针对典型的FSS天线罩结构的辐射热匹配试验，拟设计高功率石英灯加热器，并采用小试样调试和反控技术方案，解决天线罩表面非接触式温度的准确测试和控制的技术难题，以满足相关试验考核需求。

1 试验

某型FSS天线罩由编织石英基体与表面金属涂层组成。辐射热匹配试验要求天线罩除端头位置外的金属涂层区域，表面温度以不低于10°C/s的速率升至1200°C后保温10min，加热条件如图1所示。试验后观察天线罩涂层表面是否出现鼓包、脱落等现象。

图1 FSS天线罩结构及辐射加热条件 Fig.1 FSS radome structure and radiation heating condition

采用TEMP 2000A红外发射率/反射率测试仪（波长范围：3～35μm）对FSS天线罩涂层表面10个不同位置的常温发射率进行了测试，测试结果如表1所示，可以看出涂层表面发射率较低，但一致性良好，约在0.4左右。

表1 FSS天线罩涂层表面发射率 Table 1 Surface emissivity of FSS radome coating

2 辐射加热及温度测试控制方案

为了保障天线罩涂层区域均匀加热，根据天线罩的结构形式，设计了随形的锥形辐射加热器，如图2所示。加热器主要由双排石英灯、抛光水冷反射板等结构组成，其中石英灯作为加热元件为天线罩提供辐射加热，反射板一方面作为支撑结构起到固定石英灯的作用，另一方面可以反射石英灯向外的辐射光，提高加热效率[12]。试验采用温度作为变量进行反馈控制，系统控制框图如图3所示，控制点有2个，K1和K2，分别位于天线罩表面对应两排石英灯的中心高度处。

图2 FSS天线罩辐射加热器 Fig.2 Radiation heater of FSS radome

图3 试验系统控制框图 Fig.3 Control diagram of test system

利用ANSYS软件对上述加热器在图1 所示加热条件下的天线罩热场进行了计算，计算结果如图4所示。可以看出天线罩表面的涂层区域的温度均匀性良好，均匀性偏差最大不超过10.7%，并且偏差随加热时间逐渐降低。另外，由于天线罩表面较低的发射率（较高的反射率）以及抛光反射板的反射作用，光线在加热区域发生多次反射和吸收，增强了热场的均匀性，进而使得两排石英灯拼接处位置（横坐标约50%处）的温度仅仅略低于两排石英灯中心区域，并未出现明显的加热盲区[13]。

图4 涂层表面温度随高度位置的变化曲线及天线罩表面的温度分布 Fig.4 Variation curve of coating surface temperature with height and temperature distribution on radome surface

针对FSS天线罩的小试样平板结构开展了调试试验，其中采用非接触式单波段红外测温仪（Reytek，MMG5系列，量程450°C～2250°C）进行控制，试样表面发射率设为0.4，同时粘贴K型热电偶进行对比测试。试验结果如图5所示，Th—红外测温仪，T1、T2—K型热电偶。

图5 小试样平板调试结果 Fig.5 Debugging results of small plate specimen

可以看出红外测温仪在低温段控制较差，高温段控制良好；两个热电偶测温一致性良好，热电偶的温度测试结果显著低于红外测温仪，红外测温仪显示1200°C时，实际热电偶温度只有约860°C。考虑到试样的表面发射率在高温下会发生变化[11,14]，并且较高的反射率可能会将石英灯热源的辐射光反射至红外测温仪，进而影响测温精度，因此直接采用红外测温仪进行温度控制的方案不可行。

为了解决精确的表面温度测试和控制问题，设计了调试反控方案，如图6所示：

图6 调试反控方案示意 Fig.6 Schematic diagram of solution of debugging and inverse control

（1）针对小试样平板结构，采用与天线罩结构相同的锥形辐射加热器，近似模拟相同的加热状态，通过热电偶To进行控制，获取红外测温仪Th的测试结果Thr；

（2）在小试样平板上采用红外测温仪按照上面测试结果Thr进行反向控制，获取热电偶的测试结果Tor，对比To和Tor结果，对调试反控方案进行验证；

（3）采用红外测温仪进行控制，应用于天线罩结构的热匹配试验中。

3 结果与讨论

采用热电偶进行控制的小试样平板调试试验结果如图7所示，其中T1和T2为热电偶结果，T1进行反馈控制，T2进行测试，Th为红外测温仪测试结果，C.S.为计算机控制输入信号，表征石英灯加热器的输出功率。需要指出的是，考虑到红外测温仪起始测试温度为450°C，因此调试试验的控制曲线在图1基础上进行了相应修改：试验起始阶段采用C.S.信号控制，保持恒定输出至热电偶到达400°C温度平台，记录恒定输出时间（根据图5结果，红外测温仪测试结果显著高于热电偶，在后面的反控试验中C.S.信号控制输出相同时间，可以确保红外测温仪测试温度超过450°C的起始温度）；之后自动切换至程序曲线控制，热电偶温度保持400°C至80s，然后线性升温，140s到达1200°C峰值。

图7 小试样调试试验控制及测试结果 Fig.7 Control and measurement results of debugging test for small plate specimen

由测试结果可以看出热电偶控制状态良好，红外测温仪测试结果显著高于热电偶，并且在热电偶1200°C稳定段时，红外测温仪测试温度逐渐降低，其趋势与C.S.信号输出一致，说明红外测温仪受到了试样表面高反射率金属涂层反射的石英灯辐射光的影响。

根据调试试验中红外测温仪的测试结果，制定了反控温度控制曲线，并对小试样平板进行了反控验证试验。起始阶段仍恒定C.S.信号输出相同时间，然后切换红外测温仪程序控制曲线。控制和测试结果如图8所示，可以看出红外测温仪控制状态良好，热电偶在1200℃稳定段的温度偏差小于2.5%，证明了调试反控方案的有效性。

图8 小试样反控试验控制及测试结果 Fig.8 Control and measurement results of inverse control test for small plate specimen

利用上述调试反馈方案，对FSS天线罩结构进行了辐射热匹配试验。试验采用两个红外测温仪分别对如图2所示的天线罩上下两个加热区域进行温度控制，另外在天线罩根部附近（不影响后续电性能测试的部位），粘贴了3个K型热电偶进行温度测试。试验照片及控制测试结果分别如图9、图10所示，可以看出两个加热区域的温度控制良好（Th1和Th2），三个热电偶在加热峰值时刻（140s）损坏，损坏时温度约1200°C。考虑到K型热电偶的使用上限温度即为1200°C，根据上述调试反控，以及正式试验的综合分析，可以判断试验达到了1200°C均匀加热的要求，进一步说明调试反控方案切实有效，该方案可以实现对于FSS天线罩这类带高反射率金属涂层结构表面非接触式温度的准确测试和控制。

图9 FSS天线罩结构辐射热匹配试验照片 Fig. 9 Photo of thermal matching test for radome structure

图10 FSS天线罩结构辐射热匹配试验控制及测试结果 Fig.10 Control and measurement results of thermal matching test for FSS radome structure

4 结论

FSS天线罩结构辐射热匹配试验中提出了结构表面不允许涂黑和粘贴热电偶的技术要求。考虑到天线罩表面金属涂层具有高反射率特点，设计采用了小试样平板调试和反控技术方案，建立了接触式热电偶与红外测温仪之间的定量对应关系，然后应用于天线罩结构辐射热匹配试验中，试验结果显示调试反控方案有效，实现了天线罩表面非接触式温度的准确测试和控制。