一种大型展开天线大温差系统构建及测试方法与流程

本发明涉及一种大型展开天线大温差系统构建及测试方法，尤其适用于利用红外光谱隔离技术与热边界层理论对天线测温，属于天线大温差工况无线加热技术领域。

背景技术：

大型空间展开天线安装在航天器外部，在轨受到太阳辐射及冷空背景的影响,天线受照面温度高，非受照面温度低，形成大温差梯度。导致大型结构各部件热变形不匹配，对大型空间天线的展开功能及展开后的形面、指向精度等产生重要影响，且随着空间展开天线尺寸越来越大，结构越来越复杂，同时精度要求越来越高，温度的影响越大。为此，大型空间展开天线高低温展开及测试试验成为天线研制的重要试验项目。

现有技术中，用于实现天线部件表面大温差系统的方式主要有以下3类：

(1)红外加热笼：通过给红外加热带供电，提升器温度，然后高温加热带向天线辐射热能，加热天线；由于加热带辐射功率有限，通常用于真空环境，不适用于常压对流环境；除此之外，加热笼布置不灵活，需针对特定天线设置结构形式。

(2)太阳模拟器：通过聚合金属灯发射类似太阳光谱线，加热天线；但是太阳模拟器造价昂贵，系统复杂，由于是全光谱发射，对空气中的温室气体加热效果明显，不适用于常压环境温差系统。

(3)红外灯：常规的温差系统所用的红外灯数量较少，若采用单个红外灯，无法满足红外灯照射区域的辐照不均匀度的实际需求，而且传统的温差系统对于红外灯与天线的距离缺乏精确限定，导致最终形成的温差系统稳定性较低。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种大型展开天线大温差系统构建及测试方法，通过光谱隔离技术，集成红外加热与测温系统，实现了大型天线大温差工况；通过热边界理论与分析，解决了灯阵对反射器温度场干扰的问题；通过合理设置灯阵，克服了传统的温差系统稳定性较低的缺陷。

本发明的技术解决方案是：

一种大型展开天线大温差系统构建及测试方法，包括如下步骤：

第一步：将天线展开放置在试验室中，灯阵放置在天线的一侧，第一热像仪和第二热像仪分别安装在灯阵上，在天线不同部位安装热电偶，使用第一热像仪和第二热像仪同时测试天线表面温度，标定天线不同部位的发射率；

第二步：拆除所述热电偶，根据发射率标定结果设置第一热像仪和第二热像仪的局部发射率；

第三步：根据试验室内气体流速与灯阵温度，确定热边界层厚度δ_t；

第四步：根据热边界层厚度δ_t及天线展开运动需求，确定天线与灯阵的距离，所述距离大于热边界层厚度δ_t，灯阵位于天线展开最大空间包络之外，测试并调整所述距离范围内灯阵照射区域的辐照不均匀度；

第五步：降低试验室温度至天线最低温值T_min；

第六步：开启灯阵，根据所述天线表面温度调整灯阵的功率，直至天线表面温度满足试验要求，进行天线功能测试。

热边界层厚度δ_t应满足公式：其中：Pr为普朗特数、δ为流动边界层厚度、L为灯阵沿气流方向的长度、x₀为紊流假定前缘、V∞为试验室内气体流速、υ为流体动力粘性系数。

灯阵的辐射波长λ_Light不大于2.55μm。

灯阵与天线的距离不小于0.15m。

灯阵采用分布补偿式布局，通过调整每个红外灯的照射角度，使得灯阵照射区域的辐照不均匀度不超过10％。

试验室内气流采用干燥空气，天线最低温值T_min不低于露点温度。

第一热像仪和第二热像仪的探测光带范围λ_Camera均为7.6～12.0μm。

第一热像仪和第二热像仪对称设置在灯阵的两侧。

第一热像仪和第二热像仪均采用红外热像仪，第一热像仪和第二热像仪的测温范围大于所述天线表面温度的最大温差。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1、本发明在常压低温工况下使用大功率灯阵定点加热的方式，避免了加热设备对天线展开过程产生干扰，满足了常压环境天线大温差系统的测温需求，有效克服了传统的红外加热笼布置不灵活的难题。

2、本发明通过控制大功率灯阵的发射光带，有效避开了大气吸收光谱，避免了大功率灯阵对大气的辐射加热作用，解决了传统的太阳模拟器全光谱发射对温度场的干扰问题。

3、本发明通过分离红外热像仪捕获光带与大功率灯阵发射光带、大气辐射光带，引入非接触式测温方法，实现了对天线表面温度场的精确测量及控制，减小了传统的接触式测温对温度场的干扰，弥补了传统的接触式测温对天线展开功能影响的缺陷。

4、本发明通过热流分析，将天线移动至灯阵热流边界层外，避免了高温灯罩及灯架对天线温度场的干扰。

5、本发明的测温方法逻辑通顺、思路清晰、设计合理，本领域技术人员按照本发明的步骤进行实验，能够快速获取大型复杂结构的天线大温差系统的表面温度及温差梯度。

6、本发明第一热像仪和第二热像仪的数量可根据实际情况灵活设置，测温过程安全可靠，适用范围较广，第一热像仪和第二热像仪对称设置在灯阵的两侧，优化了操作空间，减轻了工作人员的操作负担。

7、本发明第一热像仪和第二热像仪均为常规零件，拆装方便、无需特制，而且便于维修和更换，大幅降低了生产成本。

8、本发明对天线展开后的构型没有特殊限制，适用于低温常压等多种工作环境，在复杂工况下依然能够对大型空间展开天线进行测温，可操作性强。

附图说明

图1为本发明的流程图

图2为本发明的结构图

图3为金属卤化物灯辐射光谱图

图4为飞利浦卤钨灯光谱分布曲线图

图5为本发明热边界层厚度随灯阵温度、气体流速变化的曲线图

图6为本发明热边界层厚度随紊流假定前缘距离变化的曲线图

图7为本发明用于大型天线大温差展开试验结果图

其中：1试验室；2灯阵；3第一热像仪；4第二热像仪；5天线；

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实施例对本发明作进一步描述：

如图1-2所示，一种大型展开天线大温差系统构建及测试方法，包括如下步骤：

第一步：将天线5展开放置在试验室1中，灯阵2放置在天线5的一侧，第一热像仪3和第二热像仪4分别安装在灯阵2上，在天线5不同部位安装热电偶，同时使用第一热像仪3和第二热像仪4测试天线5表面温度，标定天线5不同部位的发射率，标定方法为：以热电偶测试温度为参考，修正第一热像仪3和第二热像仪4局部发射率，使第一热像仪3和第二热像仪4测试结果与热电偶测试温度相同，此时的局部发射率即为天线5对应部位的真实发射率；

第二步：拆除所述热电偶，根据发射率标定结果，在第一热像仪3和第二热像仪4测试软件上选择天线5不同部位，并输入标定发射率，完成第一热像仪3和第二热像仪4的局部发射率设置；

第三步：根据试验室1内气体流速与灯阵2温度，确定热边界层厚度δ_t；

第四步：根据热边界层厚度δ_t及天线5展开运动需求，确定天线5与灯阵2的距离，所述距离大于热边界层厚度δ_t，灯阵2位于天线5展开最大空间包络之外，测试并调整所述距离范围内灯阵2照射区域的辐照不均匀度；

第五步：降低试验室1温度至天线5最低温值T_min；

第六步：开启灯阵2，根据所述天线5表面温度调整灯阵2的功率，直至天线5表面温度满足试验要求，进行天线5功能测试。

气体辐射具有两个重要特性：

第一、大气中对热辐射具有辐射和吸收能力的成分主要为二氧化碳CO₂和水蒸气H₂O，其他大部分成分，例如氮气、氧气、氢气等，为热辐射透明体，不进行热辐射也不吸收热辐射。

第二、二氧化碳CO₂和水蒸气H₂O对辐射波长具有选择性，只对特定波长范围内光带的热辐射具有辐射和吸收能力。二氧化碳CO₂的主要光带有三段：2.65～2.80μm、4.15～4.45μm、13.0～17.0μm，水蒸气H₂O的主要光带也有三段：2.55～2.84μm、5.60～7.60μm、12.0～30.0μm。

利用气体辐射以上两条特性，选择辐射波长λ_Light≤2.55μm的辐射光源组成大功率灯阵，完全避开二氧化碳和水蒸气的吸收光带，使环境试验室内气体温度不受大功率灯阵辐射的影响。

由于被试天线5表面在近红外和可见光谱段均近似漫灰体，使得灯阵2辐射能量通过产品表面反射进入第一热像仪3和第二热像仪4。为了使第一热像仪3和第二热像仪4的测试结果真实反映产品表面的温度，必须使得第一热像仪3和第二热像仪4探测辐射波长远离灯阵2辐射光谱，同时避开二氧化碳和水蒸气光带。故可选探测辐射光带有4段，分别为2.84～4.15μm、4.45～5.6μm、7.6～12.0μm和＞30μm。

大型展开天线试验温度范围一般为-100～+130℃，根据Wien位移定律：λ_mT＝2.8976×10^-3m·K，其中，λ_m表示最大辐射力波长。

可知，大型展开天线在试验温度范围内最大辐射力波长λ_m范围是7.19～16.75μm，优选的，探测辐射光带λ_Camera＝7.6～12.0μm探测到天线辐射能量最大，为最佳探测谱段。

热边界层厚度δ_t应满足公式：其中：Pr为普朗特数、δ为流动边界层厚度、L为灯阵沿气流方向的长度、x₀为紊流假定前缘、V∞为试验室内气体流速、υ为流体动力粘性系数。

根据热流理论，热边界层为固体表面附近流体温度剧烈变化的薄层，其厚度为δ_t，根据其边缘温度t进行定义：

t-t_W＝99％·(t_∞-t_W)，其中：t为热流边界层处流体温度、t_W为灯阵表面温度、t∞为试验室内气体温度。

可以近似认为热边界层外部流体温度为流体内温度t_∞，即热边界层外温度不受灯阵2温度的影响。为了简化分析，假设灯阵2及支架为一平板，根据对流换热理论：

在层流段Re_x≤5×10⁵，热边界层厚度其中：x为距离灯阵前端的长度，灯阵前端表示离试验室气体入口最近的灯阵一端。

当空气流速变大，层流向紊流转变，热边界层变厚。

紊流边界层内的速度采用7次方规律，即：其中：y为距离灯阵平面的长度、u为距离灯阵前端x和灯阵平面y处的流体速度。

则动量损失厚度为：

紊流段平板x＝L处的动量损失厚度为：

紊流假定前缘

临界长度

联合以上公式得到紊流状态下流体边界层厚度：

$\mathrm{\δ}=\frac{72}{7}\mathrm{\θ}=\frac{72}{7}(L-x_0)\frac{0.037}{{\[\frac{(L-x_0)V_{\mathrm{\∞}}}{\mathrm{\υ}}\]}^{1/5}}$

热边界层厚度：

${\mathrm{\δ}}_t=\frac{{\mathrm{Pr}}^{-1/3}}{1.026}\mathrm{\δ}=\frac{{\mathrm{Pr}}^{-1/3}}{1.026}\frac{72}{7}(L-x_0)\frac{0.037}{{\[\frac{(L-x_0)V_{\mathrm{\∞}}}{\mathrm{\υ}}\]}^{1/5}}$

其中：普朗特数Pr和运动粘性系数υ均与灯阵2和气体的温度相关，Pr变化小，υ随温度升高而升高。

试验室1内气流采用干燥空气，天线5最低温值T_min不低于露点温度。

灯阵2与天线5的距离不小于0.15m。

灯阵2采用分布补偿式布局，通过调整每个红外灯的照射角度，使得灯阵2照射区域的辐照不均匀度不超过10％。

第一热像仪3和第二热像仪4对称设置在灯阵2的两侧，并覆盖天线5大温差形成区域，天线5受灯阵2照射的一侧与天线5不受灯阵2照射的一侧会形成大温差区域。

第一热像仪3和第二热像仪4均采用红外热像仪，第一热像仪3和第二热像仪4的测温范围大于所述天线表面温度的最大温差。

如图3-4所示，辐射光源金属卤化物灯和卤素灯的典型光谱分布曲线已经证明：金属卤化物灯主要辐射光谱范围是0.35～1.75μm，飞利浦卤钨灯的主要辐射光谱范围是0.35～2.5μm，可见此两种灯均满足使用需求，且金属卤化物辐射波长更短，优于卤钨灯。

结合层流与紊流计算公式，得到热边界层厚度随灯阵温度、气体流速的变化规律如图5-6所示，由此可见，灯阵2对天线5温度的影响主要与3个因数相关：

第一，灯罩与灯架温度，温度越高，υ越大，热边界层越厚，对天线的温度影响越大，反之越小；

第二，灯阵2与天线5的相对位置关系：沿气流方向，热边界层变厚，灯阵2在天线5的上风方向对天线5温度的影响大于下风方向；灯阵2离天线5距离越小、离热边界层越近，温度影响越大，反之越小；

第三，试验室1内风速大小：风速越小，热边界层越厚，影响越大，反之越小。

故根据试验室1内风速，调整灯阵2与天线5的距离，使天线5在灯阵2热边界层之外，确保天线5表面温度不受灯阵2温度的影响。

如图7所示，依据本发明所述的一种大型展开天线大温差系统构建及测试方法，实现了同步铰链-68.6～27.4℃的大温差温度梯度分布与温度场非接触测量。

本发明的工作原理是：

向试验室1内通入干燥冷空气，进行制冷，使环境及天线5达到均匀、稳定的最低温值T_min，开启灯阵2、第一热像仪3和第二热像仪4，根据第一热像仪3和第二热像仪4温度测试结果，调整灯阵2的辐射功率，使天线5被照射区域温度达到试验高温要求，从而在天线5受照面与非照射面形成大温差环境。

本发明说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。