吸波热沉在微波雷达成像卫星真空热试验中的应用

胡小康，翟载腾，程 锋，史奇良，葛 钊

（上海卫星工程研究所，上海 201109）

吸波热沉在微波雷达成像卫星真空热试验中的应用

胡小康，翟载腾，程 锋，史奇良，葛 钊

（上海卫星工程研究所，上海 201109）

在微波雷达成像卫星的整星真空热试验中，需采取特殊措施吸收SAR天线T/R组件发射出的大功率微波，以保护组件不被损伤。文章介绍了一种新型外热流模拟装置——吸波热沉，兼具吸波和外热流模拟 2方面的功能。为验证吸波热沉在真空热试验时的有效性，设计了一套验证试验方案，试验结果表明：吸波热沉可以满足真空热试验的外热流模拟精度需求，偏差在4%以内。该装置已在某微波雷达成像卫星的真空热试验中成功应用。

微波雷达成像卫星；SAR天线；真空热试验；吸波热沉；外热流模拟；温度控制

0 引言

微波雷达成像卫星SAR天线阵面的发射组件对地发射微波，接收组件接收由地球表面反射回来的微波并反演出图像，从而实现遥感观测[1]。卫星在轨工作时，SAR天线阵面发出的微波功率较大，通常达到几千瓦甚至上万瓦，而经过地表漫反射回到卫星的微波功率却是非常小的，因此天线阵面上的T/R组件的接收模块必须具有足够高的灵敏度。真空热试验用空间模拟器的内部材料一般均为金属材料，对微波具有很好的反射效果；常用的外热流模拟装置有红外加热笼、红外灯阵、加热片和太阳模拟器等[2-6]。在微波雷达成像卫星的整星真空热试验中，如果采取常规手段直接在真空罐中发射微波，将有较大功率的微波直接被反射回天线阵面，而T/R组件的高灵敏度接收模块无法承受大剂量的微波辐射（会被损伤甚至烧毁），需要采取一定的措施避免该类情况的发生。

按照以往的经验，可以通过将T/R组件接上一个有线负载来吸收发射出去的微波，将天线的无线发射模式改为有线负载模式来避免组件发射大功率微波。该种模式可以很好地保护接收模块，但具有以下局限性：

1）试验前后需对每个 T/R组件进行改装，工作量大。随着天线阵面向着大尺寸、高功耗的发展，T/R组件数量达到几百甚至几千个，改装已不适用；

2）T/R组件加接有线负载后的热耗精度有限，不能完全真实反映其在轨状态。

目前国外关于对SAR天线进行无线模式真空热试验的相关文献极少，可借鉴的经验较为有限，这主要是因为微波成像雷达卫星通常应用于军事领域，各国相关机构对此类信息一般采取封锁的态势。从现有资料可以看到采用吸波材料进行 SAR天线的无线模式真空热试验的相关报道。据美国Emerson & Cuming公司的产品成功使用案例介绍，Eccosorb SF吸波材料已被成功应用于日本GPS卫星、阿根廷-意大利合作的地球资源卫星、国际海事通信卫星IV及多颗美国卫星的真空低温环境试验[7]。该种吸波材料单频点工作且反射率低于-20 dB，但不具备外热流模拟功能，因而不能直接用于真空热试验。

本文提出一种新型的外热流模拟装置——吸波热沉，并设计了验证试验对其试验精度进行验证。

1 吸波热沉方案

吸波热沉作为一种新型外热流模拟装置，兼具吸波和外热流施加2方面功能。其正面（正对天线阵面）采用吸波型材料，背面粘贴电加热片和热电偶用于主动温控。因此，在天线阵面上方布置吸波热沉，可以有效吸收发射组件发射的微波；对吸波热沉的温度加以控制，可以使其兼具外热流模拟功能，满足真空热试验的需要。图1为使用吸波热沉进行整星热试验的状态。

图1 吸波热沉热试验状态Fig. 1 Microwave absorbing heat sink in vacuum tank

吸波热沉正面的吸波组件选择碳化硅材料的方形尖锥结构，通过槽道与铝板连接，并使用GD414C硅橡胶降低吸波组件与铝板之间的热阻。在铝板背面粘贴电加热片及控温热电偶，用于对整个吸波热沉进行主动温控。整个铝板背面喷涂高发射率的黑漆，用于和真空罐的热沉进行均匀的辐射换热。在真空热试验过程中，根据试验所需的外热流设置吸波热沉控温点的目标温度，令吸波热沉通过辐射换热的方式向天线阵面施加合适的外热流，同时吸收天线阵面发射出的微波。吸波热沉的加热控温实施方案如图2所示。

图2 吸波热沉加热控温方案Fig. 2 Temperature control scheme of microwave absorbing heat sink

2 理论分析

下面理论分析SAR天线阵面所需外热流对应的吸波热沉的温度，以及为了维持吸波热沉温度所需的加热功率。

在轨飞行时，SAR天线波导阵面的平衡温度取决于 SAR天线的内部热耗以及外热流，如图3所示，其平衡方程为[8-11]

式中：qw′为天线吸收外热流，W/m2；qn′为 SAR 天线内部热耗，W/m2；εs为 SAR天线阵面表面发射率；σ为Stefan-Boltzmann常量，5.67×10-8W/(m2·K4)；Ts为SAR天线阵面平衡温度，K。

图3 天线在轨热交换示意图Fig. 3 Heat change of SAR in orbit

真空热试验时，SAR天线阵面与吸波热沉之间的换热量应等于SAR天线内部热耗，

SAR天线阵面与吸波热沉可看成是两表面组成的腔体，则SAR天线阵面与吸波热沉之间的净辐射换热速率为

式中：Tx为吸波热沉表面温度，K；εx为吸波热沉表面发射率；As为SAR天线阵面面积，m2；Ax为吸波热沉对天线阵面的面积，m2；Fsx为SAR天线阵面对吸波热沉的视角系数。

吸波热沉与SAR天线阵面组成封闭空间，则Fsx=1。吸波热沉朝向天线阵面的一面为尖锥结构，具有较高的发射率，εx≈1。则式(2)可以表示为

将式(4)代入式(1)得：

则由式(5)可以计算出SAR天线阵面所需外热流所对应的吸波热沉表面温度Tx。

以吸波热沉为研究对象，如图4所示，其热平衡方程为

式中：qj为吸波热沉的加热功率；xε′为吸波热沉背面发射率。由式(6)和式(4)可以得到：

则由式(7)可以计算出将吸波热沉温度维持在Tx所需的加热功率。

图4 吸波热沉换热关系Fig. 4 Heat change of microwave absorbing heat sink

3 吸波热沉验证试验

为验证吸波热沉施加热流的准确性，开展验证试验。卫星在轨运行时，试验件表面（散热面）有一定的工作温度范围，单纯由吸波热沉加热的温升无法达到这个工作温度范围，必须通过加热片为试验件提供补偿热流。吸波热沉外热流验证试验如图5所示。q0′为加热片给试验件加热的热流密度，q1′为到达试验件表面的吸波热沉热流密度，q2′为试验件对外散热热流密度。

图5 试验时换热关系Fig. 5 Heat exchange of microwave absorbing heat sink in the experiment

由于相互位置关系等诸多因素作用，吸波热沉到达试验件表面的热流密度q1′并不等于试验件实际吸收热流密度q′′吸[8]。以试验件为研究对象，其热平衡方程为

q2′由Stefan-Boltzmann定律得到，即

式中：ε为试验件表面红外发射率；T为试验件表面温度，K。将式(9)代入式(8)得：

根据预设试验件表面温度T及试验件吸收的热流密度q′′吸，由式(10)即可确定此工况下加热片施加的热流密度q0′。吸波热沉的热流密度由软件通过闭环控制算法，以热流计稳定在q′′吸为目标进行自动调节。

试验开始后，按照预设要求向试验件施加热流（含加热片和吸波热沉的热流密度）。热平衡后，如果试验件表面温度低于预设温度，说明吸波热沉热流密度不足；如果试验件表面温度高于预设温度，说明试验件吸收的吸波热沉热流过多。缓慢调整热流计的设定值，使试验件表面温度达到预设温度。当试验件表面温度和预设温度相等时，则吸波热沉施加给试验件的吸收热流满足要求。

通过试验确定不同的吸收热流下的热流计实际响应值，即可得到吸波热沉指定吸收热流密度与对应的热流计响应之间的关系，实现对吸波热沉外热流模拟准确性的验证。

3.1 试验件技术状态

试验件本体使用厚度为3 mm的铝板。铝板一面粘贴锗膜模拟散热面（发射率 0.83），并粘贴热电偶用于监视试验件温度；另一面均匀粘贴加热片后使用30层的多层隔热组件隔热，铝板边缘也使用多层隔热，并在多层隔热组件上粘贴热电偶以便考察多层的漏热情况。热流计的安装方式有支架悬空安装和安装于试验件表面2种。悬空安装的热流计支架安装于挡板上，距离试验件表面约20 mm。

3.2 试验步骤

试验工况具体设置和实施步骤为：

1）拟定不同吸收外热流密度下试验件表面的目标温度。

2）由吸收外热流密度计算得到吸波热沉控制的热流计温度，由试验件表面的目标温度和吸收外热流密度计算得到试验件加热占需提供的热流密度，进而可以得到试验件加热片的加热电流。以计算得到的热流计温度和试验件加热片电流作为工况输入条件，施加工况。

3）维持试验件加热片热流密度，即保持加热片电流不变，通过调整吸波热沉控制热流计的温度来调整吸波热沉热流密度，使热平衡后试验件表面平均温度和设定的目标温度接近。

最终，根据试验结果评估验证吸波热沉外热流模拟的准确性。判据为试验件实际吸收外热流密度与第1步中提供的吸收外热流密度间的偏差小于5%。

3.3 工况设置

吸波热沉外热流验证试验工况如表1所示。

表1 试验工况Table 1 Summary of the test conditions

3.4 验证试验结果

试验结果汇总如表2所示。

表2 试验结果汇总Table 2 Summary of the experimental results

由表2可以看出，试验施加外热流密度与试验件实际吸收外热流密度比较接近，偏差均在4%以内。这表明，使用吸波热沉作为外热流模拟装置可以满足真空热试验的精度需求。

4 结束语

本文介绍的适用于微波雷达成像卫星SAR天线真空热试验的外热流模拟装置，兼具吸波和外热流模拟的功能，其外热流模拟精度已经得到了试验验证。该装置已成功应用于某微波雷达成像卫星整星真空试验，并在在轨飞行试验中得到了进一步验证，可推广应用于后续微波雷达成像卫星及其他有吸波需求的真空热试验。

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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

国家重大科技专项工程

胡小康, 翟载腾, 程锋, 等. 吸波热沉在微波雷达成像卫星真空热试验中的应用[J]. 航天器环境工程, 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

（编辑：冯露漪）

胡小康（1985—），男，博士学位，从事航天器热设计工作。E-mail: huxk@mail.ustc.edu.cn。