天线窗材料热透波特性风洞测试方法

王国林，张晓晨，马昊军,*，刘丽萍，罗杰，张军

1. 中国空气动力研究与发展中心 超高速空气动力研究所，绵阳 621000 2. 北京临近空间飞行器系统工程研究所，北京 100076

天线窗材料是保护高超声速飞行器在恶劣的气动热环境下通讯、遥测、制导、引爆等系统正常工作的一种防热透波多功能复合电介质材料，在运载火箭、飞船、导弹及返回式卫星等航天飞行器无线电系统中得到广泛的应用[1-2]。

热透波是指电磁波通过高温或烧蚀状态的天线窗材料的动态传输过程，其物理机制和过程远复杂于电磁波在室温稳态电介质材料中的传输。在严重的气动加热环境下，飞行器的天线窗成为热窗，其表面温度迅速达到1 000～3 000 K或更高，窗体自外至内形成明显的温度梯度。天线窗材料表面高温区将经历相变，或者分解、气化，材料内部也会随温度的变化而发生不同的物理、化学、微观组织结构变化，从而引起材料物性的变化[3]。伴随这一变化过程，材料的透波特性可能发生很大的改变。这种热透波效应会造成信号衰减，使雷达作用距离缩短、天线方向图发生畸变，瞄准精度下降，甚至发生测控信号的中断或脱靶。

同时，高超声速飞行器在大气层中飞行时，在飞行器周围形成等离子体鞘套，这种非均匀、碰撞、弱电离的等离子体对电磁波信号的衰减作用很强，同样可以导致飞行器与地面测控系统的通信中断[4-6]。

天线窗的热透波效应和等离子体鞘套的衰减作用，是产生“黑障”的主要原因。因此，在地面模拟环境中，对天线窗材料的热响应和烧蚀特性进行研究，并测试其在高温或烧蚀条件下的介电特性、透波带宽、电磁波幅值和相位变化等，是分析天线窗材料特性、设计和研制高性能天线窗的基础；开展等离子体和天线窗的透波特性联合测试，是进行“黑障”研究和飞行器通信制导系统设计的基础。

国外在电弧风洞上对阿波罗飞船天线窗[7]的热响应特性和烧蚀前后的射频传输特性进行了研究，对氮化硼材料在高温下的介电特性和电磁波损耗特性进行了理论和试验分析[8-9]，获得了天线窗材料在高温条件下的烧蚀特性和透波特性。国内也在电弧风洞上开展了天线窗材料热烧蚀特性及透波特性联合试验[10]。

相比于电弧风洞，感应耦合等离子体风洞采用感应加热的方式产生等离子体，没有电极烧蚀对等离子体的污染，可以有效模拟等离子体的电子数密度和碰撞频率，是开展天线窗和等离子体对电磁波传输特性影响研究的理想设备。

本文利用感应耦合等离子体风洞产生一定参数的等离子体射流，对天线窗进行加热作用，测试了一定热流分布条件下天线窗表面的温度，同时采用矢量网络分析仪和微波天线组成的测试系统，获得了天线窗在等离子体覆盖条件下以及降温过程中无等离子体覆盖条件下不同温度下的透波特性。

1 等离子体射流及热环境参数

1.1 等离子体射流的产生

感应耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，ICP)风洞能够提供纯净的、长时间稳定运行的高焓等离子体射流，被广泛应用于再入飞行器气动热研究[11-12]、高超声速飞行器防热材料性能试验研究[13-14]、火星探测器气动热与热防护研究[15-16]等方面。常规工作条件下，感应耦合等离子体射流的电子数密度范围为1010～1013cm-3，碰撞频率范围为109～1010Hz。

为了产生一定厚度的薄片状等离子体射流，本研究采用出口截面尺寸为50 mm×250 mm的矩形喷管，从而形成厚度为50 mm(即电磁波传输方向)的片状等离子体射流，如图1所示。根据风洞运行状态，该喷管的等离子体射流速度为100～200 m/s。

图1 矩形喷管等离子体射流Fig.1 Plasma jet of rectangular nozzle

1.2 天线窗表面冷壁热流测试方法

试验中，需要针对平板天线窗开展热透波试验，并保证天线窗表面热流分布尽可能均匀，为此采用平板烧蚀试验技术。

首先，开展了流场状态调试和天线窗表面热流测试。将风洞运行在一定的状态下，产生射流参数一定的等离子体射流；将热流校测模型嵌套在试验段中的专用水冷支架上；通过送进系统将水冷支架送至等离子体射流中，并保证水冷支架前端与喷管出口齐平。测试时，利用送进系统将热流探头快速送至射流中心并短暂停留，得到量热计的温升响应曲线；通过温升响应曲线的斜率和量热计参数，得到各个测点的热流[17]；根据热流的大小，调整风洞运行状态和水冷支架的迎角，直到热流测试结果满足试验要求。

试验中，设计了相应的热流校测模型，如图2所示，在热流校测模型表面布置9个热流测点，分别分布在平板中心、50 mm×50 mm和100 mm×100 mm的正方形各顶点上，每个测点均采用柱塞式量热计。试验中热流测试误差约为10%。

图2 热流校测模型Fig.2 Heat flux calibration model

1.3 天线窗表面等离子体流场电子数密度测试方法

试验中，采用静电探针诊断系统[18]测试覆盖天线窗的等离子体电子数密度。探针采用了功函数较大、熔点较高、溅射率较小的金属钼作为探针材料，探针材料外面采用三氧化二铝陶瓷绝缘和支撑，探针工作端直径为1 mm、长度为15 mm。

采用静电探针诊断系统获得探针在等离子体中的伏安特性曲线。根据探针数据处理理论，当等离子体密度较高，探针半径与等离子体Debye半径比大于10时[19]，探针周围的等离子体鞘层较薄，按照薄鞘层探针理论，得到正离子数密度[20-21]为

(1)

式中：Ii为离子饱和电流；As为探针有效面积；e为电子电量；Mi为离子质量；Te为电子温度；kB为Boltzmann常数。探针的电子收集面积取决于探针鞘层的厚度，其可修正为[20-21]

As=Ap(1+δ/rp)

(2)

其中：Ap为探针的表面积；rp为探针半径；δ为鞘层厚度，其表达式为[20-21]

(3)

其中：me为电子质量;λD为Debye半径，其表达式为

(4)

其中:ne为电子数密度。

采用式(1)计算等离子体的电子数密度，采用式(2)～式(4)计算探针的有效面积，直到电子数密度和探针有效面积收敛为止。将本文的探针测试方法与微波测试结果进行对比验证，发现误差在20%以内[18]。

2 天线窗热透波特性试验方法

2.1 天线窗的布置

为了防止水冷支架的侧向热传导对天线窗边缘热流分布的影响，将天线窗固定在泡沫石英框架中。泡沫石英耐热性好，同时热导率低，可以有效地隔热。泡沫石英框架外形与热流校测模型一致，前端方形沉孔可以保证天线窗放入后表面与其齐平，中心方形开孔为天线窗的有效透波孔径，如图3所示。泡沫石英框架可以保证天线窗材料侧面和背面均与水冷支架隔开。

试验前，将泡沫石英框架和天线窗安装在水冷支架中，如图4所示。水冷支架采用箱体封闭结构，各个面均采用夹层水冷，可以保护放在其中的微波天线及电缆不受等离子体射流的影响。

图3 泡沫石英隔热体Fig.3 Foam quartz for heat shield

图4 放置天线窗的水冷支架Fig.4 Water-cooling support with antenna window

2.2 天线窗表面温度测试方法

采用红外热像仪对整个天线窗表面的温度分布进行测试，同时采用比色高温计对天线窗中心位置的温度进行测试。比色高温计和红外热像仪分别以石英玻璃和ZnSe作为窗口材料，整个测试系统的布置如图5所示。

在试验室条件下近距离测温时，可以忽略大气透射和环境温度对红外热成像测温的影响，材料表面温度测量结果仅仅与材料的发射率相关。因此，只要准确设定材料的发射率和测试路径上的红外窗口透过率，就可以得到材料的表面温度。

图5 热透波测试系统Fig.5 Hot-wall microwave-transparency test system

采用ZnSe作为风洞洞壁上的红外窗口材料，其在热像仪测试波段的透过率为0.65。

试验中，以比色高温计测温结果为依据，在红外热像仪中设定天线窗发射率，使相同时刻红外热图中高温计测量位置的红外温度与高温计测试结果一致，从而得到正确的天线窗材料发射率。在红外热像仪中设定相应材料发射率和窗口透过率，从而获得天线窗整个表面的温度分布云图。

2.3 天线窗热透波特性测试方法

天线窗热透波特性测试系统由矢量网络分析仪、远程数据采集与控制计算机、发射天线、接收天线以及低损耗同轴电缆等构成，如图5所示，其中控制计算机与矢量网络分析仪之间通过通用接口总线(GPIB)连接。

为了研究天线窗在X波段的热透波特性，采用了一组增益为15 dB的标准增益天线。将发射天线放置在试验段外部，并以石英玻璃作为透波窗口；将接收天线放置在水冷支架中，并距离天线窗一定位置，防止天线窗受热后对天线和电缆造成影响。

试验测试步骤为：

步骤1微波天线安装就位，风洞各系统完成准备工作。

步骤2在不安装天线窗的条件下，风洞抽真空，待真空度稳定后，在矢量网络分析仪中设定测试通道和测试频率点，调整发射天线的位置和角度，在矢量网络分析仪中观察透波电平的变化，确定透波电平最高的位置，保证测试系统的匹配最大化，获得未安装模型时测试频点的透波电平。

步骤3关闭真空泵并打开试验段，安装天线窗，风洞重新抽真空，待真空度稳定后，测量模型安装后测试频点的透波电平，并进行测试系统调零。

步骤4风洞开车，在设定的试验状态下对天线窗模型进行烧蚀，烧蚀试验与透波测试同时进行，采用比色高温计和热像仪测量材料表面温度；风洞停车后，继续测量天线窗透波电平和表面温度变化。

设无等离子体加热时测试系统的入射波功率为Pi，有等离子体时透射信号和反射信号的功率分别为Pt和Pr，则透射信号和反射信号的增益分别为[22]

Gt=10lg(Pt/Pi)

(5)

Gr=10lg(Pr/Pi)

(6)

电磁波功率衰减系数为[22]

(7)

3 试验结果及分析

3.1 试验状态

通过试验状态调试，最终得到天线窗表面热流分布如图6所示，去除个别量热计的安装问题导致的数据缺失或偏低，同时考虑量热计的测试误差，可以认为：天线窗表面的热流分布基本均匀，平均热流为222 kW/m2。采用静电探针测试了覆盖天线窗的等离子体电子数密度，风洞中心轴线上等离子体电子数密度为1.1×1012cm-3。

图6 天线窗表面热流分布Fig.6 Surface heat flux distribution of antenna window

3.2 天线窗的热响应

试验中，采用等离子体射流对天线窗加热3 000 s，之后风洞停车并关闭风洞进气装置，让天线窗进入自然降温过程并持续测试2 500 s。

图7为双色高温计与红外热成像所测得的天线窗中心温度(T)随试验时间(t)的变化，在该试验状态下，加热500 s后天线窗表面温度达到平衡，天线窗中心的平均温度为910 ℃。

图8为t=1 500 s和t=3 500 s时刻(加热3 000 s，降温500 s)天线窗表面温度分布云图，可见在加热过程中天线窗表面的温度分布差异小于100 ℃，降温过程中天线窗表面的温度分布差异小于30 ℃；图8(a)中白色虚线框内为天线窗的实际大小，外围是泡沫石英隔热体的温度分布。

图7 天线窗中心的温度测试结果Fig.7 Test results of temperature at center of antenna window

图8 天线窗表面温度分布Fig.8 Surface temperature distribution of antenna window

3.3 天线窗的热透波特性

图9为10.2 GHz电磁波传输特性随测试时间的变化，可见：等离子体流场建立后，由于等离子体的衰减作用，电磁波信号急剧衰减；加热过程中，由于天线窗的热透波效应和等离子体的衰减作用，电磁波功率平均衰减为10 dB；风洞停车后，在无等离子体的条件下，电磁波功率衰减系数迅速回升并低于初始零点0.5 dB，之后随着天线窗温度的降低而升高。

图10为降温过程中无等离子体时天线窗热透波特性随表面温度的变化曲线，可见：在80～750 ℃以内天线窗热透波性能低于烧蚀前常温条件下的，对电磁波的最大衰减为0.5 dB；天线窗透波性能随着温度的升高而降低，在天线窗温度降为80 ℃时回到初始零点。

图9 10.2 GHz电磁波传输特性随测试时间的变化Fig.9 10.2 GHz electromagnetic wave transmission characteristics vs test time

图10 天线窗热透波特性随平均表面温度的变化Fig.10 Hot-wall microwave-transparency characteristics of antenna window vs average surface temperature

试验前后分别对天线窗的质量和厚度进行了测量，测试结果表明：在该状态下天线窗的质量烧蚀速率为4.7×10-4g/s，天线窗未发生显著的烧蚀，表面形貌保持不变，无熔融现象。在该热流条件下，天线窗材料有很好的抗烧蚀性。

下一步，将在本文工作的基础上，对覆盖天线窗的等离子体参数进行深入研究，获得流场截面上等离子体电子数密度和碰撞频率的非均匀分布，结合数值模拟，研究天线窗和等离子体耦合作用对电磁波传输特性的影响。

4 结 论

通过天线窗热透波特性试验，基于本文的试验条件，可以得到以下结论：

1) 在222 kW/m2平均表面热流作用下，本文所用的天线窗材料在3 000 s加热过程中未发生显著的烧蚀，天线窗中心的平均温度为910 ℃。

2)在厚度为5 cm、中心电子数密度为1.1×1012cm-3的等离子体射流覆盖条件下，天线窗透波电平远低于无等离子体覆盖时的透波电平，等离子体对电磁波传输特性的影响远大于天线窗热透波效应的影响。

3) 天线窗材料烧蚀后在80～750 ℃以内的热透波性能低于烧蚀前常温条件下的，且透波性能随着温度的升高而降低。

本文的方法为在地面等离子体风洞中开展天线窗热透波特性试验，分析天线窗材料高温介电特性，开展天线窗材料选型试验，研究电磁波在等离子体和天线窗中的传输特性建立了基础。

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