航天器大型可展开天线金属网热辐射性质测试及热分析仿真①

王耀霆，王 波，肖志伟，徐向阳，张小波

(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

金属网具有柔韧性好、收纳比高、低刚度、低密度、高电磁波反射比等特点，被广泛应用于大型可展开天线的反射面。目前常用金属反射网由多根较细的金属丝加捻合股、纱线整经、上机编织而成[1]，金属丝表面镀覆金属保护层，如金或镍，镀覆后单根金属丝径有14μm、17μm 、27μm三种规格，根据电磁反射特性要求采用不同编织方案。某型号金属网实物微距照片如图1所示。

图1 透射率测试原理图Fig.1 Measurement principle of transmissivity

在轨飞行过程中金属丝和空间环境之间的换热以热辐射的方式进行，金属丝的热辐射性质对其温度水平有决定意义。对于空间材料的热辐射性质主要指表面的红外半球发射率εh和太阳吸收比αs两个参数，吸收发射比αs/εh的大小与金属丝受照的最高温度成正比，而εh/Cp的大小与金属丝进入阴影区后温度降低的快慢程度成正比，其中Cp为金属丝的热容(J/K)。金属丝的结构特性决定了其热容很小，因此较小的εh也会导致金属网在轨温度较低。

大型可展开天线反射面金属网方案如表1所示：

从专著[2]上可以查到不同镀金表面的αs、εh两个参数的变化范围很大：太阳吸收比αs的变化范围为0.19～0.33；红外半球发射率εh的变化范围为0.01～0.025，对应的吸收发射比αs/εh变化范围为33～7.6。

根据热平衡方程可以计算得到不同吸收/发射比情况下，将细金属丝简化为等温圆柱体，对应的受照平衡温度如表2所示：

表2 金属网热物性与高温范围Tab.2 The Temperature V.S. Radiation Properties

由此可见，金属丝的不同热辐射特性对应的受照平衡温度变化范围很大，但由于金属丝尺寸太小，无法直接测试其表面热物性，而利用大尺寸试样又无法真实还原金属丝的镀覆工艺对热物性的影响，因此本文通过测试已编织成成品的金属网的热辐射性质间接获得了金属丝的半球发射率εh和太阳吸收比αs两个参数。

在TMG等有限元热分析仿真中，金属网一般采用壳单元模拟。基于金属网的结构特性，仿真采用的壳单元的厚度、导热系数均可忽略，关键是要通过设置壳单元的热光属性，来模拟金属网在天线系统中的辐射传热关系，因此在热分析仿真中，金属网的透射率、太阳吸收比和半球发射率才是最值得关注的。

1 金属网太阳光谱性质测试

1.1 金属网太阳光谱透射率(τs)测试原理

金属网的太阳光谱透射率就是把太阳辐射作为投射辐射能量投射到金属网上，其中透过金属网的份额。由于编织金属网所用材料为金属丝，本身为不透明材料，因此金属网的透射率就是透过“网孔”的太阳辐射能量在投入辐射总能量中所占的份额。由于航天器热控制研究的太阳光谱范围为0.2μm～2.6μm之间[4,6]，远小于金属网孔及金属丝材尺寸，因此可以认为金属网太阳光谱透射率与光谱波长无关，即：

τs(λi)=τs(λj)

其中λi、λj为0.2μm～2.6μm之间的任意波长。

国军标[4]中的相对光谱法测试太阳光谱反射比，利用了积分球内部光强检测器检测电流I(λi)与试样反射比ρo(λi)和入射能量qs(λi)成正比的原理，即I(λi)∞ρo(λi)·qs(λi)，在标准反射板不变，而入射能量因金属网遮挡而减小为τs(λi)·qs(λi)后，其光强检测器检测的电流I'(λi)∞ρo(λi)·τs(λf)·qs(λi)，将两式相比得到：

即，入射孔带金属网状态下相对于标准白板的光谱反射比与金属网透射率相等。

1.2 金属网太阳光谱透射率(τs)测试方法

根据上节原理，由于金属网透射率与波长无关，因此只要在入射孔带金属网状态下测试得到标准白板的光谱反射比，就是被测金属网的透射率。

标准白板的光谱反射比测试方法可参见国军标[4]的反射比测试方法。测试装置按下图1所示设置，首先在没有金属网状态下完成标准白板的基线扫描，设定仪器的工作参数，然后在入射光孔处放置被测金属网，在相同波长范围内进行相对于标准白板的光谱反射比扫描，得出的不同波长下的光谱反射比曲线就是金属网的透射率，若透射率与波长无关，可以看到该曲线为一条水平线，其平均值就是金属网透射率。

1.3 金属网及金属丝太阳光谱吸收比测试原理

对于金属网的网孔状物理结构，必须对传统的非透明材料的太阳光谱吸收比测试方法进行校准，本文利用国军标[4]中的相对光谱法，依据金属网的太阳光谱反射比ρeff、吸收比αeff和透射率τs的完备性(ρeff+αeff+τs=1)，通过测试金属网的反射比ρeff和透射率τs，从而间接测试得到金属网的太阳光谱吸收比αeff。

αeff=1-ρeff-τs

(1)

另外，通过金属网的反射比ρeff和透射率τs，可以间接地的得到金属丝本身表面的太阳光谱吸收比αs，推导如下：

假设投射到金属网表面的总能量为q，其中q·τs能量份额被透射，投射到金属丝上的能量为q·(1-τs)；被金属网反射的能量为q·ρeff(或者q·(1-τs)·ρs)；而金属丝本身是不透明的，因此被金属丝吸收的能量为q·(1-τs)-q·ρeff，可得出金属丝镀层的太阳光谱吸收比为：

(2)

1.4 金属网表面镀层太阳光谱反射比(ρeff)测试方法

金属网的太阳光谱反射比ρeff测试系统如下图2所示，方法如下：

在金属网试样背面放置吸光材料或反射镜，使透过金属网的透射光被吸光材料完全“吸收”或“反射”掉，而不会返回到积分球内引起测试误差。

图2 反射比测试原理图Fig.2 Measurement principle of reflectivity

测试程序可参见国军标[4]，完成标准白板的基线扫面后，在正式测试金属网试样前，增加空载测试，即在试样孔处无被测件的情况下，按正常程序进行一次反射比扫描，得出的反射比应接近于0±0.01，否则应重新设置吸光材料或反射镜的状态，直到满足0±0.01，然后再进行金属网试样的测试。得到金属网的太阳光谱反射比ρeff，进行积分后得到金属网的太阳光谱反射比ρeff。

式中：ρo(λi)-波长为λi时标准白板的光谱反射比(已知量)；

ρb(λi)-波长为λi时试样相对于标准白板的光谱反射比(测试量)；

Es(λi)-对应波长λi的太阳光谱单色辐射能量密度(已知量)；

Δλi-波长间隔Δλi=(λi+1-λi-1)/2，单位：μm。

2 金属网红外光谱特性测试

2.1 金属网及金属丝表面镀层半球发射率测试原理

由于金属网的特殊物理结构，必须对传统的非透明材料的半球发射率测试方法进行校准，本文利用国军标[5]中的辐射计法，依据发射率理论，间接测试得到金属丝的半球发射率εh。

假设将金属网试件与已知发射率的背景样片重叠放置，测试这种复合表面的半球发射率，测得的值为复合表面的有效发射率εeff，假设背景样片的已知发射率为ε1，金属丝的未知发射率为ε2，复合表面中露出的背景样片面积为A1，金属丝面积为A2，复合表面的面积为A，则有如下公式：

A·εeff=A1·ε1+A2·ε2

A=A1+A2

根据透射率的定义有：

τs=A1/A

整理得到：

(3)

上式中ε1为背景样片发射率，金属网的透射率τs通过1.2节方法测试得到，因此金属丝表面镀层半球发射率的测试就转换为金属网试件与背景样片重叠的复合表面的有效发射率εeff的测试，εeff测试方法见下。

而在热分析仿真中网孔“背景”发射率ε1=0，带入公式3，可得仿真中金属网等效发射率为：

εeff=εh·(1-τs)

决定金属网在轨受照状态下温度的主要参数就是透射率和吸收/发射比，结合公式1)，2)，3)可以得到金属网的吸收/发射比：

(4)

由此可见金属网的有效吸收发射比由金属丝本身的热物性决定，而与编织工艺无关。

2.2 复合表面有效发射率(εeff)测试方法

复合表面发射率测试原理及测试程序可参见国军标[5]所述方法，区别仅仅是把试样更换为金属网试件与背景样片重叠的复合样件。

一般情况下辐射计会带有一黑、一白两片参比试样，黑片发射率在0.88左右，白片发射率在0.05左右，可以用参比试样作为复合表面的背景样片，考虑到金属丝镀层本身的发射率极小，与白片发射率接近，为了提高测试精确度，建议用黑片作为背景样片进行测量，测量三次以上取平均值。

3 实验部分

太阳光谱涵盖了波长短于10-14m的γ射线到长于104m的无线电波，其中能转换成热能的部分主要是0.18μm～40μm之间，它占太阳总辐射能的99.99%。

地球大气层外太阳光谱辐照强度平均值为1367W/m2，一年内随日地距离有±3.5%的变化[3]。太阳光谱中95.87%的能量集中在波长0.2μm～2.6μm的光谱范围内[3]，地球轨道航天器热控工程中主要关注这个谱段范围内的太阳吸收比。国军标[4]将测试谱段分为：0.2μm～0.6μm(测试间隔不大于5nm)；0.6μm～0.75μm(测试间隔不大于10nm)；0.75μm～1μm(测试间隔不大于50nm)；1μm～2.6μm(测试间隔不大于100nm)。

由于金属网自身刚度极小，不具备常规试片的刚度特性，且金属网的张力对透射率影响较大，被测金属网试样需采用窄金属边框制作具有固定张力的金属网试片，并且在测试过程中维持其张力不变(透射率一定)，见图4所示。

试样

按照上文原理，对某种金属网测试，得到单色光谱透射率、反射比、吸收比(图5a)，将每个波长的测试结果与太阳光谱单色辐射强度乘积后得到下图5 b)所示的金属网的透射、反射、吸收特性曲线，各条曲线下方的面积与太阳光谱总能量之比为金属网的太阳光谱透过率、反射比和吸收比。图示可见太阳光谱透射率几乎不随波长发生变化。

按上述方法对4种金属网试样进行了测试，结果如下表：

a)单色光谱测试数据 b)太阳光谱特性图5 某金属网光谱特性曲线Fig.5 Optical-Property curve of a metal wire mesh

表3 金属网热物性测试结果Tab.3 The Measurement Radiation Properties of Metal Wire Mesh

4 仿真分析

在有限元热分析软件中可以将金属网理想化为平面(即用“壳单元”模拟金属网)；或者从微观上将金属丝理想化为等温圆柱，用上表测试得到的热物性参数可计算其受照的平衡温度(太阳常数取全年最大值1414W/m2)，见下表：

表4 不同金属网的平衡温度Tab.4 The Temperature of Different Metal Wire Mesh

将金属网理想化为平面时，国产镀金钼丝网的受照平衡温度329℃左右；进口镀金钼丝网的受照平衡温度193℃左右；将金属丝理想化为等温圆柱体时，国产镀金钼丝的受照平衡温度268℃左右；进口镀金钼丝的受照平衡温度145℃左右。

“丝”的温度分别比“网”会偏低40～50℃，主要原因是：从金属网的微观结构看(见前文图1照片)，金属丝通过合股、编织等工艺，在空间相互交叉重叠，并不是孤立的“等温圆柱体”，每根“丝”与冷空的视角系数被四周的其他“丝”遮挡，并且存在相互间的辐射和传导热交换，因此导致实际上每根“丝”外表面与冷空的辐射视角系数<1，而理想化为等温圆柱体时，圆柱外表面与空间的辐射视角系数取“1”，导致金属丝与冷空的辐射换热量增加，温度偏低。

由计算结果可见，金属网在轨受照的温度水平主要由金属丝镀层的热物性决定：进口镀金钼丝采取“电镀金”工艺，而国产镀金钼丝采取“物理镀金”工艺，导致两种镀层的热物性不同，平衡温度也不同。采用相同工艺金属丝编织的金属网，因编织要求和工艺不同，透射率不同，从而导致金属网的热物性(αeff，εeff)有差异，但吸收/发射比(αeff/εeff)相同(仅与镀层特性有关，见公式4)，在轨温度也接近，反映了镀金工艺的一致性。

5 结论

本文提出了一种测试半透明材料的太阳光谱性质、红外光谱特性的原理和方法，对于其他半透明材料，如玻璃、聚酰亚胺镀锗膜等也可以适用，本文介绍的测试方法中，当材料为非透明体时，τeff=0，就演变成常规非透明材料的测试方法。

金属网的宏观热物性(αeff，εeff)与透射率(τs)密切相关，即不同的工艺会有不同的αeff和εeff，而吸收发射比(αeff/εeff)由丝材本身镀层的热物性决定(见公式4)，与编织工艺无关，因此对于金属网这种由金属丝编织而成的功能性结构材料，其在轨温度仅与丝材本身镀层的热物性相关，与编织工艺无关；这种金属网结构在热分析计算中，理想化为平面所计算得的温度结果更接近于实际在轨温度水平。

金属丝镀层本身的太阳光谱吸收比和反射比与透射率无关，但透射率数据会影响测试结果，必须准确获取，且进行金属网透射率测试和反射比测试时的透射率必须保持一致。