王國(guó)林，張曉晨，馬昊軍,*，劉麗萍，羅杰，張軍

1. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 超高速空氣動(dòng)力研究所，綿陽(yáng) 621000 2. 北京臨近空間飛行器系統(tǒng)工程研究所，北京 100076

天線窗材料是保護(hù)高超聲速飛行器在惡劣的氣動(dòng)熱環(huán)境下通訊、遙測(cè)、制導(dǎo)、引爆等系統(tǒng)正常工作的一種防熱透波多功能復(fù)合電介質(zhì)材料，在運(yùn)載火箭、飛船、導(dǎo)彈及返回式衛(wèi)星等航天飛行器無(wú)線電系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用[1-2]。

熱透波是指電磁波通過(guò)高溫或燒蝕狀態(tài)的天線窗材料的動(dòng)態(tài)傳輸過(guò)程，其物理機(jī)制和過(guò)程遠(yuǎn)復(fù)雜于電磁波在室溫穩(wěn)態(tài)電介質(zhì)材料中的傳輸。在嚴(yán)重的氣動(dòng)加熱環(huán)境下，飛行器的天線窗成為熱窗，其表面溫度迅速達(dá)到1 000～3 000 K或更高，窗體自外至內(nèi)形成明顯的溫度梯度。天線窗材料表面高溫區(qū)將經(jīng)歷相變，或者分解、氣化，材料內(nèi)部也會(huì)隨溫度的變化而發(fā)生不同的物理、化學(xué)、微觀組織結(jié)構(gòu)變化，從而引起材料物性的變化[3]。伴隨這一變化過(guò)程，材料的透波特性可能發(fā)生很大的改變。這種熱透波效應(yīng)會(huì)造成信號(hào)衰減，使雷達(dá)作用距離縮短、天線方向圖發(fā)生畸變，瞄準(zhǔn)精度下降，甚至發(fā)生測(cè)控信號(hào)的中斷或脫靶。

同時(shí)，高超聲速飛行器在大氣層中飛行時(shí)，在飛行器周圍形成等離子體鞘套，這種非均勻、碰撞、弱電離的等離子體對(duì)電磁波信號(hào)的衰減作用很強(qiáng)，同樣可以導(dǎo)致飛行器與地面測(cè)控系統(tǒng)的通信中斷[4-6]。

天線窗的熱透波效應(yīng)和等離子體鞘套的衰減作用，是產(chǎn)生“黑障”的主要原因。因此，在地面模擬環(huán)境中，對(duì)天線窗材料的熱響應(yīng)和燒蝕特性進(jìn)行研究，并測(cè)試其在高溫或燒蝕條件下的介電特性、透波帶寬、電磁波幅值和相位變化等，是分析天線窗材料特性、設(shè)計(jì)和研制高性能天線窗的基礎(chǔ)；開(kāi)展等離子體和天線窗的透波特性聯(lián)合測(cè)試，是進(jìn)行“黑障”研究和飛行器通信制導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

國(guó)外在電弧風(fēng)洞上對(duì)阿波羅飛船天線窗[7]的熱響應(yīng)特性和燒蝕前后的射頻傳輸特性進(jìn)行了研究，對(duì)氮化硼材料在高溫下的介電特性和電磁波損耗特性進(jìn)行了理論和試驗(yàn)分析[8-9]，獲得了天線窗材料在高溫條件下的燒蝕特性和透波特性。國(guó)內(nèi)也在電弧風(fēng)洞上開(kāi)展了天線窗材料熱燒蝕特性及透波特性聯(lián)合試驗(yàn)[10]。

相比于電弧風(fēng)洞，感應(yīng)耦合等離子體風(fēng)洞采用感應(yīng)加熱的方式產(chǎn)生等離子體，沒(méi)有電極燒蝕對(duì)等離子體的污染，可以有效模擬等離子體的電子數(shù)密度和碰撞頻率，是開(kāi)展天線窗和等離子體對(duì)電磁波傳輸特性影響研究的理想設(shè)備。

本文利用感應(yīng)耦合等離子體風(fēng)洞產(chǎn)生一定參數(shù)的等離子體射流，對(duì)天線窗進(jìn)行加熱作用，測(cè)試了一定熱流分布條件下天線窗表面的溫度，同時(shí)采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和微波天線組成的測(cè)試系統(tǒng)，獲得了天線窗在等離子體覆蓋條件下以及降溫過(guò)程中無(wú)等離子體覆蓋條件下不同溫度下的透波特性。

1 等離子體射流及熱環(huán)境參數(shù)

1.1 等離子體射流的產(chǎn)生

感應(yīng)耦合等離子體(Inductively Coupled Plasma，ICP)風(fēng)洞能夠提供純凈的、長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的高焓等離子體射流，被廣泛應(yīng)用于再入飛行器氣動(dòng)熱研究[11-12]、高超聲速飛行器防熱材料性能試驗(yàn)研究[13-14]、火星探測(cè)器氣動(dòng)熱與熱防護(hù)研究[15-16]等方面。常規(guī)工作條件下，感應(yīng)耦合等離子體射流的電子數(shù)密度范圍為1010～1013cm-3，碰撞頻率范圍為109～1010Hz。

為了產(chǎn)生一定厚度的薄片狀等離子體射流，本研究采用出口截面尺寸為50 mm×250 mm的矩形噴管，從而形成厚度為50 mm(即電磁波傳輸方向)的片狀等離子體射流，如圖1所示。根據(jù)風(fēng)洞運(yùn)行狀態(tài)，該噴管的等離子體射流速度為100～200 m/s。

圖1 矩形噴管等離子體射流Fig.1 Plasma jet of rectangular nozzle

1.2 天線窗表面冷壁熱流測(cè)試方法

試驗(yàn)中，需要針對(duì)平板天線窗開(kāi)展熱透波試驗(yàn)，并保證天線窗表面熱流分布盡可能均勻，為此采用平板燒蝕試驗(yàn)技術(shù)。

首先，開(kāi)展了流場(chǎng)狀態(tài)調(diào)試和天線窗表面熱流測(cè)試。將風(fēng)洞運(yùn)行在一定的狀態(tài)下，產(chǎn)生射流參數(shù)一定的等離子體射流；將熱流校測(cè)模型嵌套在試驗(yàn)段中的專用水冷支架上；通過(guò)送進(jìn)系統(tǒng)將水冷支架送至等離子體射流中，并保證水冷支架前端與噴管出口齊平。測(cè)試時(shí)，利用送進(jìn)系統(tǒng)將熱流探頭快速送至射流中心并短暫停留，得到量熱計(jì)的溫升響應(yīng)曲線；通過(guò)溫升響應(yīng)曲線的斜率和量熱計(jì)參數(shù)，得到各個(gè)測(cè)點(diǎn)的熱流[17]；根據(jù)熱流的大小，調(diào)整風(fēng)洞運(yùn)行狀態(tài)和水冷支架的迎角，直到熱流測(cè)試結(jié)果滿足試驗(yàn)要求。

試驗(yàn)中，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的熱流校測(cè)模型，如圖2所示，在熱流校測(cè)模型表面布置9個(gè)熱流測(cè)點(diǎn)，分別分布在平板中心、50 mm×50 mm和100 mm×100 mm的正方形各頂點(diǎn)上，每個(gè)測(cè)點(diǎn)均采用柱塞式量熱計(jì)。試驗(yàn)中熱流測(cè)試誤差約為10%。

圖2 熱流校測(cè)模型Fig.2 Heat flux calibration model

1.3 天線窗表面等離子體流場(chǎng)電子數(shù)密度測(cè)試方法

試驗(yàn)中，采用靜電探針診斷系統(tǒng)[18]測(cè)試覆蓋天線窗的等離子體電子數(shù)密度。探針采用了功函數(shù)較大、熔點(diǎn)較高、濺射率較小的金屬鉬作為探針材料，探針材料外面采用三氧化二鋁陶瓷絕緣和支撐，探針工作端直徑為1 mm、長(zhǎng)度為15 mm。

采用靜電探針診斷系統(tǒng)獲得探針在等離子體中的伏安特性曲線。根據(jù)探針數(shù)據(jù)處理理論，當(dāng)?shù)入x子體密度較高，探針半徑與等離子體Debye半徑比大于10時(shí)[19]，探針周圍的等離子體鞘層較薄，按照薄鞘層探針理論，得到正離子數(shù)密度[20-21]為

(1)

式中：Ii為離子飽和電流；As為探針有效面積；e為電子電量；Mi為離子質(zhì)量；Te為電子溫度；kB為Boltzmann常數(shù)。探針的電子收集面積取決于探針鞘層的厚度，其可修正為[20-21]

As=Ap(1+δ/rp)

(2)

其中：Ap為探針的表面積；rp為探針半徑；δ為鞘層厚度，其表達(dá)式為[20-21]

(3)

其中：me為電子質(zhì)量;λD為Debye半徑，其表達(dá)式為

(4)

其中:ne為電子數(shù)密度。

采用式(1)計(jì)算等離子體的電子數(shù)密度，采用式(2)～式(4)計(jì)算探針的有效面積，直到電子數(shù)密度和探針有效面積收斂為止。將本文的探針測(cè)試方法與微波測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)誤差在20%以內(nèi)[18]。

2 天線窗熱透波特性試驗(yàn)方法

2.1 天線窗的布置

為了防止水冷支架的側(cè)向熱傳導(dǎo)對(duì)天線窗邊緣熱流分布的影響，將天線窗固定在泡沫石英框架中。泡沫石英耐熱性好，同時(shí)熱導(dǎo)率低，可以有效地隔熱。泡沫石英框架外形與熱流校測(cè)模型一致，前端方形沉孔可以保證天線窗放入后表面與其齊平，中心方形開(kāi)孔為天線窗的有效透波孔徑，如圖3所示。泡沫石英框架可以保證天線窗材料側(cè)面和背面均與水冷支架隔開(kāi)。

試驗(yàn)前，將泡沫石英框架和天線窗安裝在水冷支架中，如圖4所示。水冷支架采用箱體封閉結(jié)構(gòu)，各個(gè)面均采用夾層水冷，可以保護(hù)放在其中的微波天線及電纜不受等離子體射流的影響。

圖3 泡沫石英隔熱體Fig.3 Foam quartz for heat shield

圖4 放置天線窗的水冷支架Fig.4 Water-cooling support with antenna window

2.2 天線窗表面溫度測(cè)試方法

采用紅外熱像儀對(duì)整個(gè)天線窗表面的溫度分布進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)采用比色高溫計(jì)對(duì)天線窗中心位置的溫度進(jìn)行測(cè)試。比色高溫計(jì)和紅外熱像儀分別以石英玻璃和ZnSe作為窗口材料，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的布置如圖5所示。

在試驗(yàn)室條件下近距離測(cè)溫時(shí)，可以忽略大氣透射和環(huán)境溫度對(duì)紅外熱成像測(cè)溫的影響，材料表面溫度測(cè)量結(jié)果僅僅與材料的發(fā)射率相關(guān)。因此，只要準(zhǔn)確設(shè)定材料的發(fā)射率和測(cè)試路徑上的紅外窗口透過(guò)率，就可以得到材料的表面溫度。

圖5 熱透波測(cè)試系統(tǒng)Fig.5 Hot-wall microwave-transparency test system

采用ZnSe作為風(fēng)洞洞壁上的紅外窗口材料，其在熱像儀測(cè)試波段的透過(guò)率為0.65。

試驗(yàn)中，以比色高溫計(jì)測(cè)溫結(jié)果為依據(jù)，在紅外熱像儀中設(shè)定天線窗發(fā)射率，使相同時(shí)刻紅外熱圖中高溫計(jì)測(cè)量位置的紅外溫度與高溫計(jì)測(cè)試結(jié)果一致，從而得到正確的天線窗材料發(fā)射率。在紅外熱像儀中設(shè)定相應(yīng)材料發(fā)射率和窗口透過(guò)率，從而獲得天線窗整個(gè)表面的溫度分布云圖。

2.3 天線窗熱透波特性測(cè)試方法

天線窗熱透波特性測(cè)試系統(tǒng)由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與控制計(jì)算機(jī)、發(fā)射天線、接收天線以及低損耗同軸電纜等構(gòu)成，如圖5所示，其中控制計(jì)算機(jī)與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀之間通過(guò)通用接口總線(GPIB)連接。

為了研究天線窗在X波段的熱透波特性，采用了一組增益為15 dB的標(biāo)準(zhǔn)增益天線。將發(fā)射天線放置在試驗(yàn)段外部，并以石英玻璃作為透波窗口；將接收天線放置在水冷支架中，并距離天線窗一定位置，防止天線窗受熱后對(duì)天線和電纜造成影響。

試驗(yàn)測(cè)試步驟為：

步驟1微波天線安裝就位，風(fēng)洞各系統(tǒng)完成準(zhǔn)備工作。

步驟2在不安裝天線窗的條件下，風(fēng)洞抽真空，待真空度穩(wěn)定后，在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中設(shè)定測(cè)試通道和測(cè)試頻率點(diǎn)，調(diào)整發(fā)射天線的位置和角度，在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中觀察透波電平的變化，確定透波電平最高的位置，保證測(cè)試系統(tǒng)的匹配最大化，獲得未安裝模型時(shí)測(cè)試頻點(diǎn)的透波電平。

步驟3關(guān)閉真空泵并打開(kāi)試驗(yàn)段，安裝天線窗，風(fēng)洞重新抽真空，待真空度穩(wěn)定后，測(cè)量模型安裝后測(cè)試頻點(diǎn)的透波電平，并進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)調(diào)零。

步驟4風(fēng)洞開(kāi)車，在設(shè)定的試驗(yàn)狀態(tài)下對(duì)天線窗模型進(jìn)行燒蝕，燒蝕試驗(yàn)與透波測(cè)試同時(shí)進(jìn)行，采用比色高溫計(jì)和熱像儀測(cè)量材料表面溫度；風(fēng)洞停車后，繼續(xù)測(cè)量天線窗透波電平和表面溫度變化。

設(shè)無(wú)等離子體加熱時(shí)測(cè)試系統(tǒng)的入射波功率為Pi，有等離子體時(shí)透射信號(hào)和反射信號(hào)的功率分別為Pt和Pr，則透射信號(hào)和反射信號(hào)的增益分別為[22]

Gt=10lg(Pt/Pi)

(5)

Gr=10lg(Pr/Pi)

(6)

電磁波功率衰減系數(shù)為[22]

(7)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)狀態(tài)

通過(guò)試驗(yàn)狀態(tài)調(diào)試，最終得到天線窗表面熱流分布如圖6所示，去除個(gè)別量熱計(jì)的安裝問(wèn)題導(dǎo)致的數(shù)據(jù)缺失或偏低，同時(shí)考慮量熱計(jì)的測(cè)試誤差，可以認(rèn)為：天線窗表面的熱流分布基本均勻，平均熱流為222 kW/m2。采用靜電探針測(cè)試了覆蓋天線窗的等離子體電子數(shù)密度，風(fēng)洞中心軸線上等離子體電子數(shù)密度為1.1×1012cm-3。

圖6 天線窗表面熱流分布Fig.6 Surface heat flux distribution of antenna window

3.2 天線窗的熱響應(yīng)

試驗(yàn)中，采用等離子體射流對(duì)天線窗加熱3 000 s，之后風(fēng)洞停車并關(guān)閉風(fēng)洞進(jìn)氣裝置，讓天線窗進(jìn)入自然降溫過(guò)程并持續(xù)測(cè)試2 500 s。

圖7為雙色高溫計(jì)與紅外熱成像所測(cè)得的天線窗中心溫度(T)隨試驗(yàn)時(shí)間(t)的變化，在該試驗(yàn)狀態(tài)下，加熱500 s后天線窗表面溫度達(dá)到平衡，天線窗中心的平均溫度為910 ℃。

圖8為t=1 500 s和t=3 500 s時(shí)刻(加熱3 000 s，降溫500 s)天線窗表面溫度分布云圖，可見(jiàn)在加熱過(guò)程中天線窗表面的溫度分布差異小于100 ℃，降溫過(guò)程中天線窗表面的溫度分布差異小于30 ℃；圖8(a)中白色虛線框內(nèi)為天線窗的實(shí)際大小，外圍是泡沫石英隔熱體的溫度分布。

圖7 天線窗中心的溫度測(cè)試結(jié)果Fig.7 Test results of temperature at center of antenna window

圖8 天線窗表面溫度分布Fig.8 Surface temperature distribution of antenna window

3.3 天線窗的熱透波特性

圖9為10.2 GHz電磁波傳輸特性隨測(cè)試時(shí)間的變化，可見(jiàn)：等離子體流場(chǎng)建立后，由于等離子體的衰減作用，電磁波信號(hào)急劇衰減；加熱過(guò)程中，由于天線窗的熱透波效應(yīng)和等離子體的衰減作用，電磁波功率平均衰減為10 dB；風(fēng)洞停車后，在無(wú)等離子體的條件下，電磁波功率衰減系數(shù)迅速回升并低于初始零點(diǎn)0.5 dB，之后隨著天線窗溫度的降低而升高。

圖10為降溫過(guò)程中無(wú)等離子體時(shí)天線窗熱透波特性隨表面溫度的變化曲線，可見(jiàn)：在80～750 ℃以內(nèi)天線窗熱透波性能低于燒蝕前常溫條件下的，對(duì)電磁波的最大衰減為0.5 dB；天線窗透波性能隨著溫度的升高而降低，在天線窗溫度降為80 ℃時(shí)回到初始零點(diǎn)。

圖9 10.2 GHz電磁波傳輸特性隨測(cè)試時(shí)間的變化Fig.9 10.2 GHz electromagnetic wave transmission characteristics vs test time

圖10 天線窗熱透波特性隨平均表面溫度的變化Fig.10 Hot-wall microwave-transparency characteristics of antenna window vs average surface temperature

試驗(yàn)前后分別對(duì)天線窗的質(zhì)量和厚度進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)試結(jié)果表明：在該狀態(tài)下天線窗的質(zhì)量燒蝕速率為4.7×10-4g/s，天線窗未發(fā)生顯著的燒蝕，表面形貌保持不變，無(wú)熔融現(xiàn)象。在該熱流條件下，天線窗材料有很好的抗燒蝕性。

下一步，將在本文工作的基礎(chǔ)上，對(duì)覆蓋天線窗的等離子體參數(shù)進(jìn)行深入研究，獲得流場(chǎng)截面上等離子體電子數(shù)密度和碰撞頻率的非均勻分布，結(jié)合數(shù)值模擬，研究天線窗和等離子體耦合作用對(duì)電磁波傳輸特性的影響。

4 結(jié) 論

通過(guò)天線窗熱透波特性試驗(yàn)，基于本文的試驗(yàn)條件，可以得到以下結(jié)論：

1) 在222 kW/m2平均表面熱流作用下，本文所用的天線窗材料在3 000 s加熱過(guò)程中未發(fā)生顯著的燒蝕，天線窗中心的平均溫度為910 ℃。

2)在厚度為5 cm、中心電子數(shù)密度為1.1×1012cm-3的等離子體射流覆蓋條件下，天線窗透波電平遠(yuǎn)低于無(wú)等離子體覆蓋時(shí)的透波電平，等離子體對(duì)電磁波傳輸特性的影響遠(yuǎn)大于天線窗熱透波效應(yīng)的影響。

3) 天線窗材料燒蝕后在80～750 ℃以內(nèi)的熱透波性能低于燒蝕前常溫條件下的，且透波性能隨著溫度的升高而降低。

本文的方法為在地面等離子體風(fēng)洞中開(kāi)展天線窗熱透波特性試驗(yàn)，分析天線窗材料高溫介電特性，開(kāi)展天線窗材料選型試驗(yàn)，研究電磁波在等離子體和天線窗中的傳輸特性建立了基礎(chǔ)。

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