本發(fā)明涉及一種大型展開(kāi)天線(xiàn)大溫差系統(tǒng)構(gòu)建及測(cè)試方法，尤其適用于利用紅外光譜隔離技術(shù)與熱邊界層理論對(duì)天線(xiàn)測(cè)溫，屬于天線(xiàn)大溫差工況無(wú)線(xiàn)加熱技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

大型空間展開(kāi)天線(xiàn)安裝在航天器外部，在軌受到太陽(yáng)輻射及冷空背景的影響,天線(xiàn)受照面溫度高，非受照面溫度低，形成大溫差梯度。導(dǎo)致大型結(jié)構(gòu)各部件熱變形不匹配，對(duì)大型空間天線(xiàn)的展開(kāi)功能及展開(kāi)后的形面、指向精度等產(chǎn)生重要影響，且隨著空間展開(kāi)天線(xiàn)尺寸越來(lái)越大，結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，同時(shí)精度要求越來(lái)越高，溫度的影響越大。為此，大型空間展開(kāi)天線(xiàn)高低溫展開(kāi)及測(cè)試試驗(yàn)成為天線(xiàn)研制的重要試驗(yàn)項(xiàng)目。

現(xiàn)有技術(shù)中，用于實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)部件表面大溫差系統(tǒng)的方式主要有以下3類(lèi)：

(1)紅外加熱籠：通過(guò)給紅外加熱帶供電，提升器溫度，然后高溫加熱帶向天線(xiàn)輻射熱能，加熱天線(xiàn)；由于加熱帶輻射功率有限，通常用于真空環(huán)境，不適用于常壓對(duì)流環(huán)境；除此之外，加熱籠布置不靈活，需針對(duì)特定天線(xiàn)設(shè)置結(jié)構(gòu)形式。

(2)太陽(yáng)模擬器：通過(guò)聚合金屬燈發(fā)射類(lèi)似太陽(yáng)光譜線(xiàn)，加熱天線(xiàn)；但是太陽(yáng)模擬器造價(jià)昂貴，系統(tǒng)復(fù)雜，由于是全光譜發(fā)射，對(duì)空氣中的溫室氣體加熱效果明顯，不適用于常壓環(huán)境溫差系統(tǒng)。

(3)紅外燈：常規(guī)的溫差系統(tǒng)所用的紅外燈數(shù)量較少，若采用單個(gè)紅外燈，無(wú)法滿(mǎn)足紅外燈照射區(qū)域的輻照不均勻度的實(shí)際需求，而且傳統(tǒng)的溫差系統(tǒng)對(duì)于紅外燈與天線(xiàn)的距離缺乏精確限定，導(dǎo)致最終形成的溫差系統(tǒng)穩(wěn)定性較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種大型展開(kāi)天線(xiàn)大溫差系統(tǒng)構(gòu)建及測(cè)試方法，通過(guò)光譜隔離技術(shù)，集成紅外加熱與測(cè)溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大型天線(xiàn)大溫差工況；通過(guò)熱邊界理論與分析，解決了燈陣對(duì)反射器溫度場(chǎng)干擾的問(wèn)題；通過(guò)合理設(shè)置燈陣，克服了傳統(tǒng)的溫差系統(tǒng)穩(wěn)定性較低的缺陷。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

一種大型展開(kāi)天線(xiàn)大溫差系統(tǒng)構(gòu)建及測(cè)試方法，包括如下步驟：

第一步：將天線(xiàn)展開(kāi)放置在試驗(yàn)室中，燈陣放置在天線(xiàn)的一側(cè)，第一熱像儀和第二熱像儀分別安裝在燈陣上，在天線(xiàn)不同部位安裝熱電偶，使用第一熱像儀和第二熱像儀同時(shí)測(cè)試天線(xiàn)表面溫度，標(biāo)定天線(xiàn)不同部位的發(fā)射率；

第二步：拆除所述熱電偶，根據(jù)發(fā)射率標(biāo)定結(jié)果設(shè)置第一熱像儀和第二熱像儀的局部發(fā)射率；

第三步：根據(jù)試驗(yàn)室內(nèi)氣體流速與燈陣溫度，確定熱邊界層厚度δ_t；

第四步：根據(jù)熱邊界層厚度δ_t及天線(xiàn)展開(kāi)運(yùn)動(dòng)需求，確定天線(xiàn)與燈陣的距離，所述距離大于熱邊界層厚度δ_t，燈陣位于天線(xiàn)展開(kāi)最大空間包絡(luò)之外，測(cè)試并調(diào)整所述距離范圍內(nèi)燈陣照射區(qū)域的輻照不均勻度；

第五步：降低試驗(yàn)室溫度至天線(xiàn)最低溫值T_min；

第六步：開(kāi)啟燈陣，根據(jù)所述天線(xiàn)表面溫度調(diào)整燈陣的功率，直至天線(xiàn)表面溫度滿(mǎn)足試驗(yàn)要求，進(jìn)行天線(xiàn)功能測(cè)試。

熱邊界層厚度δ_t應(yīng)滿(mǎn)足公式：其中：Pr為普朗特?cái)?shù)、δ為流動(dòng)邊界層厚度、L為燈陣沿氣流方向的長(zhǎng)度、x₀為紊流假定前緣、V∞為試驗(yàn)室內(nèi)氣體流速、υ為流體動(dòng)力粘性系數(shù)。

燈陣的輻射波長(zhǎng)λ_Light不大于2.55μm。

燈陣與天線(xiàn)的距離不小于0.15m。

燈陣采用分布補(bǔ)償式布局，通過(guò)調(diào)整每個(gè)紅外燈的照射角度，使得燈陣照射區(qū)域的輻照不均勻度不超過(guò)10％。

試驗(yàn)室內(nèi)氣流采用干燥空氣，天線(xiàn)最低溫值T_min不低于露點(diǎn)溫度。

第一熱像儀和第二熱像儀的探測(cè)光帶范圍λ_Camera均為7.6～12.0μm。

第一熱像儀和第二熱像儀對(duì)稱(chēng)設(shè)置在燈陣的兩側(cè)。

第一熱像儀和第二熱像儀均采用紅外熱像儀，第一熱像儀和第二熱像儀的測(cè)溫范圍大于所述天線(xiàn)表面溫度的最大溫差。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：

1、本發(fā)明在常壓低溫工況下使用大功率燈陣定點(diǎn)加熱的方式，避免了加熱設(shè)備對(duì)天線(xiàn)展開(kāi)過(guò)程產(chǎn)生干擾，滿(mǎn)足了常壓環(huán)境天線(xiàn)大溫差系統(tǒng)的測(cè)溫需求，有效克服了傳統(tǒng)的紅外加熱籠布置不靈活的難題。

2、本發(fā)明通過(guò)控制大功率燈陣的發(fā)射光帶，有效避開(kāi)了大氣吸收光譜，避免了大功率燈陣對(duì)大氣的輻射加熱作用，解決了傳統(tǒng)的太陽(yáng)模擬器全光譜發(fā)射對(duì)溫度場(chǎng)的干擾問(wèn)題。

3、本發(fā)明通過(guò)分離紅外熱像儀捕獲光帶與大功率燈陣發(fā)射光帶、大氣輻射光帶，引入非接觸式測(cè)溫方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)天線(xiàn)表面溫度場(chǎng)的精確測(cè)量及控制，減小了傳統(tǒng)的接觸式測(cè)溫對(duì)溫度場(chǎng)的干擾，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的接觸式測(cè)溫對(duì)天線(xiàn)展開(kāi)功能影響的缺陷。

4、本發(fā)明通過(guò)熱流分析，將天線(xiàn)移動(dòng)至燈陣熱流邊界層外，避免了高溫?zé)粽旨盁艏軐?duì)天線(xiàn)溫度場(chǎng)的干擾。

5、本發(fā)明的測(cè)溫方法邏輯通順、思路清晰、設(shè)計(jì)合理，本領(lǐng)域技術(shù)人員按照本發(fā)明的步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，能夠快速獲取大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的天線(xiàn)大溫差系統(tǒng)的表面溫度及溫差梯度。

6、本發(fā)明第一熱像儀和第二熱像儀的數(shù)量可根據(jù)實(shí)際情況靈活設(shè)置，測(cè)溫過(guò)程安全可靠，適用范圍較廣，第一熱像儀和第二熱像儀對(duì)稱(chēng)設(shè)置在燈陣的兩側(cè)，優(yōu)化了操作空間，減輕了工作人員的操作負(fù)擔(dān)。

7、本發(fā)明第一熱像儀和第二熱像儀均為常規(guī)零件，拆裝方便、無(wú)需特制，而且便于維修和更換，大幅降低了生產(chǎn)成本。

8、本發(fā)明對(duì)天線(xiàn)展開(kāi)后的構(gòu)型沒(méi)有特殊限制，適用于低溫常壓等多種工作環(huán)境，在復(fù)雜工況下依然能夠?qū)Υ笮涂臻g展開(kāi)天線(xiàn)進(jìn)行測(cè)溫，可操作性強(qiáng)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的流程圖

圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖

圖3為金屬鹵化物燈輻射光譜圖

圖4為飛利浦鹵鎢燈光譜分布曲線(xiàn)圖

圖5為本發(fā)明熱邊界層厚度隨燈陣溫度、氣體流速變化的曲線(xiàn)圖

圖6為本發(fā)明熱邊界層厚度隨紊流假定前緣距離變化的曲線(xiàn)圖

圖7為本發(fā)明用于大型天線(xiàn)大溫差展開(kāi)試驗(yàn)結(jié)果圖

其中：1試驗(yàn)室；2燈陣；3第一熱像儀；4第二熱像儀；5天線(xiàn)；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖說(shuō)明和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

如圖1-2所示，一種大型展開(kāi)天線(xiàn)大溫差系統(tǒng)構(gòu)建及測(cè)試方法，包括如下步驟：

第一步：將天線(xiàn)5展開(kāi)放置在試驗(yàn)室1中，燈陣2放置在天線(xiàn)5的一側(cè)，第一熱像儀3和第二熱像儀4分別安裝在燈陣2上，在天線(xiàn)5不同部位安裝熱電偶，同時(shí)使用第一熱像儀3和第二熱像儀4測(cè)試天線(xiàn)5表面溫度，標(biāo)定天線(xiàn)5不同部位的發(fā)射率，標(biāo)定方法為：以熱電偶測(cè)試溫度為參考，修正第一熱像儀3和第二熱像儀4局部發(fā)射率，使第一熱像儀3和第二熱像儀4測(cè)試結(jié)果與熱電偶測(cè)試溫度相同，此時(shí)的局部發(fā)射率即為天線(xiàn)5對(duì)應(yīng)部位的真實(shí)發(fā)射率；

第二步：拆除所述熱電偶，根據(jù)發(fā)射率標(biāo)定結(jié)果，在第一熱像儀3和第二熱像儀4測(cè)試軟件上選擇天線(xiàn)5不同部位，并輸入標(biāo)定發(fā)射率，完成第一熱像儀3和第二熱像儀4的局部發(fā)射率設(shè)置；

第三步：根據(jù)試驗(yàn)室1內(nèi)氣體流速與燈陣2溫度，確定熱邊界層厚度δ_t；

第四步：根據(jù)熱邊界層厚度δ_t及天線(xiàn)5展開(kāi)運(yùn)動(dòng)需求，確定天線(xiàn)5與燈陣2的距離，所述距離大于熱邊界層厚度δ_t，燈陣2位于天線(xiàn)5展開(kāi)最大空間包絡(luò)之外，測(cè)試并調(diào)整所述距離范圍內(nèi)燈陣2照射區(qū)域的輻照不均勻度；

第五步：降低試驗(yàn)室1溫度至天線(xiàn)5最低溫值T_min；

第六步：開(kāi)啟燈陣2，根據(jù)所述天線(xiàn)5表面溫度調(diào)整燈陣2的功率，直至天線(xiàn)5表面溫度滿(mǎn)足試驗(yàn)要求，進(jìn)行天線(xiàn)5功能測(cè)試。

氣體輻射具有兩個(gè)重要特性：

第一、大氣中對(duì)熱輻射具有輻射和吸收能力的成分主要為二氧化碳CO₂和水蒸氣H₂O，其他大部分成分，例如氮?dú)?、氧氣、氫氣等，為熱輻射透明體，不進(jìn)行熱輻射也不吸收熱輻射。

第二、二氧化碳CO₂和水蒸氣H₂O對(duì)輻射波長(zhǎng)具有選擇性，只對(duì)特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)光帶的熱輻射具有輻射和吸收能力。二氧化碳CO₂的主要光帶有三段：2.65～2.80μm、4.15～4.45μm、13.0～17.0μm，水蒸氣H₂O的主要光帶也有三段：2.55～2.84μm、5.60～7.60μm、12.0～30.0μm。

利用氣體輻射以上兩條特性，選擇輻射波長(zhǎng)λ_Light≤2.55μm的輻射光源組成大功率燈陣，完全避開(kāi)二氧化碳和水蒸氣的吸收光帶，使環(huán)境試驗(yàn)室內(nèi)氣體溫度不受大功率燈陣輻射的影響。

由于被試天線(xiàn)5表面在近紅外和可見(jiàn)光譜段均近似漫灰體，使得燈陣2輻射能量通過(guò)產(chǎn)品表面反射進(jìn)入第一熱像儀3和第二熱像儀4。為了使第一熱像儀3和第二熱像儀4的測(cè)試結(jié)果真實(shí)反映產(chǎn)品表面的溫度，必須使得第一熱像儀3和第二熱像儀4探測(cè)輻射波長(zhǎng)遠(yuǎn)離燈陣2輻射光譜，同時(shí)避開(kāi)二氧化碳和水蒸氣光帶。故可選探測(cè)輻射光帶有4段，分別為2.84～4.15μm、4.45～5.6μm、7.6～12.0μm和＞30μm。

大型展開(kāi)天線(xiàn)試驗(yàn)溫度范圍一般為-100～+130℃，根據(jù)Wien位移定律：λ_mT＝2.8976×10^-3m·K，其中，λ_m表示最大輻射力波長(zhǎng)。

可知，大型展開(kāi)天線(xiàn)在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)最大輻射力波長(zhǎng)λ_m范圍是7.19～16.75μm，優(yōu)選的，探測(cè)輻射光帶λ_Camera＝7.6～12.0μm探測(cè)到天線(xiàn)輻射能量最大，為最佳探測(cè)譜段。

熱邊界層厚度δ_t應(yīng)滿(mǎn)足公式：其中：Pr為普朗特?cái)?shù)、δ為流動(dòng)邊界層厚度、L為燈陣沿氣流方向的長(zhǎng)度、x₀為紊流假定前緣、V∞為試驗(yàn)室內(nèi)氣體流速、υ為流體動(dòng)力粘性系數(shù)。

根據(jù)熱流理論，熱邊界層為固體表面附近流體溫度劇烈變化的薄層，其厚度為δ_t，根據(jù)其邊緣溫度t進(jìn)行定義：

t-t_W＝99％·(t_∞-t_W)，其中：t為熱流邊界層處流體溫度、t_W為燈陣表面溫度、t∞為試驗(yàn)室內(nèi)氣體溫度。

可以近似認(rèn)為熱邊界層外部流體溫度為流體內(nèi)溫度t_∞，即熱邊界層外溫度不受燈陣2溫度的影響。為了簡(jiǎn)化分析，假設(shè)燈陣2及支架為一平板，根據(jù)對(duì)流換熱理論：

在層流段Re_x≤5×10⁵，熱邊界層厚度其中：x為距離燈陣前端的長(zhǎng)度，燈陣前端表示離試驗(yàn)室氣體入口最近的燈陣一端。

當(dāng)空氣流速變大，層流向紊流轉(zhuǎn)變，熱邊界層變厚。

紊流邊界層內(nèi)的速度采用7次方規(guī)律，即：其中：y為距離燈陣平面的長(zhǎng)度、u為距離燈陣前端x和燈陣平面y處的流體速度。

則動(dòng)量損失厚度為：

紊流段平板x＝L處的動(dòng)量損失厚度為：

紊流假定前緣

臨界長(zhǎng)度

聯(lián)合以上公式得到紊流狀態(tài)下流體邊界層厚度：

$\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}}$

熱邊界層厚度：

${\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?cái)?shù)Pr和運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)υ均與燈陣2和氣體的溫度相關(guān)，Pr變化小，υ隨溫度升高而升高。

試驗(yàn)室1內(nèi)氣流采用干燥空氣，天線(xiàn)5最低溫值T_min不低于露點(diǎn)溫度。

燈陣2與天線(xiàn)5的距離不小于0.15m。

燈陣2采用分布補(bǔ)償式布局，通過(guò)調(diào)整每個(gè)紅外燈的照射角度，使得燈陣2照射區(qū)域的輻照不均勻度不超過(guò)10％。

第一熱像儀3和第二熱像儀4對(duì)稱(chēng)設(shè)置在燈陣2的兩側(cè)，并覆蓋天線(xiàn)5大溫差形成區(qū)域，天線(xiàn)5受燈陣2照射的一側(cè)與天線(xiàn)5不受燈陣2照射的一側(cè)會(huì)形成大溫差區(qū)域。

第一熱像儀3和第二熱像儀4均采用紅外熱像儀，第一熱像儀3和第二熱像儀4的測(cè)溫范圍大于所述天線(xiàn)表面溫度的最大溫差。

如圖3-4所示，輻射光源金屬鹵化物燈和鹵素?zé)舻牡湫凸庾V分布曲線(xiàn)已經(jīng)證明：金屬鹵化物燈主要輻射光譜范圍是0.35～1.75μm，飛利浦鹵鎢燈的主要輻射光譜范圍是0.35～2.5μm，可見(jiàn)此兩種燈均滿(mǎn)足使用需求，且金屬鹵化物輻射波長(zhǎng)更短，優(yōu)于鹵鎢燈。

結(jié)合層流與紊流計(jì)算公式，得到熱邊界層厚度隨燈陣溫度、氣體流速的變化規(guī)律如圖5-6所示，由此可見(jiàn)，燈陣2對(duì)天線(xiàn)5溫度的影響主要與3個(gè)因數(shù)相關(guān)：

第一，燈罩與燈架溫度，溫度越高，υ越大，熱邊界層越厚，對(duì)天線(xiàn)的溫度影響越大，反之越?。?/p>

第二，燈陣2與天線(xiàn)5的相對(duì)位置關(guān)系：沿氣流方向，熱邊界層變厚，燈陣2在天線(xiàn)5的上風(fēng)方向?qū)μ炀€(xiàn)5溫度的影響大于下風(fēng)方向；燈陣2離天線(xiàn)5距離越小、離熱邊界層越近，溫度影響越大，反之越??；

第三，試驗(yàn)室1內(nèi)風(fēng)速大小：風(fēng)速越小，熱邊界層越厚，影響越大，反之越小。

故根據(jù)試驗(yàn)室1內(nèi)風(fēng)速，調(diào)整燈陣2與天線(xiàn)5的距離，使天線(xiàn)5在燈陣2熱邊界層之外，確保天線(xiàn)5表面溫度不受燈陣2溫度的影響。

如圖7所示，依據(jù)本發(fā)明所述的一種大型展開(kāi)天線(xiàn)大溫差系統(tǒng)構(gòu)建及測(cè)試方法，實(shí)現(xiàn)了同步鉸鏈-68.6～27.4℃的大溫差溫度梯度分布與溫度場(chǎng)非接觸測(cè)量。

本發(fā)明的工作原理是：

向試驗(yàn)室1內(nèi)通入干燥冷空氣，進(jìn)行制冷，使環(huán)境及天線(xiàn)5達(dá)到均勻、穩(wěn)定的最低溫值T_min，開(kāi)啟燈陣2、第一熱像儀3和第二熱像儀4，根據(jù)第一熱像儀3和第二熱像儀4溫度測(cè)試結(jié)果，調(diào)整燈陣2的輻射功率，使天線(xiàn)5被照射區(qū)域溫度達(dá)到試驗(yàn)高溫要求，從而在天線(xiàn)5受照面與非照射面形成大溫差環(huán)境。

本發(fā)明說(shuō)明書(shū)中未詳細(xì)描述的內(nèi)容為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知技術(shù)。