CN103662112A - 非接触式超高热流密度红外灯阵加热系统 - Google Patents

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韩继广
季琨
陈丽
周国锋
王大东
李艳臣
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Abstract

本发明提供了一种非接触式超高热流密度红外灯阵加热系统，包括：红外灯阵、氧化铝陶瓷隔热垫块以及红外灯阵框架，氧化铝陶瓷隔热垫块设置在红外灯阵与红外灯阵框架之间，分别与红外灯阵和红外灯阵框架连接。本发明的红外灯阵热流密度可达6000W/m2以上，航天器特殊表面表面温度可以被加热至600℃以上。本发明有效地实现了航天器特殊表面表面温度所需的超高外热流密度，提高了其升温速率，缩短了试验周期，防止了航天器特殊表面污染，降低了试验成本。

Description

非接触式超高热流密度红外灯阵加热系统
技术领域
本发明涉及红外灯加热应用技术领域，具体地，涉及一种非接触式超高热流密度红外灯阵加热系统。
背景技术
航天器入轨后经受的最主要空间环境为真空、冷黑与太阳辐射，而在太空中，以辐射换热为主的环境条件下工作的航天器会出现什么故障，在地面大气环境条件下是无法预测的。因此，航天器在发射升空之前，必须在专门的空间环境模拟试验设备内进行模拟空间冷黑环境的真空热试验，以检验其热设计的合理性和考核其单机的高低温性能。
航天器上的发动机在点火过程中，发动机本身的温度非常高，热流密度达到5000W/m2甚至以上，发动机点火瞬间对发动机周围部件产生非常大的热影响，因而必须对发动机周围部件采取严格的热防护措施，保证发动机周围部件的性能，如采用高温隔热屏等手段。在高温隔热屏等研制测试过程中，不可能以真实发动机来模拟其经受的超高密度外热流，只能采用外热流模拟装置模拟其所需要的空间外热流环境。
传统的红外加热笼热流密度模拟范围一般为50～400W/m2，而传统的红外灯阵热流密度模拟范围一般为50～1500W/m2，根本无法实现上述高热流密度的模拟。因此，以往的航天器特殊表面进行真空热试验时，一般都是采用直接接触的陶瓷加热器等手段来模拟空间外热流环境。
由于待加热表面不方便直接粘贴加热片等原因，需要创新设计一种非接触式加热系统，因此本发明创新设计非接触式红外灯阵系统来模拟航天器特殊表面的空间外热流环境，使其热流密度高达6000W/m2以上。同时，由于普通聚四氟乙烯材料的隔热垫块耐受的最高温度为230～260℃，无法经受300℃以上的高温，本发明创新采用了氧化铝陶瓷隔热垫块。
目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种非接触式超高热流密度红外灯阵加热系统，能够模拟航天器特殊表面真空热试验时所需的6000W/m2热流密度的空间外热流环境。
根据本发明的一个方面，提供一种非接触式超高热流密度红外灯阵加热系统，包括：红外灯阵、氧化铝陶瓷隔热垫块以及红外灯阵框架，氧化铝陶瓷隔热垫块设置在红外灯阵与红外灯阵框架之间，分别与红外灯阵和红外灯阵框架连接。
优选地，氧化铝陶瓷隔热垫块与红外灯阵和红外灯阵框架通过螺栓连接。
优选地，红外灯阵的红外灯均采用自带反射镀层的红外石英灯。
优选地，自带反射镀层的红外石英灯的额定功率为500W，额定电压为120V。
优选地，红外灯阵的加热区均布有13只自带反射镀层的红外石英灯，且每只自带反射镀层的红外石英灯之间的间距为25mm。
优选地，红外灯阵的热流密度达到6000W/m2以上。
优选地，红外灯阵框架材料为30号角钢，厚度为2mm，焊接加工，表面抛光处理。
使用本发明进行航天器特殊表面超高热流密度的空间外热流环境的模拟具体包括以下步骤：首先，经历抽真空和建立低温背景（100K）的阶段，试验结束经历回温复压阶段，将氧化铝陶瓷隔热垫块固定在红外灯阵框架与红外灯阵之间，并采用螺栓连接，再将红外灯阵系统放置在距离待加热表面200mm左右处。试验需要进行高温工况时，对红外灯阵通电，当通入较大电流后，红外灯阵能够发出最高达6000W/m2的热流密度，待加热表面得到加热，大大提升了升温速率，缩短试验时间，降低成本。由于存在氧化铝陶瓷隔热垫块，虽然红外灯阵热流密度非常高，但其足以承受此高温。当需要进行低温工况时，红外灯阵停止供电，使航天器特殊表面降温。
本发明的非接触式超高热流密度红外灯阵加热系统由于采取了上述的技术方案，解决了某航天器特殊表面真空热试验热流密度难以使用传统加热手段实现的问题。通过创新设计，采用红外灯阵系统，将红外灯间距设计为25mm，并通过氧化铝陶瓷隔热垫块与红外灯阵框架连接，贴近待加热表面，采用非接触式加热方式，在确保没有可凝挥发物污染的前提下，实现了高达6000W/m2的热流密度，满足了相关航天器特殊表面的试验要求，通过提高升降温速率而缩短了试验周期，具有较大的经济效益。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明的非接触式超高热流密度红外灯阵加热系统能够实现航天器的某些特殊表面超高热流密度的空间外热流环境的模拟，本发明的红外灯阵的热流密度可以高达6000W/m2以上，航天器特殊表面温度可以被加热至600℃左右；红外灯阵与红外灯阵框架之间采用氧化铝陶瓷隔热垫块连接，避免了因红外灯阵过热而引起红外灯阵框架产生热变形；有效地实现了特殊表面表面温度所需的超高外热流密度，提高了其升温速率，缩短了试验周期，防止了航天器特殊表面污染，降低了试验成本。
附图说明
图1为本发明非接触式超高热流密度红外灯阵加热系统的结构示意图；
图中：1为红外灯阵框架，2为氧化铝陶瓷隔热垫块，3为红外灯阵。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。本发明意图为航天器某些特殊表面的真空热试验提供一种非接触式超高热流密度红外灯阵加热装置。
请参阅图1，一种非接触式超高热流密度红外灯阵加热系统，包括：红外灯阵3、氧化铝陶瓷隔热垫块2以及红外灯阵框架1，氧化铝陶瓷隔热垫块2设置在红外灯阵3与红外灯阵框架1之间，分别与红外灯阵3和红外灯阵框架1连接。红外灯阵3与红外灯阵框架1通过氧化铝陶瓷隔热垫块2连接，避免了因红外灯阵3过热而引起红外灯阵框架1产生热变形。
进一步地，氧化铝陶瓷隔热垫块2与红外灯阵3和红外灯阵框架1通过螺栓连接。
进一步地，红外灯阵3的红外灯均采用自带反射镀层的红外石英灯。且每只自带反射镀层的红外石英灯的额定功率为500W，额定电压为120V。红外灯阵3的加热区均布有13只自带反射镀层的红外石英灯，每只自带反射镀层的红外石英灯之间的间距为25mm。红外灯阵3的热流密度可以高达6000W/m2以上，航天器特殊表面表面温度可以被加热至600℃以上(背景温度<100K)。
进一步地，红外灯阵框架1的材料为30号角钢，厚度为2mm，采用焊接加工，表面抛光处理。
以下具体说明使用本发明进行航天器特殊表面超高热流密度的空间外热流环境的模拟的具体步骤：
首先，进行航天器特殊表面真空热试验，需要经历抽真空和建立低温背景（100K）的阶段，试验结束要经历回温复压阶段。将氧化铝陶瓷隔热垫块2固定在红外灯阵框架1与红外灯阵3之间，并采用螺栓连接。
之后，将红外灯阵系统放置在距离待加热表面200mm左右处。
试验需要进行高温工况时，对红外灯阵3通电，其中每只红外灯使用一台程控直流电源，共计13台电源。当通入较大电流后，红外灯阵3能够发出最高达6000W/m2的热流密度，待加热表面得到加热，且温度以较快的速率上升。由于存在氧化铝陶瓷隔热垫块2，虽然红外灯阵3热流密度非常高，但其足以承受此高温。
当需要进行低温工况时，红外灯阵停止供电，使航天器特殊表面降温。
综上所述，本发明一种非接触式超高热流密度红外灯阵加热系统由于采取了上述的技术方案，解决了某航天器特殊表面真空热试验热流密度难以使用传统加热手段实现的问题。通过创新设计，采用红外灯阵系统，将红外灯间距设计为25mm，并通过氧化铝陶瓷隔热垫块与红外灯阵框架连接，贴近待加热表面，在确保没有可凝挥发物污染的前提下，实现了高达6000W/m2的热流密度，满足了相关航天器特殊表面的试验要求，通过提高升降温速率而缩短了试验周期，具有较大的经济效益。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种非接触式超高热流密度红外灯阵加热系统，其特征在于，包括：红外灯阵、氧化铝陶瓷隔热垫块以及红外灯阵框架，所述氧化铝陶瓷隔热垫块设置在所述红外灯阵与红外灯阵框架之间，分别与所述红外灯阵和红外灯阵框架连接。
2.根据权利要求1所述的非接触高热流密度红外灯阵加热系统，其特征在于，所述氧化铝陶瓷隔热垫块与所述红外灯阵和红外灯阵框架通过螺栓连接。
3.根据权利要求1所述的非接触高热流密度红外灯阵加热系统，其特征在于，所述红外灯阵的红外灯均采用自带反射镀层的红外石英灯。
4.根据权利要求3所述的非接触高热流密度红外灯阵加热系统，其特征在于，自带反射镀层的红外石英灯的额定功率为500W，额定电压为120V。
5.根据权利要求4所述的非接触高热流密度红外灯阵加热系统，其特征在于，所述红外灯阵的加热区均布有13只所述自带反射镀层的红外石英灯，且每只自带反射镀层的红外石英灯之间的间距为25mm。
6.根据权利要求5所述的非接触超高热流密度红外灯阵加热系统，其特征在于，所述红外灯阵的热流密度达到6000W/m2以上。
7.根据权利要求1所述的非接触高热流密度红外灯阵加热系统，其特征在于，所述红外灯阵框架材料为30号角钢，厚度为2mm。
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