CN104089706B - 热真空环境下使用的瞬态热流计及热流测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真空热环境下使用的瞬态辐射热流计，包括腔壁温度恒定的等温腔体，等温腔体的开口上方覆盖有金属箔片，金属箔片上下表面的至少一侧上涂覆有绝缘层，绝缘层上方通过镀膜法交错设置有铜层和镍层，铜层与镍层之间形成结合界面，金属箔片的上下表面分别涂覆发射率不同的两种材料，两种材料直接涂覆在金属箔片上或者涂覆在铜层和镍层上，金属箔片上表面的涂层一、涂层二分别对应于金属箔片下表面的涂层二和涂层一，两端的铜层外侧分别连接有引线，等温腔体的外侧设置有测量其温度的温度传感器。也公开了使用该热流计进行的瞬态热流测量的方法。本发明可以快速、准确测量瞬态热流随时间变化的大小，满足航天器瞬态外热流试验的需求。

Description

热真空环境下使用的瞬态热流计及热流测量方法

技术领域

本发明属于航天器环境试验领域，具体来说，本发明涉及一种测量加热器瞬态热流的测试装置。此外，还提出了一种利用该测试装置的热流测试方法。

背景技术

航天器热平衡试验时，对瞬态热流测量要求严格，比如着陆器环月高温周期性瞬态工况、动力下降、月面初始化、巡视器分离等工况均是瞬态工况；巡视器月食工况、和月面感知、移动、探测模式均是瞬态工况。但是现在由于没有成熟的瞬态热流测量技术手段，因此都是采取标定的形式进行，存在误差。航天器热试验过程中，用红外手段模拟外热流时，需要采用热流计测量到达星表或者被星表吸收的热流密度大小，测量稳态外热流时一般采用黑片绝热型热流计或热屏等温型热流计，但是测量瞬态外热流时，还没有一种能够准确迅速测量热流密度的热流计。

现有的航天器热试验瞬态工况一般采取标定的方式，即标定出电流和热流计温度的关系，进行瞬态工况时，直接施加电流。现在的热试验中，还没有一种瞬态特性很好的瞬态热流计在试验中使用。现在已有的热容法瞬态热流计响应时间慢，动态响应达30s，无法跟踪变化速率过大的热流，而且精度较差。

对于热真空环境下瞬态热流测量主要有以下几种：

1)测量敏感片上下两侧的温差，根据热流与温差的正比例关系得到热流大小。

2)测量敏感片温度升高幅值，根据比热容与温升的乘积关系获得热流大小。

3)测量圆形敏感片周围与中心的温差，根据热流与温差的正比例关系得到热流的大小。

以上几种测量瞬态热流的方法存在不足，第一种方法中温差变化快慢与敏感片的比热容大小、表面辐射传热系数有关，一般情况下，敏感片比热容较大、表面辐射传热系数较小，温差变化很难达到10s以下，因此，采用第一种方法作为测量瞬态热流的方法很难满足要求。第二种方法的温升也受制于敏感片的比热容，即使对温度求导数计算，也难满足瞬态热流变化较大的热流测量。第三种方法在使用过程中虽然响应时间较快，但是其边界温度很难维持，特别是在热真空环境下使用，其难度较大。因此，为了解决现有测量瞬态热流计所存在的不足，提出本发明。

发明内容

本发明解决的技术问题提供一种动态响应时间快、结构紧凑、精度高的瞬态热流计，并应用于航天器的真空热试验中。本发明能够显著缩短响应时间并得到高精度瞬态热流计测量结果，为航天器的真空热试验提供技术保障。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种热真空环境下使用的瞬态热流计，包括腔壁温度恒定的等温腔体，等温腔体内保持真空环境，等温腔体的开口上方覆盖有金属箔片，金属箔片上下表面的至少一侧上涂覆有绝缘层，绝缘层上方通过镀膜法交错设置有铜层和镍层，铜层与镍层之间形成结合界面，金属箔片的上下表面分别涂覆发射率不同的两种材料，两种材料直接涂覆在金属箔片上或者涂覆在铜层和镍层上，发射率不同的两种材料在铜层和镍层上交错形成发射率不同的涂层一和涂层二，涂层一和涂层二之间也形成结合界面，分别覆盖铜层与镍层的结合界面并以对应位置的结合界面为对称线对称分布，金属箔片上表面的涂层一、涂层二分别对应于金属箔片下表面的涂层二和涂层一，其中，两端的铜层外侧分别连接有引线，等温腔体的外侧设置有测量其温度的温度传感器。

进一步地，引线连接有电势采集装置；

进一步地，所述金属箔片为不锈钢箔或铜箔或铝箔；

进一步地，所述镀膜法包括磁控溅射镀膜、离子束镀膜、射频镀膜；

进一步地，所述涂覆包括黑漆(S721-SR107等)、白漆(S781等)、灰漆(S956灰漆)等高吸收率的材料，金属漆(S781铝粉漆)等低发射率材料。

其中，两种材料之一为黑漆、白漆或灰漆；另一种为铝粉漆。

其中，等温腔体的材料包括铝、铜、银或其合金。

其中，金属箔片的上下表面一侧上设置有绝缘层，一侧上未设绝缘层。

一种利用上述瞬态热流计测量热流的方法，包括如下步骤：

1)首先进行瞬态热流计的标定工作，标定热流计时，先将等温盒去除，将瞬态热流计中的带有镀膜、涂层的金属箔片两侧分别正对两个黑体腔的出口，分别距离黑体腔出口1～5mm；

2)将瞬态热流计引出的两铜线分别接入电势采集装置的正负极；

3)测量黑体腔一和黑体腔二的温度分别为T₁和T₂，电势采集装置的输出电势为u；调整黑体腔一和黑体腔二的温度分别为T_1,i、T_2,i，获得不同的电势u_i，根据最小二乘法拟合获得电势与黑体腔一、黑体腔二温度的关系式T₁ ⁴＝K·u+T₂ ⁴，其中系数K采用最小二乘法对数据T_1,i ⁴、T_2,i ⁴、u_i拟合得到，完成标定工作；

4)将瞬态热流计放入被测环境内，引出铜线接入电势采集装置，电势采集装置、等温盒的温度传感器也电连接到数据采集设备；

5)测量时获得铜线间的电势为u，等温盒的温度为T_d；

6)则瞬态热流q为q＝5.67×(K·u+T_d ⁴)×10^-8。

本发明解决了现有热流计无法应用于航天器瞬态热流试验中问题，可以快速准确测量加热器的外热流大小，加热器可以根据测量得到的外热流大小迅速调整加热功率，真实模拟航天器所受外热流情况，满足航天器热试验需求，有助于提高航天器热设计准确性。

附图说明

图1是本发明的瞬态热流计的结构示意图；

图中，1、涂层一；2、铜层；3、涂层二；4、镍层；5、绝缘层；6、金属箔；7、等温腔体。

图2是本发明的瞬态热流计中敏感片的结构示意图；

其中，金属箔片制成的敏感片包括金属箔片及箔片上下涂覆的涂层。

图3是本发明的瞬态热流计在标定状态下的示意图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的真空热环境下使用的瞬态热流计的结构进行详细说明，但该描述仅仅示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。

实施例1金属箔片为铜箔，箔片的上下表面层均设置有绝缘层

参照图1，图1是本发明的瞬态热流计的结构示意图。其中，本发明的一种热真空环境下使用的瞬态热流计，包括腔壁温度均匀的等温腔体7，等温腔体7内喷涂高发射率涂层，等温腔体的开口上方覆盖有金属箔片6，金属箔片6上下表面上涂覆有绝缘层5，绝缘层5上方通过镀膜法交错设置有铜层和镍层，铜层2与镍层4之间形成结合界面，金属箔片的上下表面分别涂覆发射率不同的两种材料，两种材料直接涂覆在金属箔片上或者涂覆在铜层2和镍层4上，发射率不同的两种材料在铜层2和镍层4上交错形成发射率不同的涂层一1和涂层二3，涂层一1和涂层二3之间也形成结合界面，分别覆盖铜层2与镍层4的结合界面并以对应位置的结合界面为对称线对称分布，金属箔片上表面的涂层一1、涂层二分3别对应于金属箔片下表面的涂层二3和涂层一1，其中，两端的铜层2外侧分别连接有引线，引线连接有电势采集装置，等温腔体(等温盒7)的外侧设置有测量其温度的温度传感器。

图2为本发明的瞬态热流计中敏感片的结构示意图；敏感片正反面分别间隔喷涂的发射率涂层满足一定的关系，图1中1区域为正面吸收率为a，反面3区吸收率为b，正面3区域吸收率为b，反面1区域吸收率为a，则需满足a≠b，若a>>b或a<<b则更合适。正面反面1区域表面涂黑漆(S721-SR107等)、白漆(S781等)、灰漆(S956灰漆)等高吸收率的材料，3区域可涂金属漆(S781铝粉漆)。

实施例2金属箔片为不锈钢箔，箔片的上表面层设置有绝缘层

在另一实施方式中，金属箔片为厚度1mm的不锈钢箔，箔片的一侧上可设置绝缘层5，而另一相对的侧面上不设置绝缘层。在设置绝缘层的一侧表面，通过镀膜法交错设置有铜层2和镍层4，铜层2与镍层4之间形成结合界面。金属箔片6的上下表面分别涂覆发射率不同的两种材料，无绝缘层的一侧直接涂覆在金属箔片上，有绝缘层一侧涂覆在铜层和镍层上。有绝缘层一侧，发射率不同的两种材料在铜层和镍层上交错形成发射率不同的涂层一和涂层二，涂层一1和涂层二3之间也形成结合界面，分别覆盖铜层2与镍层4的结合界面并以对应位置的结合界面为对称线对称分布，金属箔片上无绝缘层一侧的涂层一1、涂层二3分别对应于金属箔片有绝缘层侧的涂层二和涂层一，其中，两端的铜层外侧分别连接有引线，引线连接有电势采集装置，等温腔体(等温盒7)的外侧设置有测量其温度的温度传感器。图3是本发明的瞬态热流计在标定状态下的示意图。

测试实施例：采用实施例1和2的测量装置测量热流。

采用上述测量装置测量瞬态热流的过程如下：

1)在敏感片背面设置等温盒，要求完全遮盖敏感片背面，且等温罩内外表面均涂有高发射率(吸收率)材料，如黑漆、白漆等，等温罩材料由金属制作。在等温罩上布置温度传感器测量其温度。

2)首先进行热流计的标定工作。标定热流计时，先将等温盒去除，将敏感片(带有镀膜、涂层的金属箔)两侧分别正对两个黑体腔的出口，分别距离黑体腔出口1～5mm；

3)将热流计引出的两铜线分别接入电势采集设备正负极；

4)黑体腔1和黑体腔2的温度分别为T₁和T₂，电势采集设备输出电势为u；调整黑体腔1和黑体腔2的温度，获得不同的电势u，拟合获得u、黑体腔1温度、黑体腔2温度的关系式，形式为T₁ ⁴＝K·u+T₂ ⁴，完成标定工作(温度均为热力学温度)；

5)将热流计放入被测环境内，引出铜线接入电势采集设备，等温盒的温度传感器也接入采集设备；

6)测量时获得铜线间的电势为u，等温盒的温度为T_d；

7)则瞬态热流q为q＝5.67×(K·u+T_d ⁴)×10^-8。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种热真空环境下使用的瞬态热流计，包括腔壁温度恒定的等温腔体，等温腔体内保持真空环境，等温腔体的开口上方覆盖有金属箔片，金属箔片上下表面的至少一侧上涂覆有绝缘层，绝缘层上方通过镀膜法交错设置有铜层和镍层，铜层与镍层之间形成结合界面，金属箔片的上下表面分别涂覆发射率不同的两种材料，两种材料直接涂覆在金属箔片上或者涂覆在铜层和镍层上，发射率不同的两种材料在铜层和镍层上交错形成发射率不同的涂层一和涂层二，涂层一和涂层二之间也形成结合界面，分别覆盖铜层与镍层的结合界面并以对应位置的结合界面为对称线对称分布，金属箔片上表面的涂层一、涂层二分别对应于金属箔片下表面的涂层二和涂层一，其中，两端的铜层外侧分别连接有引线，等温腔体的外侧设置有测量其温度的温度传感器。

2.如权利要求1所述的瞬态热流计，其中，引线连接有电势采集装置。

3.如权利要求1所述的瞬态热流计，其中，所述金属箔片为不锈钢箔或铜箔或铝箔。

4.如权利要求1所述的瞬态热流计，其中，所述镀膜法包括磁控溅射镀膜、离子束镀膜或射频镀膜。

5.如权利要求1-4任一项所述的瞬态热流计，其中，两种涂层的材料之一为黑漆、白漆或灰漆；另一种为铝粉漆。

6.如权利要求1-4任一项所述的瞬态热流计，其中，等温腔体的材料为铝或铜或银或它们的合金。

7.如权利要求1-4任一项所述的瞬态热流计，其中，金属箔片的上下表面一侧上设置有绝缘层，一侧上未设绝缘层。

8.一种利用权利要求1-7任一项所述瞬态热流计测量热流的方法，包括如下步骤：

1)首先进行瞬态热流计的标定工作，标定热流计时，先将等温盒去除，将瞬态热流计中的带有镀膜、涂层的金属箔片两侧分别正对两个黑体腔的出口，分别距离黑体腔出口1～5mm；

2)将瞬态热流计引出的两铜线分别接入电势采集装置的正负极；

3)测量黑体腔一和黑体腔二的温度分别为T₁和T₂，电势采集装置的输出电势为u；调整黑体腔一和黑体腔二的温度，获得不同的电势，根据最小二乘法拟合获得电势、黑体腔一和黑体腔二温度的关系式T₁ ⁴＝K·u+T₂ ⁴，其中系数K采用最小二乘法对各温度数据和电势数据拟合得到，完成标定工作；

4)将瞬态热流计放入被测环境内，引出铜线接入电势采集装置，电势采集装置、等温盒的温度传感器也电连接到数据采集设备；

5)测量时获得铜线间的电势为u，等温盒的温度为T_d；

6)则瞬态热流q为q＝5.67×(K·u+T_d ⁴)×10^-8。