CN109357768A - 一种辐射散热表面光学系数测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种辐射散热表面光学系数测量装置，包括：被测辐射散热表面、基板、杯状结构热屏、测温电阻Ⅰ、测温电阻Ⅱ、固定卡环、固定螺钉、薄膜电加热片Ⅰ和薄膜电加热片Ⅱ；被测辐射散热表面与基板粘帖构成装置敏感面；杯状结构热屏内表面粘贴测温电阻Ⅰ和薄膜电加热片Ⅰ；基板下表面粘贴测温电阻Ⅱ和薄膜电加热片Ⅱ；基板通过固定卡环和固定螺钉与杯状结构热屏连接。本发明实现了对航天器辐射散热表面的光学系数进行在轨实际测量，测量结果可以用于航天器辐射散热表面的全寿命性能退化模型，还可用于对航天器表面污染效应的测量和评估。
Description
技术领域
本发明属于航天器总体及热控设计技术领域，尤其涉及一种辐射散热表面光学系数测量装置。
背景技术
航天器在轨运行期间，可以被视为一个与外界不存在传导交换的物体。航天器内部产生的热量均需要通过辐射散热表面耗散至空间中；同时，空间热源(如太阳、地球)等的能量也需要通过辐射散热表面被航天器吸收或反射，从而影响航天器内部产品的温度。因此，航天器辐射散热表面的光学系数(通常包括常温段的半球发射率εh和太阳光谱吸收比αs)对航天器的温度有至关重要的影响。
航天器的辐射散热表面材料一般通过在基材上施加各种金属和非金属镀层来实现。一般来说，辐射散热表面的光学系数受材料的状态(是否有褶皱折痕等)、表面污染情况等影响；在航天器在轨期间，航天器有机材料释放的可凝挥发物、航天器推进系统的羽流沉积物等均可能在航天器辐射散热表面形成污染层，影响辐射散热表面的散热能力。除此以外，非金属材料镀层在航天器在轨运行期间，还会因太阳紫外辐射、高能粒子辐射等原因产生光学系数变化，最终造成辐射散热表面的散热能力退化。
在目前的航天器研制过程中，一般在地面针对辐射散热表面材料开展紫外辐照试验、粒子辐照试验等，并在试验后对辐射散热表面的光学系数进行测量，从而验证辐射散热表面的性能退化情况。航天器在轨工作后，还可通过航天器特征测温点的温度对航天器在轨的瞬态外热流情况进行反演，从而确定航天器辐射散热表面的光学特性。
现有的技术主要存在以下问题：
(a)地面的紫外辐照试验、粒子辐照试验的条件均通过理论模型估算并取一定裕度来确定，难以代表航天器辐射散热表面在轨工作条件下实际的性能退化特征；
(b)地面试验无法真实模拟航天器在轨运行条件下对辐射散热表面的各种污染特性，在轨实际情况可能比地面试验更加恶劣，影响航天器在轨工作的可靠性；
(c)通过航天器设备在轨遥测温度反演航天器在轨外热流的计算方法复杂；当航天器外形设计复杂时，温度反演方法的计算量巨大且准确性显著降低。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种辐射散热表面光学系数测量装置，对航天器辐射散热表面的光学系数进行在轨实际测量，测量结果可以用于航天器辐射散热表面的全寿命性能退化模型，还可用于对航天器表面污染效应的测量和评估。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种辐射散热表面光学系数测量装置，包括：被测辐射散热表面(1)、基板(2)、杯状结构热屏(3)、测温电阻Ⅰ(41)、测温电阻Ⅱ(42)、固定卡环(5)、固定螺钉(6)、薄膜电加热片Ⅰ(71)和薄膜电加热片Ⅱ(72)；
被测辐射散热表面(1)与基板(2)粘帖构成装置敏感面；
杯状结构热屏(3)内表面粘贴测温电阻Ⅰ(41)和薄膜电加热片Ⅰ(71)；
基板(2)下表面粘贴测温电阻Ⅱ(42)和薄膜电加热片Ⅱ(72)；
基板(2)通过固定卡环(5)和固定螺钉(6)与杯状结构热屏(3)连接。
在上述辐射散热表面光学系数测量装置中，杯状结构热屏(3)由铝合金材料构成。
在上述辐射散热表面光学系数测量装置中，
测温电阻Ⅰ(41)为：Pt100型铂电阻或Pt1000型铂电阻；
测温电阻Ⅱ(42)为：Pt100型铂电阻或Pt1000型铂电阻。
在上述辐射散热表面光学系数测量装置中，杯状结构热屏(3)整个内表面覆盖有表面镀金聚酯薄膜，以减少杯状结构热屏(3)与测量装置中其他结构的辐射热交换。
在上述辐射散热表面光学系数测量装置中，基板(2)下表面覆盖有表面镀金聚酯薄膜，以减少基板(2)与测量装置中其他结构的辐射热交换。
在上述辐射散热表面光学系数测量装置中，基板(2)采用铝合金薄板加工得到。
在上述辐射散热表面光学系数测量装置中，固定卡环(5)由聚酰亚胺等低导热率材料构成，以降低基板(2)和杯状结构热屏(3)之间的传导热交换。
在上述辐射散热表面光学系数测量装置中，被测辐射散热表面(1)通过导热硅脂粘贴在基板(2)上表面。
本发明具有以下优点：
(1)利用本发明提供的一种辐射散热表面光学系数测量装置，可以实现对航天器散热辐射表面半球发射率εh和太阳光谱吸收比αs等重要参数的地面和在轨测量；
(2)本发明提供的一种辐射散热表面光学系数测量装置，结构和电路简单，可靠性高，对航天器的质量和空间代价较低；
(3)利用本发明提供的一种辐射散热表面光学系数测量装置，可以对航天器散热辐射表面的长期在轨性能变化情况进行评估；
(4)利用本发明提供的一种辐射散热表面光学系数测量装置，可以实地测量航天器污染物沉积对散热辐射表面的性能的影响情况，有助于实现对航天器污染效应的定量估计和防护设计。
附图说明
图1是本发明实施例中一种辐射散热表面光学系数测量装置的结构示意图；
图2是本发明实施例中一种杯状结构热屏跟踪控温电路示意图；
图3是本发明实施例中一种四线制电阻测量电路示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
本发明公开了一种辐射散热表面光学系数测量装置，适用于对航天器辐射散热表面的特征光学系数进行测试；特别适用于在航天器在轨期间对对航天器辐射散热表面的特征光学系数的退化特征进行测试，从而评估航天器辐射散热表面的寿命特性或航天器在轨的污染影响等。
参照图1，示出了本发明实施例中一种辐射散热表面光学系数测量装置的结构示意图。在本实施例中，该辐射散热表面光学系数测量装置，包括：被测辐射散热表面1、基板2、杯状结构热屏3、测温电阻Ⅰ41、测温电阻Ⅱ42、固定卡环5、固定螺钉6、薄膜电加热片Ⅰ71和薄膜电加热片Ⅱ72。其中，被测辐射散热表面1与基板2粘帖构成装置敏感面；杯状结构热屏3内表面粘贴测温电阻Ⅰ41和薄膜电加热片Ⅰ71；基板2下表面粘贴测温电阻Ⅱ42和薄膜电加热片Ⅱ72；基板2通过固定卡环5和固定螺钉6与杯状结构热屏3连接。
优选的，杯状结构热屏3由铝合金材料构成。
优选的，测温电阻Ⅰ41优选：Pt100型铂电阻或Pt1000型铂电阻；测温电阻Ⅱ42优选：Pt100型铂电阻或Pt1000型铂电阻。
优选的，杯状结构热屏3整个内表面覆盖有表面镀金聚酯薄膜，以减少杯状结构热屏3与测量装置中其他结构的辐射热交换。
优选的，基板2下表面覆盖有表面镀金聚酯薄膜，也即，基板2下表面使用表面镀金聚酯薄膜等高反射率材料进行覆盖，以减少基板2与测量装置中其他结构的辐射热交换。
优选的，基板2采用铝合金薄板加工得到。
优选的，固定卡环5由聚酰亚胺等低导热率材料构成，以降低基板2和杯状结构热屏3之间的传导热交换。
优选的，被测辐射散热表面1通过导热硅脂等高导热率材料粘贴在基板2上表面，必要时还可以在被测辐射散热表面1的四角或边缘采用环氧胶等进行辅助固定。
结合上述实施例，对该辐射散热表面光学系数测量装置的工作流程进行说明。参照图2，示出了本发明实施例中一种杯状结构热屏跟踪控温电路示意图。参照图3，示出了本发明实施例中一种四线制电阻测量电路示意图。其中，测温电阻Ⅱ42可以为多个，包括但不仅限于：第一子测温电阻9和第二子测温电阻11。
如图2～3，该辐射散热表面光学系数测量装置的工作流程，包括：
(a)将设置在杯状结构热屏3内表面底部的测温电阻Ⅰ41、设置在基板2下表面的第一子测温电阻9和设置在杯状结构热屏3内表面底部的薄膜电加热片Ⅰ71接入电路，实现杯状结构热屏3对基板2的跟踪控温。
(b)在基板2下表面薄膜电加热片Ⅱ72不工作(功率为0)时，使用如图3所示的四线制电阻测量电路，对基板2下表面第二子测温电阻11的温度进行测量。
其中，如图3所示的四线制电阻测量电路中的稳流源12输出电流为I0(单位为A)，基板下表面的第二子测温电阻11两端电压为U0(单位为V)。
(c)计算薄膜电加热片Ⅱ72不工作时基板下表面第二测温电阻11阻值R0＝U0/I0(单位为Ω)，通过测温电阻的温度-阻值关系换算得到薄膜电加热片Ⅱ72不工作时第二子测温电阻11的温度T0(单位为K)。
特别地，对Pt1000型铂电阻，T0可按以下公式计算：
(d)对基板2下表面薄膜电加热片Ⅱ72通电工作(功率为QH，单位为W)，重复(b)～(c)，获得基板下表面薄膜电加热片Ⅱ72通电工作时的IH，UH，RH，TH。
(e)计算辐射散热表面的半球发射率εh：
其中，σ为Stefan-Boltzmann常数，等于5.67×10-8W/(m2·K4)；S为敏感面面积，单位为m2。
(f)当装置外部辐射为太阳光谱辐射时，可计算辐射散热表面的太阳吸收比αs：
其中，CS为太阳常数，一般可取1367W/m2；θ为太阳入射角。
在上述实施例的基础上，下面结合一个具体实例进行说明。
某卫星需要对光学太阳反射镜(Optical Solar Reflector，以下简称OSR)的表面太阳吸收比αs和半球发射率εh进行在轨测量。
按照图1加工辐射散热表面光学系数测量装置。杯状结构热屏底部内表面测温电阻和基板下表面第一子测温电阻选用两线或四线制封装的Pt1000型铂电阻，基板下表面第二子测温电阻选用四线制封装的Pt1000型铂电阻，所有铂电阻均使用GD414硅橡胶进行粘贴；基板上表面采用RTV 566胶粘贴OSR片；杯状结构热屏底部内表面和基板下表面分别使用GD414硅橡胶粘贴薄薄膜电加热片Ⅰ和薄膜电加热片Ⅱ。
将杯状结构热屏底部内表面测温电阻Ⅰ、基板下表面第一子测温电阻、杯状结构热屏底部内表面薄膜电加热片Ⅰ接入图2所示的电路。杯状结构热屏底部内表面测温电阻Ⅰ、基板下表面第一子测温电阻和精密电阻R3/R4组成惠斯通电桥；卫星电源经R1/R2电阻分压后与电桥相连，对电桥进行供电。电压比较器U1的正向和反向输入端分别电桥的两桥臂相连，对桥臂电压进行比较；电压比较器U1的输出端连接至稳压二极管D1和MOS场效应管VM1的栅极。由于本实例中使用的测温电阻为Pt1000型铂电阻，其阻值与被测点温度正相关，将杯状结构热屏底部内表面测温电阻Ⅰ与电压比较器U1的正向输入端相连，基板下表面第一子测温电阻与电压比较器U1的反向输入端相连。当杯状结构热屏温度低于基板温度时，杯状结构热屏底部内表面测温电阻Ⅰ的阻值和分压低于基板下表面第一子测温电阻；电压比较器U1的正向输入端电压高于反向输入端电压，电压比较器U1输出高电平。MOS场效应管VM1在栅极高电平作用下接通，电源对杯状结构热屏底部内表面薄膜电加热片Ⅰ进行供电，对杯状结构热屏进行加热，直到杯状结构热屏温度等于或高于基板温度。稳压二极管D1对电压比较器U1的输出电压进行稳压保护，避免故障情况下电压比较器U1输出电压过高，损伤MOS场效应管VM1。
将基板下表面第二子测温电阻接入图3所示的测量电路，稳流源输出可取1mA。
在基板下表面薄膜电加热片Ⅱ不工作(功率为0)时，对基板下表面第二子测温电阻的温度进行测量。稳流源输出电流为I0(单位为A)，基板下表面第二子测温电阻两端电压为U0(单位为V)。按照公式计算基板下表面第二子测温电阻的阻值和温度。下标0表示加热片不工作：
对基板下表面加热片通电工作(功率为QH，单位为W)，按照以上公式获得基板下表面加热片通电工作时的IH，UH，RH，TH。下标H表示加热片工作。
按照以下公式计算OSR的半球发射率εh和太阳吸收比αs：
其中，σ为Stefan-Boltzmann常数，等于5.67×10-8W/(m2·K4)；S为敏感面面积，单位为m2；CS为太阳常数，一般可取1367W/m2；θ为太阳入射角。
本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (8)
1.一种辐射散热表面光学系数测量装置，其特征在于，包括：被测辐射散热表面(1)、基板(2)、杯状结构热屏(3)、测温电阻Ⅰ(41)、测温电阻Ⅱ(42)、固定卡环(5)、固定螺钉(6)、薄膜电加热片Ⅰ(71)和薄膜电加热片Ⅱ(72)；
被测辐射散热表面(1)与基板(2)粘帖构成装置敏感面；
杯状结构热屏(3)内表面粘贴测温电阻Ⅰ(41)和薄膜电加热片Ⅰ(71)；
基板(2)下表面粘贴测温电阻Ⅱ(42)和薄膜电加热片Ⅱ(72)；
基板(2)通过固定卡环(5)和固定螺钉(6)与杯状结构热屏(3)连接。
2.根据权利要求1所述的辐射散热表面光学系数测量装置，其特征在于，杯状结构热屏(3)由铝合金材料构成。
3.根据权利要求1所述的辐射散热表面光学系数测量装置，其特征在于，
测温电阻Ⅰ(41)为：Pt100型铂电阻或Pt1000型铂电阻；
测温电阻Ⅱ(42)为：Pt100型铂电阻或Pt1000型铂电阻。
4.根据权利要求1所述的辐射散热表面光学系数测量装置，其特征在于，杯状结构热屏(3)整个内表面覆盖有表面镀金聚酯薄膜，以减少杯状结构热屏(3)与测量装置中其他结构的辐射热交换。
5.根据权利要求1所述的辐射散热表面光学系数测量装置，其特征在于，基板(2)下表面覆盖有表面镀金聚酯薄膜，以减少基板(2)与测量装置中其他结构的辐射热交换。
6.根据权利要求1所述的辐射散热表面光学系数测量装置，其特征在于，基板(2)采用铝合金薄板加工得到。
7.根据权利要求1所述的辐射散热表面光学系数测量装置，其特征在于，固定卡环(5)由聚酰亚胺等低导热率材料构成，以降低基板(2)和杯状结构热屏(3)之间的传导热交换。
8.根据权利要求1所述的辐射散热表面光学系数测量装置，其特征在于，被测辐射散热表面(1)通过导热硅脂粘贴在基板(2)上表面。
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