CN109460084A

CN109460084A - 真空环境下辐射块温度调控方法及装置

Info

Publication number: CN109460084A
Application number: CN201811613854.1A
Authority: CN
Inventors: 孟刚; 南华; 李亚男; 薛莲; 周岩; 邓蓉; 范小礼; 水涌涛; 刘佳琪; 刘得成; 陈福泰
Original assignee: Beijing Aerospace Changzheng Aircraft Institute
Current assignee: Beijing Aerospace Changzheng Aircraft Institute
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2019-03-12
Anticipated expiration: 2038-12-27
Also published as: CN109460084B

Abstract

本发明涉及一种真空环境下辐射块温度调控方法、装置、计算机存储介质和背景辐射模拟器，其方法包括：温度传感器测量辐射板的实时温度信号；温控模块采集温度传感器测量的实时温度信号，与温度控制目标范围进行对比，按固定周期循环执行温度判断生成供电控制指令和液氮控制指令；供电控制器接收温控模块的供电控制指令，完成电源供电电压控制，将电源供电电压输出给加热膜；液氮控制器接收温控模块的液氮控制指令，完成液氮供给量控制，将液氮源的液氮输出给热沉；加热膜根据电源供电电压对辐射板进行加热；热沉根据液氮输入量对衬板、加热膜和辐射板进行降温。本发明利用闭环控制通路，实现了真空环境下的宽范围温度调控效果。

Description

真空环境下辐射块温度调控方法及装置

技术领域

本发明涉及一种真空环境下温度调控方法，尤其涉及一种真空环境下辐射块温度调控方法、装置、计算机存储介质及背景辐射模拟器。

背景技术

在空间环境模拟试验中，现有的背景辐射模拟器通常为单向控温，温度调控范围较小，模拟装置相对粗糙。辐射模拟结束后，只能通过自然降温，该过程依然会产生非有效热流，且该热流影响效果会反映到试验数据中，因此后续需要对试验后的数据进行处理，剥离误差影响因素，增加了数据处理的难度。

因此，在空间环境模拟试验系统中，如何对背景辐射模拟器的辐射板进行快速且可靠地温度控制是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的至少一部分技术问题，提供了一种真空环境下辐射块温度调控方法、装置、计算机存储介质及背景辐射模拟器，通过闭环温度反馈以及加热膜与热沉的配合实现对辐射块的温度控制。

为了解决上述技术问题，本发明第一方面，提供了一种真空环境下辐射块温度调控方法，所述辐射块包括依次叠加的辐射板、加热膜、衬板和热沉；所述辐射块还包括温度传感器、温控模块、供电控制器和液氮控制器；所述方法包括以下步骤：

S1、温度传感器测量辐射板的实时温度信号；

S2、温控模块采集温度传感器测量的实时温度信号，与温度控制目标范围进行对比，按固定周期循环执行温度判断生成供电控制指令和液氮控制指令；

S3、供电控制器接收温控模块的供电控制指令，完成电源供电电压控制，将电源供电电压输出给加热膜；液氮控制器接收温控模块的液氮控制指令，完成液氮供给量控制，将液氮源的液氮输出给热沉；

S4、加热膜根据电源供电电压对辐射板进行加热，辐射板模拟辐射热流；热沉根据液氮输入量对衬板、加热膜和辐射板进行降温。

在根据本发明所述的真空环境下辐射块温度调控方法中，可选地，所述按固定周期循环执行温度判断生成供电控制指令和液氮控制指令的步骤，包括：

步骤一、实时采集辐射板的温度信号T，与温度控制目标范围内的值T₀进行对比；

步骤二、判断T-T₀<T_min是否成立；若成立，向液氮控制器发出液氮不供给指令，向供电控制器发出电源供电电压值为U1的指令，进入步骤七；若不成立，进入步骤三；

步骤三、判断T-T₀<T_L是否成立；若成立，向液氮控制器发出液氮不供给指令，向供电控制器发出电源供电电压值为U2的指令，进入步骤七；若不成立，进入步骤四；

步骤四、判断T_H<T-T₀<T_max是否成立；若成立，向供电控制器发出电源不输出指令，向液氮控制器发出液氮供给量为最大供给量的Y％的指令，进入步骤七；若不成立，进入步骤五；

步骤五、判断T-T₀>T_max是否成立；若成立，向供电控制器发出电源不输出指令，向液氮控制器发出液氮供给量为最大供给量的(Y+5)％的指令，进入步骤七；若不成立，进入步骤六；

步骤六、判断T-T0>T_N是否成立；若成立，向供电控制器发出电源不输出指令，向液氮控制器发出液氮不供给指令，自然降温，进入步骤七；若不成立，进入步骤七；

步骤七、温度判断结束。

在根据本发明所述的真空环境下辐射块温度调控方法中，可选地，所述液氮初始供给量占最大供给量的比值Y为5～10。

在根据本发明所述的真空环境下辐射块温度调控方法中，可选地，所述固定周期为2min～8min。

在根据本发明所述的真空环境下辐射块温度调控方法中，可选地，所有辐射块先组成不同半径的圆环形区域，所有不同半径的圆环形区域同心排布构成背景辐射模拟器的整个辐射面；所述方法还包括：控制背景辐射模拟器中半径不大于所述有效辐射半径的辐射块升温至第一目标范围值，并控制背景辐射模拟器中半径大于所述有效辐射半径的辐射块降温至第二目标范围值。

本发明第二方面，提供了一种真空环境下辐射块的温度调控装置，所述辐射块包括：依次叠加的辐射板、加热膜、衬板和热沉；所述温度调控装置包括：

温度传感器，用于测量辐射板的实时温度信号；

温控模块，与所述温度传感器连接，用于采集温度传感器测量的实时温度信号，与温度控制目标范围进行对比，按固定周期循环执行温度判断生成供电控制指令和液氮控制指令；

供电控制器，与所述温控模块连接，用于接收温控模块的供电控制指令，完成电源供电电压控制，将电源供电电压输出给加热膜，由加热膜根据电源供电电压对辐射板进行加热；

液氮控制器，与所述温控模块连接，用于接收温控模块的液氮控制指令，完成液氮供给量控制，将液氮源的液氮输出给热沉，由热沉根据液氮输入量对衬板、加热膜和辐射板进行降温。

在根据本发明所述的真空环境下辐射块温度调控装置中，可选地，所述温控模块用于通过以下步骤按固定周期循环执行温度判断生成供电控制指令和液氮控制指令：

步骤七、温度判断结束。

本发明第三方面，提供了一种背景辐射模拟器，包括多个辐射块，每个辐射块具有根据如前所述的真空环境下辐射块温度调控装置。

在根据本发明所述的背景辐射模拟器中，可选地，所述多个辐射块先组成不同半径的圆环形区域，所有不同半径的圆环形区域同心排布构成背景辐射模拟器的整个辐射面；半径不大于所述有效辐射半径的辐射块温度调控装置控制当前辐射块升温至第一目标范围值，半径大于所述有效辐射半径的辐射块温度调控装置控制当前辐射块降温至第二目标范围值；

所述多个辐射块包括从圆心向外依次排布的第一圆环形区域至第七圆环形区域，所述第四圆环形区域的辐射块上均匀布置有多个LED，所述第一圆环区域与第二圆环区域的环形间隔中设置有第一圈卤素灯组，所述第三圆环区域与第四圆环区域的环形间隔中设置有第二圈卤素灯组，所述第一圆环区域与第二圆环区域的环形间隔中均匀布置有第一钨灯组，所述第四圆环区域与第五圆环区域的环形间隔中均匀布置有第二钨灯组。

本发明第四方面，提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有可被计算机设备执行的指令代码；

所述指令代码在被计算机设备执行时，执行以下步骤：

步骤一、实时采集背景辐射模拟器辐射板的温度信号T，与温度控制目标范围内的值T₀进行对比；

步骤七、温度判断结束。

实施本发明的真空环境下辐射块温度调控方法、装置、计算机存储介质及背景辐射模拟器，具有以下有益效果：

1、本发明利用温度传感器、供电控制和液氮控制构成闭环控制通路，实现了真空环境下温度幅度约250K的宽范围温度调控效果，克服了传统热流模拟方案中只能单向控温，且控温范围受限的问题；

2、本发明采用了液氮可控快速降温方法，实现了真空环境下辐射热流从有到无的快速调控，克服了传统热流模拟方案中无法克服非有效热流对测量结果的影响，大大提高了试验测量精度；

3、本发明采用了温度实时判断，实现了真空环境下温度自适应调控功能，能够使得辐射块快速稳定地达到预期温度，缩减了温度调控时间，提升了热流模拟的精度。

4、本发明采用了多个独立的辐射块作为温度调控源，在温度调控过程中，能够分区域独立控制，实现更为灵活的热流模拟。

5、本发明的背景辐射模拟器具有同心圆环的辐射块设计，能够根据需要控制不同半径的辐射块工作，实现对于不同有效辐射半径的背景辐射源动态辐射热流的模拟效果。

附图说明

图1为根据本发明优选实施例真空环境下辐射块温度调控方法的流程图；

图2为根据本发明的背景辐射模拟器中辐射块的剖面结构示意图；

图3为背景辐射模拟器中每个辐射块的温度调控原理示意图；

图4为根据本发明的真空环境下辐射块温度调控方法中温度判断的具体流程图；

图5为根据本发明的模拟系统中背景辐射模拟器的辐射块分布图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

请参阅图1，为根据本发明优选实施例真空环境下辐射块温度调控方法的流程图。该辐射块可以但不限于构建背景辐射模拟器。该背景辐射模拟器用于模拟航天器在空间飞行时除太阳之外的辐射源。请结合参阅图2和图3，其中图2，为根据本发明的背景辐射模拟器中辐射块的剖面结构示意图。图3为背景辐射模拟器中每个辐射块的温度调控原理示意图。每个辐射块10包括依次叠加的辐射板11、加热膜12、衬板13和热沉14。辐射块10还包括温度传感器15、温控模块16、供电控制器17和液氮控制器18。该背景辐射模拟器还包括电源和液氮源。辐射板11用于模拟辐射热流，所有辐射块10的辐射板11构成背景辐射模拟器的辐射面，加热膜12是辐射板11的加热源，衬板13用于连接辐射板11、加热膜12和热沉14，热沉14用于给辐射板11、加热膜12和衬板13进行降温，温度传感器15用于实时测量辐射板11的温度信号。加热膜12位于辐射板11辐射热流的反方向，加热膜12的一侧紧贴辐射板11；衬板13的一侧与加热膜12和辐射板11连接，衬板13的另一侧与热沉14连接；温度传感器15位于辐射板11辐射热流的反方向，紧贴辐射板11。

该实施例提供的真空环境下辐射块温度调控方法至少包括以下步骤：

S1、温度传感器16测量辐射板11的实时温度信号；

S2、温控模块16采集温度传感器15测量的温度信号，与当前辐射块的温度控制目标范围值进行对比，按固定周期循环执行温度判断生成供电控制指令和液氮控制指令，供电控制指令发送给供电控制器17，液氮控制指令发送给液氮控制器18。优选地，所述固定周期为2min～8min。

S3、供电控制器17接收温控模块16的供电控制指令，完成电源供电电压控制，将电源供电输出给加热膜12；同时，液氮控制器18根据温控模块16的液氮控制指令，完成液氮供给量控制，将液氮源的液氮输出给热沉14。

S4、加热膜12根据电源供电电压对辐射板11进行加热，辐射板11模拟辐射热流；热沉14根据液氮输入量对衬板13、加热膜12和辐射板11进行降温。热沉14为多孔结构，液氮源经液氮控制器调控流量后流过热沉14的多孔结构，达到为辐射板11、加热膜12和衬板13进行降温的目的。

本发明还对辐射块的温度控制方法进行了研究，并通过优化的控制流程使其能够快速且准确地将辐射块的温度控制至目标范围值。请参阅图4，为根据本发明的真空环境下辐射块温度调控方法中温度判断的具体流程图。优选地，上述步骤S2中按固定周期循环执行温度判断生成供电控制指令和液氮控制指令的步骤，具体包括：

步骤一、温控模块16内设定温度控制目标范围内的值T₀，实时采集温度传感器15测量的温度信号T；

步骤二、判断T-T₀<T_min是否成立，本实施例中T_min为-50K；若成立，向液氮控制器18发出液氮不供给指令，向供电控制器17发出电源供电电压值为U1指令，U1取值为100V，加热膜12在供电电压100V情况下，输出最大加热功率，进入步骤七；若不成立，进入步骤三；

步骤三、判断T-T₀<T_L是否成立，本实施例中T_L为-2K；若成立，向液氮控制器18发出液氮不供给指令，向供电控制器17发出电源供电电压值为U2指令，U2取值为45V，加热膜12在供电电压45V情况下，输出正常加热功率，进入步骤七；若不成立，进入步骤四；

步骤四、判断T_H<T-T₀<T_max是否成立，本实施例中T_max为100K，T_H为20K；若成立，向供电控制器17发出电源不输出指令，向液氮控制器18发出液氮供给量为最大供给量的Y％的指令，本实施例中液氮控制器18的液氮初始供给量占最大供给量的百分比的比值Y为5～10，进入步骤七；若不成立，进入步骤五；

步骤五、判断T-T₀>T_max是否成立；若成立，向供电控制器17发出电源不输出指令，向液氮控制器18发出液氮供给量为最大供给量的(Y+5)％的指令，进入步骤七；若不成立，进入步骤六；

步骤六、判断T-T₀>T_N是否成立，本实施例中T_N为2K；若成立，向供电控制器17发出电源不输出指令，向液氮控制器18发出液氮不供给指令，自然降温，进入步骤七；若不成立，进入步骤七；

步骤七、温度判断结束，等待进入下一温度判断循环周期。

请参阅图5为根据本发明的模拟系统中背景辐射模拟器的辐射块分布图。该背景辐射模拟器1包括多个弧形的辐射块10，所有辐射块先组成不同半径的圆环形区域，所有不同半径的圆环形区域同心排布构成背景辐射模拟器1的整个辐射面。例如，辐射块10包括从圆心向外依次排布的第一圆环形区域至第七圆环形区域，即第1环至第7环。优选地，为保证系统供电统一，将每个圆环形区域中的辐射块都设计为大小相当的弧形。每个辐射块10内的温控模块16、供电控制器17、液氮控制器18、辐射板11、加热膜12、衬板13、热沉14、温度传感器15均为独立闭环控制通路，不同辐射块之间的组件不交叉。每个辐射块的辐射板均可进行独立的升温或降温控制。优选地，该背景辐射模拟器1还设置有多个LED 20、卤素灯30和钨灯40。在本发明的一个实施例中，第四圆环形区域的辐射块上均匀布置有多个LED20，以模拟背景辐射源反照太阳的可见光。优选地，可以将LED集成为LED板，LED板固定在辐射板表面，通过辐射板进行散热。第一圆环区域与第二圆环区域的环形间隔中设置有第一圈卤素灯组，第三圆环区域与第四圆环区域的环形间隔中设置有第二圈卤素灯组。本发明中将卤素灯作为模拟太阳的可见光源，为防止光谱失配，选择带有透红外反可见光反射器的卤素灯。第一圆环区域与第二圆环区域的环形间隔中均匀布置有第一钨灯组，第四圆环区域与第五圆环区域的环形间隔中均匀布置有第二钨灯组。本发明采用钨灯作为模拟背景辐射源反照太阳的红外光源。本发明在背景辐射模拟器的内环和中环布设卤素灯光源环带，在内环和外环布设钨灯光源环带，并结合中环位置的LED灯组，可以实现可见光、红外的最佳模拟效果。

本发明的真空环境下辐射块温度调控方法可以进一步包括：控制背景辐射模拟器中半径不大于所述有效辐射半径的辐射块升温至第一目标范围值，并控制背景辐射模拟器中半径大于所述有效辐射半径的辐射块降温至第二目标范围值。通过该步骤可以使得背景辐射模拟器的辐射半径可控。例如，根据待模拟的航天器轨道高度，以及模拟系统中航天器模型与背景辐射模拟器的辐射面的距离，计算背景辐射模拟器辐射面的有效辐射半径r。再根据计算的有效辐射半径r，控制背景辐射模拟器1中半径不大于所述有效辐射半径r的辐射块升温至第一目标范围值，并控制背景辐射模拟器1中半径大于所述有效辐射半径的辐射块降温至第二目标范围值。优选地，升温的第一目标范围值为249K～254K，降温的第二目标范围值为145K～150K。

在本发明的一个实施例中，本发明可以每块弧形的辐射块的外径或者内外径平均值作为当前辐射块的半径。例如，当背景辐射模拟器的辐射面有效辐射半径的计算结果为3.4m时。将半径不大于3.4m的第1环至第3环的辐射块升温至249K～254K，将半径大于3.4m的第4环至第7环的辐射块降温至145K～150K。本发明通过上述步骤，可以根据不同飞行轨道高度下航天器对背景辐射源的张角关系，实时调整背景辐射模拟器的辐射面的有效辐射半径，使有效辐射半径内的背景辐射模拟器的辐射板11通过加热升温，实现辐射热流模拟；对于有效辐射半径之外的背景辐射模拟器的辐射板11通过降温，降温区域的辐射热流非常低，不影响空间背景辐射模拟器辐射板总的有效辐射热流，实现了不同飞行高度下的背景辐射动态模拟效果。

本发明还相应提供了一种真空环境下辐射块的温度调控装置。该温度调控装置包括：

温度传感器15，用于测量辐射板11的实时温度信号；

温控模块16，与所述温度传感器15连接，用于采集温度传感器15测量的实时温度信号，与温度控制目标范围进行对比，按固定周期循环执行温度判断生成供电控制指令和液氮控制指令；其中温控模块16按固定周期循环执行温度判断生成供电控制指令和液氮控制指令的步骤已经在前述方法中进行了详细阐述，在此不再赘述。

供电控制器17，与所述温控模块16连接，用于接收温控模块16的供电控制指令，完成电源供电电压控制，将电源供电电压输出给加热膜12，由加热膜12根据电源供电电压对辐射板11进行加热；

液氮控制器18，与所述温控模块16连接，用于接收温控模块16的液氮控制指令，完成液氮供给量控制，将液氮源的液氮输出给热沉14，由热沉14根据液氮输入量对衬板13、加热膜12和辐射板11进行降温。

本发明还相应提供了如前所述的背景辐射模拟器，该背景辐射模拟器1包括多个弧形的辐射块10以及电源和液氮源。每个辐射块包括一个如前所述的真空环境下背景辐射模拟器的辐射块温度调控装置。优选地，所有辐射块10先组成不同半径的圆环形区域，所有不同半径的圆环形区域同心排布构成背景辐射模拟器1的整个辐射面。半径不大于有效辐射半径r的辐射块温度调控装置控制当前辐射块升温至第一目标范围值，半径大于有效辐射半径的辐射块温度调控装置控制当前辐射块降温至第二目标范围值。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有可被计算机设备执行的指令代码；所述指令代码在被计算机设备执行时，执行以下步骤：

步骤一、实时采集辐射板如背景辐射模拟器辐射板的温度信号T，与温度控制目标范围内的值T₀进行对比；

步骤六、判断T-T₀>T_N是否成立；若成立，向供电控制器发出电源不输出指令，向液氮控制器发出液氮不供给指令，自然降温，进入步骤七；若不成立，进入步骤七；

步骤七、温度判断结束。

优选地，可以按照固定周期循环执行上述步骤。

本发明中“计算机可读存储介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。计算机可读存储介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。

需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序或者若干步骤同时执行。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种真空环境下辐射块温度调控方法，其特征在于，所述辐射块包括依次叠加的辐射板、加热膜、衬板和热沉；所述辐射块还包括温度传感器、温控模块、供电控制器和液氮控制器；所述方法包括以下步骤：

S1、温度传感器测量辐射板的实时温度信号；

2.根据权利要求1所述的真空环境下辐射块温度调控方法，其特征在于，所述按固定周期循环执行温度判断生成供电控制指令和液氮控制指令的步骤，包括：

步骤七、温度判断结束。

3.根据权利要求1或2所述的真空环境下辐射块温度调控方法，其特征在于，所述液氮初始供给量占最大供给量的比值Y为5～10。

4.根据权利要求1或2所述的真空环境下辐射块温度调控方法，其特征在于，所述固定周期为2min～8min。

5.根据权利要求1或2所述的真空环境下辐射块温度调控方法，其特征在于，所有辐射块先组成不同半径的圆环形区域，所有不同半径的圆环形区域同心排布构成背景辐射模拟器的整个辐射面；所述方法还包括：控制背景辐射模拟器中半径不大于所述有效辐射半径的辐射块升温至第一目标范围值，并控制背景辐射模拟器中半径大于所述有效辐射半径的辐射块降温至第二目标范围值。

6.一种真空环境下辐射块的温度调控装置，其特征在于，所述辐射块包括：依次叠加的辐射板、加热膜、衬板和热沉；所述温度调控装置包括：

温度传感器，用于测量辐射板的实时温度信号；

7.根据权利要求6所述的真空环境下辐射块的温度调控装置，其特征在于，所述温控模块用于通过以下步骤按固定周期循环执行温度判断生成供电控制指令和液氮控制指令：

步骤七、温度判断结束。

8.一种背景辐射模拟器，其特征在于，包括多个辐射块，每个辐射块具有根据权利要求6或7所述的真空环境下辐射块温度调控装置。

9.根据权利要求8所述的背景辐射模拟器，其特征在于，所述多个辐射块先组成不同半径的圆环形区域，所有不同半径的圆环形区域同心排布构成背景辐射模拟器的整个辐射面；半径不大于所述有效辐射半径的辐射块温度调控装置控制当前辐射块升温至第一目标范围值，半径大于所述有效辐射半径的辐射块温度调控装置控制当前辐射块降温至第二目标范围值；

10.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质中存储有可被计算机设备执行的指令代码；

所述指令代码在被计算机设备执行时，执行以下步骤：

步骤七、温度判断结束。