CN112051032B - 卫星热平衡试验中红外灯阵热流标定方法及标定装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于航天地面环境试验技术领域，具体涉及一种红外灯阵热流标定方法及标定装置。其中，方法包括标定板温度在恒定热流下的温度标定，红外灯阵对标定板闭环控温，获取对应热流计温度、补偿板对标定板实时温度补偿，红外灯阵对热流计闭环控温，获取对应标定板温度，补偿板对标定板温度实时补偿，标定板温度在不同热流下对热流计吸收热流的影响，补偿板对标定板温度实时补偿。本发明在使用红外灯阵进行热流模拟时，可实现卫星结构板表面热流的标定，确保了施加热流的准确性。
Description
技术领域
本发明属于航天地面环境试验技术领域，具体涉及一种红外灯热流标定方法及标定装置。
背景技术
目前整星级试验外热流的模拟方法主要有以下几种：
一、采用薄膜式加热片粘贴在结构板表面或者多层表面进行模拟，该方法的优点可以精确模拟外热流，并且可以进行瞬态热流的模拟，缺点不适合卫星表面不适宜粘贴薄膜式加热片的情况；
二、采用红外灯阵或红外笼非接触式外热流模拟方式，目前受限于热流计响应时间的限制，一般只进行准稳态热流的模拟，考虑到实际情况空间环境模拟设备内存在对卫星表面的遮挡，热流计自身漏热引起热流测量的误差等，因此试验前需要进行热流的标定；
三、采用太阳模拟器进行热流的模拟，太阳模拟器的优势可以考核卫星表面热控涂层对太阳光谱的性能，另外一个优势可以模拟相邻结构之间的热耦合，但太阳模拟器造价昂贵，运维费用高。
综合考虑上述三种主流的热流模拟方式，各有利弊，选择时需要根据对象不同作出不同的选择。
其中，第二种热流模拟方式中非常关键的一个指标，怎样标定已有系统的热流，确保施加热流的准确性，成为评价热平衡试验是否有效的一个重要指标。
发明内容
本发明针对采用红外灯阵或红外笼非接触式外热流模拟方式中，缺少对热流标定的技术问题，目的在于提供一种卫星热平衡试验中红外灯阵热流标定方法及标定装置。
卫星热平衡试验中红外灯阵热流标定方法，包括采用红外灯阵热流标定装置进行红外灯阵热流标定，标定过程如下步骤：
1)关闭红外灯阵中的全部红外灯，根据预设的标定热流大小，对标定板进行均匀加热，使所述标定板内多个测温点温度数据一致并稳定，同时对补偿板进行跟踪所述标定板温度加热，记录每个测温点的所述标定板的热电偶实测温度；
2)关闭所述标定板的全部加热器，在预设的标定热流下，以步骤1)所述热电偶实测温度对所述红外灯进行闭环控温，所述标定板吸收热流与步骤1)使用所述加热器单独加热时相同，使所述标定板内多个测温点温度稳定，同时对所述补偿板进行跟踪所述标定板温度加热，记录每个热流计实测温度；
3)在预设的标定热流下，以步骤2)记录的所述热流计实测温度对所述红外灯进行闭环控温，使所述标定板内多个测温点温度稳定，同时对所述补偿板进行跟踪所述标定板温度加热，记录每个热流计实测温度和所述红外灯阵的电流电压；
4)待步骤3)温度稳定后，将所述红外灯阵按稳态平均功率进行开环控制，以步骤3)记录的所述热流计实测温度，保证所述红外灯施加热流保持不变，根据预设的控温目标温度，使用标定板的加热器对热电偶进行闭环控温，使所述标定板内多个测温点温度稳定，同时对所述补偿板进行跟踪所述标定板温度加热，记录热流计实测温度，所述控温目标温度为多个，致使得到不同温度水平下对应所述热流计实测温度，根据所述热流计实测温度的变化范围，折算成热流计吸收热流的变化量。
步骤4)中，热流与温度的折算关系采用黑体辐射公式：
q＝εσT4
其中，q为热流，w/m2；ε为热流计表面涂层红外发射率，无量纲；σ为玻尔兹曼常数，5.67×10-8w/(m2·K4)；T为热流计实测温度，K。
步骤4)中，预设的控温目标温度由卫星整个轨道周期内结构板表面温度的变化范围确定。
优选，预设的控温目标温度依次调整为-10℃，0℃和10℃三档，记录每档的所述热流计实测温度。
在步骤1)之前，还包括：
将所述红外灯阵热流标定装置置于真空容器内，将所述真空容器抽真空，当真空度抽至预设阈值以下，热沉开始通液氮，最终整个热沉温度稳定在预设温度以下，真空度稳定在预设真空度以下，基于建立的稳定环境，开始红外灯阵热流的标定。
红外灯阵热流标定装置，用于卫星热平衡试验中红外灯阵热流标定，包括标定装置本体，所述标定装置本体包括红外灯阵标定板(标定板)、多层隔热组件和补偿板；
所述红外灯阵标定板包括标定铝板、由多个红外灯组成的红外灯阵、热流计、标定加热器和标定测温热电偶，所述标定铝板的正面设置有所述红外灯阵，所述红外灯阵中的每个所述红外灯中心正前方设置一支所述热流计，所述热流计表面法向与所述红外灯阵面呈垂直状态，所述标定铝板的背面贴装多个所述标定加热器和所述标定测温热电偶，多个所述标定加热器相互独立工作，实现独立控温；
所述红外灯阵标定板的背面包覆所述多层隔热组件，所述多层隔热组件的背面安装有所述补偿板，所述补偿板包括补偿铝板、补偿加热器和补偿测温热电偶，所述补偿铝板的正面贴装多个所述补偿加热器和所述补偿测温热电偶，多个所述补偿加热器相互独立工作，实现独立控温。
所述标定铝板尺寸优选为1600mm×1000mm×1.5mm。
所述标定铝板正面喷涂有OSR代用涂层。
所述红外灯阵中的所述红外灯优选为25盏，25盏所述红外灯均匀布置，且所述红外灯阵距离所述红外灯阵标定板表面400mm，相邻两盏所述红外灯之间的横向距离为400mm，纵向距离为250mm。
所述热流计优选采用黑片式绝热型热流计，所述热流计背面与所述红外灯阵标定板表面间距为10mm。
所述红外灯阵标定板的背面均匀划分为25个区域，在每个区域均贴装有所述标定加热器和所述标定测温热电偶。
所述多层隔热组件优选为20单元多层隔热组件。
所述补偿板正面均匀划分为32个区域，在每个区域均贴装有所述补偿加热器和补偿测温热电偶。
所述标定装置本体外套设有玻璃钢套，所述标定装置本体通过绝缘固定装置固定于吊具上。
所述绝缘固定装置包括螺钉和螺母，所述螺钉分别穿过所述吊具及所述标定装置本体，通过所述螺母将所述标定装置本体锁紧于所述吊具上。
本发明的积极进步效果在于：本发明采用卫星热平衡试验中红外灯阵热流标定方法，在使用红外灯阵进行热流模拟时，可实现卫星结构板表面热流的标定，确保了施加热流的准确性。
附图说明
图1为本发明红外灯阵热流标定方法的一种流程图；
图2为本发明红外灯阵热流标定装置的一种布置示意图；
图3为本发明工况一热流标定逻辑图；
图4为本发明工况二热流标定逻辑图；
图5为本发明工况三热流标定逻辑图；
图6为本发明工况四热流标定逻辑图；
图7为本发明红外灯阵标定板正面红外灯阵布置示意图；
图8为本发明红外灯阵标定板背面标定加热器的一种结构示意图；
图9为本发明补偿板的补偿加热器的一种结构示意图；
图10为本发明红外灯阵标定板侧面状态及局部放大示意图；
图11为本发明标定装置本体与绝缘固定装置连接时的一种局部放大示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本发明。
参照图1，卫星热平衡试验中红外灯阵热流标定方法，包括采用红外灯阵热流标定装置进行红外灯阵热流的标定，且具有具体四个步骤。
在进行红外灯阵热流的标定之前，参照图2，还包括：将红外灯阵热流标定装置1置于真空容器2内，将真空容器2抽真空，当真空度抽至预设阈值以下，热沉开始通液氮，最终整个热沉温度稳定在预设温度以下，真空度稳定在预设真空度以下，基于建立的稳定环境，开始红外灯阵热流的标定。
具体的，整个热流标定在空间环境模拟设备如真空容器2内进行，真空容器2的具体规格为KM4B：Φ5500mm×8000mm。在对整个真空容器2进行抽真空，当真空度抽至1.3×10-3pa以下，热沉开始通液氮，最终整个热沉温度稳定在100K以下，真空度稳定在5.0×10- 5pa以下，基于建立的稳定环境，开始红外灯阵热流的标定。
红外灯阵热流标定主要步骤包括如下四个步骤：
S1：工况一，标定板温度在恒定热流下的温度标定。
关闭红外灯阵中的全部红外灯，根据预设的标定热流大小，对标定板进行均匀加热，使标定板内多个测温点温度数据一致并稳定，同时对补偿板进行跟踪标定板温度加热，记录每个测温点的标定板的热电偶实测温度。
参照图3，工况一中标定板加热器开，补偿板加热器开，红外灯关。本工况中预设的标定热流大小，比如如下表1所示10w/m2、20w/m2、…190w/m2、200w/m2，由此可确定出标定板背板理论功率。
在对标定板进行均匀加热时，使用标定板相应分区中标定加热器按比例对标定板进行均匀加热，使标定板内多个测温点温度数据一致并稳定。
本工况中的测温点即贴有热电偶处，在记录每个测温点的标定板的热电偶实测温度时，如下表1所示，还记录补偿板的热电偶实测温度。
表1
标定板在恒定热流作用下，将标定板的热电偶实测温度和热电偶理论温度进行比较，可以得出由于真空容器2内其余工装对标定板辐射面积存在一定的遮挡，同时由于遮挡或者标定板表面热控漆的性能与理论值存在偏差引起的附加热流导致标定板温度与理论计算值存在偏差。
S2：工况二，红外灯阵对标定板闭环控温，获取对应热流计温度、补偿板对标定板实时温度补偿。
关闭标定板的全部加热器，在预设的标定热流下，以工况一热电偶实测温度对红外灯进行闭环控温，标定板吸收热流与工况一使用加热器单独加热时相同，使标定板内多个测温点温度稳定，同时对补偿板进行跟踪标定板温度加热，记录每个热流计实测温度。
参照图4，工况二中标定板加热器关，补偿板加热器开，红外灯开。以工况一标定板在各热流下实测的热电偶实测温度为输入值，用红外灯阵以该温度为闭环温度对标定板进行控温，使标定板温度水平及温度分布保持一致，同时补偿板温度实时跟随标定板温度，获取此工况下热流计温度。
在记录每个热流计实测温度时，如下表2所示，还记录每个测温点的标定板的热电偶实测温度、补偿板的热电偶实测温度。
表2
在得到此工况下热流计实测温度后，可以将此流计实测温度折算成热流计吸收热流，并与工况一标定板表面热流进行对比，确定此工况在标定数据范围内的准确性。
S3：工况三，红外灯阵对热流计闭环控温，获取对应标定板温度，补偿板对标定板温度实时补偿。
在预设的标定热流下，以工况二记录的热流计实测温度对红外灯进行闭环控温，使标定板内多个测温点温度稳定，同时对补偿板进行跟踪标定板温度加热，记录每个热流计实测温度和红外灯阵的电流电压。
参照图5，工况三中标定板加热器关，补偿板加热器开，红外灯开。以工况二热流计实测温度为输入，用红外灯阵对其进行闭环控温，同时补偿板温度实时跟随标定板温度，获取此工况下热流计实测温度和红外灯阵的电流电压。
在记录每个热流计实测温度和红外灯阵的电流电压时，如下表3所示，还记录每个测温点的标定板的热电偶实测温度、补偿板的热电偶实测温度。
表3
在获取此工况下标定板的热电偶实测温度后，与工况二各平衡态下温度对比，原则上温度应与工况二一致。
S4：工况四，标定板温度在不同热流下对热流计吸收热流的影响，补偿板对标定板温度实时补偿。
待工况三温度稳定后，将红外灯阵按稳态平均功率进行开环控制，以工况三记录的热流计实测温度，保证红外灯施加热流保持不变，根据预设的控温目标温度，使用标定板的加热器对热电偶进行闭环控温，使标定板内多个测温点温度稳定，同时对补偿板进行跟踪标定板温度加热，记录热流计实测温度，控温目标温度为多个，致使得到不同温度水平下对应热流计实测温度，根据热流计实测温度的变化范围，折算成热流计吸收热流的变化量。
其中，根据热流计实测温度的变化范围，折算成热流计吸收热流的变化量时，折算关系采用黑体辐射公式：
q＝εσT4
其中，q为热流，w/m2；ε为热流计表面涂层红外发射率，无量纲；σ为玻尔兹曼常数，5.67×10-8w/(m2·K4)；T为热流计实测温度，K。
参照图6，工况四中标定板加热器关，补偿板加热器开，红外灯开。工况四中预设的控温目标温度由卫星整个轨道周期内结构板表面温度的变化范围确定。
在记录每个热流计实测温度时，如下表4所示，还记录每个测温点的补偿板的热电偶实测温度。
表4
工况四是在工况三的基础上，以各平衡态红外灯阵的输出电流为基准对红外灯阵开环控制，同时根据卫星整个轨道周期内结构板表面温度的变化范围为输入，获取结构板温度在不同温度水平下对应热流计的温度，观察热流计温度的变化范围，最终折算成热流计吸收热流的变化量。如上表4所示，优选预设的控温目标温度依次调整为-10℃，0℃和10℃三档，记录每档的热流计实测温度，折算成热流计吸收热流的变化量。
参照图7至图11，卫星热平衡试验中红外灯阵热流标定装置，用于本发明的卫星热平衡试验中红外灯阵热流的标定，包括标定装置本体，标定装置本体包括红外灯阵标定板3、多层隔热组件4和补偿板5。
红外灯阵标定板3包括标定铝板31、由多个红外灯32组成的红外灯阵、热流计33、标定加热器34和标定测温热电偶，标定铝板31尺寸优选为1600mm×1000mm×1.5mm。标定铝板31正面喷涂有OSR代用涂层311。
参照图7，标定铝板31的正面设置有红外灯阵。红外灯阵中的红外灯32优选为25盏，25盏红外灯32均匀布置，且红外灯阵距离红外灯阵标定板3表面400mm，相邻两盏红外灯32之间的横向距离为400mm，纵向距离为250mm。红外灯阵中的每个红外灯32中心正前方设置一支热流计33，热流计33表面法向与红外灯阵面呈垂直状态。热流计33优选采用黑片式绝热型热流计33，热流计33背面与红外灯阵标定板3表面间距为10mm。标定加热器34优选为薄膜加热器。标定测温热电偶优选为T型热电偶。
参照图8，标定铝板31的背面贴装多个标定加热器34和标定测温热电偶，多个标定加热器34相互独立工作，实现独立控温。红外灯阵标定板3的背面均匀划分为25个区域，在每个区域均贴装有标定加热器34和标定测温热电偶。
红外灯阵标定板3的背面包覆多层隔热组件4，多层隔热组件4优选为20单元多层隔热组件4。多层隔热组件4的背面安装有补偿板5。
参照图9，补偿板5包括补偿铝板51、补偿加热器52和补偿测温热电偶，补偿铝板51的正面贴装多个补偿加热器52和补偿测温热电偶，多个补偿加热器52相互独立工作，实现独立控温。补偿板5正面均匀划分为32个区域，在每个区域均贴装有补偿加热器52和补偿测温热电偶。
参照图10和图11，标定装置本体外套设有玻璃钢套6，标定装置本体通过绝缘固定装置固定于吊具7上。绝缘固定装置包括螺钉71和螺母72，螺钉71分别穿过吊具7及标定装置本体，通过螺母72将标定装置本体锁紧于吊具上。如图2中所示，可以通过吊具7将本发明的红外灯阵热流标定装置固定在真空容器1的一侧内壁上。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种卫星热平衡试验中红外灯阵热流标定装置，包括标定装置本体，其特征在于，所述标定装置本体包括红外灯阵标定板、多层隔热组件和补偿板；
所述红外灯阵标定板包括标定铝板、由多个红外灯组成的红外灯阵、热流计、标定加热器和标定测温热电偶，所述标定铝板的正面设置有所述红外灯阵，所述红外灯阵中的每个所述红外灯中心正前方设置一支所述热流计，所述热流计表面法向与所述红外灯阵面呈垂直状态，所述标定铝板的背面贴装多个所述标定加热器和所述标定测温热电偶，多个所述标定加热器相互独立工作，实现独立控温；
所述红外灯阵标定板的背面包覆所述多层隔热组件，所述多层隔热组件的背面安装有所述补偿板，所述补偿板包括补偿铝板、补偿加热器和补偿测温热电偶，所述补偿铝板的正面贴装多个所述补偿加热器和所述补偿测温热电偶，多个所述补偿加热器相互独立工作，实现独立控温。
2.如权利要求1所述的卫星热平衡试验中红外灯阵热流标定装置，其特征在于，所述标定铝板尺寸为1600mm×1000mm×1.5mm；
所述标定铝板正面喷涂有OSR代用涂层；
所述多层隔热组件为20单元多层隔热组件。
3.如权利要求1所述的卫星热平衡试验中红外灯阵热流标定装置，其特征在于，所述红外灯阵中的所述红外灯为25盏，25盏所述红外灯均匀布置，且所述红外灯阵距离所述红外灯阵标定板表面400mm，相邻两盏所述红外灯之间的横向距离为400mm，纵向距离为250mm；
所述热流计采用黑片式绝热型热流计，所述热流计背面与所述红外灯阵标定板表面间距为10mm。
4.如权利要求3所述的卫星热平衡试验中红外灯阵热流标定装置，其特征在于，所述红外灯阵标定板的背面均匀划分为25个区域，在每个区域均贴装有所述标定加热器和所述标定测温热电偶。
5.如权利要求1至4中任意一项所述的卫星热平衡试验中红外灯阵热流标定装置，其特征在于，所述补偿板正面均匀划分为32个区域，在每个区域均贴装有所述补偿加热器和补偿测温热电偶。
6.如权利要求1所述的卫星热平衡试验中红外灯阵热流标定装置，其特征在于，所述标定装置本体外套设有玻璃钢套，所述标定装置本体通过绝缘固定装置固定于吊具上；
所述绝缘固定装置包括螺钉和螺母，所述螺钉分别穿过所述吊具及所述标定装置本体，通过所述螺母将所述标定装置本体锁紧于所述吊具上。
7.卫星热平衡试验中红外灯阵热流标定方法，其特征在于，包括采用权利要求1至6中任意一项所述的卫星热平衡试验中红外灯阵热流标定装置进行红外灯阵热流的标定，标定过程如下步骤：
1)关闭红外灯阵中的全部红外灯，根据预设的标定热流大小，对标定板进行均匀加热，使所述标定板内多个测温点温度数据一致并稳定，同时对补偿板进行跟踪所述标定板温度加热，记录每个测温点的所述标定板的热电偶实测温度；
2)关闭所述标定板的全部加热器，在预设的标定热流下，以步骤1)所述热电偶实测温度对所述红外灯进行闭环控温，所述标定板吸收热流与步骤1)使用所述加热器单独加热时相同，使所述标定板内多个测温点温度稳定，同时对所述补偿板进行跟踪所述标定板温度加热，记录每个热流计实测温度；
3)在预设的标定热流下，以步骤2)记录的所述热流计实测温度对所述红外灯进行闭环控温，使所述标定板内多个测温点温度稳定，同时对所述补偿板进行跟踪所述标定板温度加热，记录每个热流计实测温度和所述红外灯阵的电流电压；
4)待步骤3)温度稳定后，将所述红外灯阵按稳态平均功率进行开环控制，以步骤3)记录的所述热流计实测温度，保证所述红外灯施加热流保持不变，根据预设的控温目标温度，使用标定板的加热器对热电偶进行闭环控温，使所述标定板内多个测温点温度稳定，同时对所述补偿板进行跟踪所述标定板温度加热，记录热流计实测温度，所述控温目标温度为多个，致使得到不同温度水平下对应所述热流计实测温度，根据所述热流计实测温度的变化范围，折算成热流计吸收热流的变化量。
8.如权利要求7所述的卫星热平衡试验中红外灯阵热流标定方法，其特征在于，步骤4)中，预设的控温目标温度由卫星整个轨道周期内结构板表面温度的变化范围确定。
9.如权利要求8所述的卫星热平衡试验中红外灯阵热流标定方法，其特征在于，预设的控温目标温度依次调整为-10℃，0℃和10℃三档，记录每档的所述热流计实测温度。
10.如权利要求7所述的卫星热平衡试验中红外灯阵热流标定方法，其特征在于，在步骤1)之前，还包括：
将所述红外灯阵热流标定装置置于真空容器内，将所述真空容器抽真空，当真空度抽至预设阈值以下，热沉开始通液氮，最终整个热沉温度稳定在预设温度以下，真空度稳定在预设真空度以下，基于建立的稳定环境，开始红外灯阵热流的标定。
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