CN112213137A - 一种基于真空热试验的航天器表面热流非接触测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于真空热试验的航天器表面热流非接触测量方法，用以解决现有技术中非接触式热流测量不准确的问题。所述非接触测量方法在被测表面划分成若干被加热分区基础上，计算每个被加热分区的积分平均热流位置，再根据积分平均热流位置选取热流计的布置数量和安装位置及热流计与被测表面的空间距离，通过支架安装热流计，对真空热试验中航天器被测表面的热流进行测量，并根据每个热流计所测量的热流计算平均热流及平均温度，以平均热流及平均温度的均方根值作为测量结果。本发明热流计不需与航天器表面接触，准确测量到达航天器表面的热流，适用于真空热试验中不能安装固定热流计的航天器表面，提高航天器真空热试验的有效性。

Description

一种基于真空热试验的航天器表面热流非接触测量方法

技术领域

本发明属于航天器真空热试验领域，具体涉及一种基于真空热试验的航天器表面热流非接触测量方法，用于热流计安装面与被测表面不共面情况下的热流测量。

背景技术

航天器使用前，需要通过真空热模拟试验进行性能测试。真空热试验时为了模拟航天器在轨外热流，需要用加热笼、红外灯阵或加热板对航天器表面进行加热，来模拟航天器在轨运行时接收到或吸收的太阳辐照、地球辐照等外热流，为了准确模拟航天器表面的热流分布，需要进行热流测量，试验过程中要用热流计来测量航天器表面的到达热流。

现有技术中，真空热试验时热流计一般安装在航天器表面，使安装面与航天器表面共面，一般采用黑片热流计，通常将黑片热流计固定安装在航天器表面进行热流测量，如图1所示。当航天器表面的特性或结构不允许安装固定热流计时，则无法进行热流计的安装，只能通过安装支架的方式，进行非接触测量。但是，真空热试验时本身就存在整个被加热面上到达热流密度分布不均匀的现象；在非接触测量中，对于同一个加热分区，热流计安装面与被测表面不共面时，两面间存在安装距离，从而造成测量误差，因此，热流计的安装位置及布置数量都会影响到热流模拟的准确度。目前采用支架安装热流计进行非接触测量时，并未充分考虑上述影响测量准确度的因素，无法保证热流模拟的准确性。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明旨在提供一种基于真空热试验的航天器表面热流非接触测量方法，在非接触测量中将热流计与被测表面的距离、热流计的安装位置及可调性、热流计的有效布置数量的影响计入热流测量的过程中，获得更加准确的热流值，提高航天器真空热试验的有效性。

为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：

本发明实施例提供了一种基于真空热试验的航天器表面热流非接触测量方法，所述非接触测量方法包括如下步骤：

步骤S1，根据真空热试验要求将航天器被测表面划分成若干被加热分区；

步骤S2，根据航天器被测表面和、真空热试验的外热流模拟装置的位置关系及热流模拟参数，计算每个被加热分区的积分平均热流位置；

步骤S3，根据所述积分平均热流位置、航天器被测表面特性及热流模拟参数，在航天器被测表面选取热流计的布置数量和测量位置；

步骤S4，在外热流模拟装置上安装支架，支架一端活动连接于所述外热流模拟装置，另一端安装热流计，使热流计位于选取的航天器被测表面测量位置处；

步骤S5，在支架上安装热流计，所述热流计与被测表面具有预设空间距离，并对支架进行微调完成热流计安装；

步骤S6，通过安装完成的热流计，对真空热试验中航天器被测表面的热流进行测量，并根据每个热流计所测量的热流计算平均热流及平均温度，以平均热流及平均温度的均方根值作为测量结果。

上述方案中，所述步骤S2中计算每个被加热分区的积分平均热流位置，通过Matlab软件计算热流在不同尺寸的被加热分区的分布，再根据每个被加热分区的热流分布，进行积分计算，获得平均热流位置。

上述方案中，所述真空热试验采用红外加热阵作为加热源；

采用Matlab软件计算时，输入红外加热阵尺寸、被加热表面尺寸、红外加热阵与被加热表面距离，积分平均热流位置在加热分区中心向半径以外扩展的3/4处。

上述方案中，步骤S3中，每个被加热分区的有效热流计布置数量为2～4个，且均匀分布在积分平均热流位置处。

上述方案中，步骤S4中所述预设微调距离为20mm或50mm。

上述方案中，步骤S5热流计与被测表面间的预设空间距离d不大于20mm。

上述方案中，所述步骤S6中平均热流及平均温度的计算过程如下：

由于热流Q＝εσAT⁴，n个有效热流计的平均值为：

换算后的温度平均值为：

式(3)中，Q为热流计的热流值，ε为热流计敏感面的发射率，σ为玻尔兹曼常数，A为热流计表面积，T为热流计敏感面温度。

本发明具有如下有益效果：

本发明实施例基于真空热试验的航天器表面热流非接触测量方法，热流计不需与航天器表面接触，通过有效设置热流计的数量、位置及与被测表面的距离，充分考虑对热流测量影响较大的因素并计入测量过程中，准确测量到达航天器表面的热流，适用于真空热试验中不能安装固定热流计的航天器表面，获得更加准确的热流值，提高航天器真空热试验的有效性。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为现有技术中基于真空热试验的航天器表面热流接触式测量原理示意图；

图2为本发明实施方式中基于真空热试验的航天器表面热流非接触测量原理示意图；

图3为本发明实施方式中基于真空热试验的航天器表面热流非接触测量方法流程图；

图4为本发明实施方式中热流在航天器表面矩形加热分区的分布示意图；

图5为本发明实施方式中热流在航天器表面某方形加热分区的分布示意图。

附图标记说明：

1-外热流模拟装置；2-热流计；3-被测表面；4-航天器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明针对真空热试验中航天器表面无法安装热流计时的热流测量，提出了一种基于真空热试验的航天器表面热流非接触测量方法，如图2所示，通过热流计支架将热流计安装在平行航天器被测表面的相对位置上，并分析非接触测量中对热流模拟准确度的影响因素，通过仿真分析得到最优的热流计测量方法，对热流计的安装位置和布置数量、热流计测量结果的数据统计以及热流计固定点进行优化，选择合适参数使热流测量接近真实值。本发明热流计不需与航天器表面接触，准确测量到达航天器表面的热流，适用于真空热试验中不能安装固定热流计的航天器表面，对直接安装热流计的航天器表面热流测量也具有借鉴意义。

图3示出了本发明实施方式提供的基于真空热试验的航天器表面热流非接触测量方法流程。如图3所示，所述非接触测量方法包括如下步骤：

步骤S1，根据真空热试验要求将航天器被测表面划分成若干被加热分区。

在真空热试验中，航天器表面是通过红外加热笼、红外灯阵或加热板进行热流模拟的，由于结构和空间条件的限制，利用红外加热阵作为热平衡试验的外热流模拟手段时，往往存在整个被加热面上到达热流密度分布不均匀的现象，尤其在被加热面的边缘位置，热流密度的不均匀性表现更加明显，这种热流密度的不均匀会导致整个加热区上的到达总能量与试验要求差别较大，从而造成过试验或欠试验的现象。本步骤通过对被测表面的分区，减小整个加热区域不均匀带来的测量误差。

划分的被加热分区的大小及数量，根据真空热试验的热流模拟参数及航天器被测表面的形状、结构进行确定，不同的情况有不同的划分方式。

步骤S2，根据航天器被测表面和真空热试验的外热流模拟装置的位置关系、及热流模拟参数，计算每个被加热分区的积分平均热流位置。

本步骤中，继续减小因加热面上到达热流密度分布不均匀而带来的测量误差。在步骤S1划分被测分区后，每个加热分区到达的热流也是不均匀的，本步骤通过每个被加热分区的积分平均热流位置，则该位置上测量的热流为该分区的平均热流，可有效减小测量误差。

优选地，所述计算每个被加热分区的积分平均热流位置，通过Matlab软件计算热流在不同尺寸的被加热分区的分布，再根据每个被加热分区的热流分布，进行积分计算，获得平均热流位置。本实施例中，如图4和图5所示，以红外加热阵进行加热为例，采用Matlab软件计算时，输入红外加热阵尺寸、被加热表面尺寸、红外加热阵与被加热表面距离等参数后，积分平均热流位置约在加热分区中心向半径以外扩展的3/4处。由于积分平均热流位置，与外热流模拟装置的位置及工作参数相关，因此，当模拟参数改变时，要重新计算积分平均热流位置。

所述采用Matlab软件计算被加热分区积分平均热流位置，根据蒙特卡罗法的基本原理建立数学模型，通过几何关系计算出红外加热阵上发出的能量粒子到达航天器被测表面所在平面各个位置的坐标，根据这个交点坐标判断该粒子是否落在航天器表面上，当发射的粒子足够多时，则可用落在航天器表面上网格内粒子数的多少形象地表示航天器表面的热流密度相对值，从而通过Matlab软件进行仿真计算。

步骤S3，根据所述积分平均热流位置、航天器被测表面特性及热流模拟参数，在航天器被测表面选取热流计的布置数量和测量位置。

本步骤中，虽然热流计布置数量越多测量越准确，但热流计的布置数量过多也会对加热分区形成遮挡，成本也越高。优选地，按照被加热分区的面积大小，每个被加热分区的有效热流计布置数量一般为2～4个，均匀分布在积分平均热流位置处。

步骤S4，在外热流模拟装置上安装支架，支架一端活动连接于所述外热流模拟装置，另一端安装热流计，使热流计位于选取的航天器被测表面测量位置处，所述支架与被测表面间具有预设微调距离。

本步骤中，在外热流模拟装置上安装支架通过支架与外热流模拟装置的活动连接实现。通过支架实现热流计在平面内水平或垂直方向的调节、以及在平面法线方向上的距离调节。

如图2所示，所述预设微调距离d根据航天器被测表面形状、结构、被加热分区尺寸和面积及真空热试验模拟参数进行确定。优选地，所述预设微调距离为20mm或50mm。

步骤S5，在支架上安装热流计，所述热流计与被测表面具有预设距离，并对支架进行微调完成热流计安装。

优选地，本步骤中，所述热流计采用黑片热流计。在以下的说明的，均以黑片热流计为例进行说明，但是本发明并不局限于使用黑片热流计，还可以使用方煲型或其他辐射热流计进行热流测量。

所述黑片热流计上有敏感片，装有敏感片的一侧为感温面。敏感片直径为30mm±1mm，记其面积为A，敏感片下埋有热电偶，测量敏感片温度，记为T_g,则热流计测得的热流密度为：

其中q_g为热流密度，单位为(W/m²),f(T_g)为已知函数,通过测得的敏感片温度间接算出热流密度。Q_g为红外加热阵所发射的被敏感片接收到的热流，单位为(W)，直接决定于红外加热阵发射的辐射热流Qo和红外加热阵对敏感片的视角系数(简称角系数)Fo_g,如式(2)：

Q_g＝Q_oF_og (2)

式(2)中，红外加热阵辐射热流Qo是固定值，不受热流计安装位置影响。

本步骤中所述热流计与被测表面的距离根据试验条件进行确定，优选地，所述预设距离不大于15mm或20mm。例如，当采用20mm时，通过仿真计算测量误差小于2％。

步骤S6，通过安装完成的热流计，对真空热试验中航天器被测表面的热流进行测量，并根据每个热流计所测量的热流计算平均热流及平均温度，以热流计的均方根值为测量结果。

本步骤中，真空热试验时，航天器被测表面的每个加热分区中所安装的热流计具有不同的功能，按功能对热流进行分类，包括测量背景热流的热流计、测量积分平均热流的热流计、测量最高热流和最低热流的热流计。安装在积分平均热流位置的热流计均为有效热流计。

由于热流Q＝εσAT⁴，n个有效热流计的平均值为：

式(3)中，Q为热流计的热流值，ε为热流计敏感面的发射率，σ为玻尔兹曼常数，A为热流计表面积，T为热流计敏感面温度。

换算后的温度平均值为：

每个加热分区的实际温度以有效热流计的四次均方根值为测量结果，从而减小测量误差。

以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (7)

1.一种基于真空热试验的航天器表面热流非接触测量方法，其特征在于，所述非接触测量方法包括如下步骤：

步骤S1，根据真空热试验要求将航天器被测表面划分成若干被加热分区；

步骤S2，根据航天器被测表面、真空热试验的外热流模拟装置的位置关系及热流模拟参数，计算每个被加热分区的积分平均热流位置；

步骤S3，根据所述积分平均热流位置、航天器被测表面特性及热流模拟参数，在航天器被测表面选取热流计的布置数量和测量位置；

步骤S4，在外热流模拟装置上安装支架，支架一端活动连接于所述外热流模拟装置，另一端安装热流计，使热流计位于选取的航天器被测表面测量位置处；

步骤S5，在支架上安装热流计，所述热流计与被测表面具有预设空间距离，并对支架进行微调完成热流计安装；

步骤S6，通过安装完成的热流计，对真空热试验中航天器被测表面的热流进行测量，并根据每个热流计所测量的热流计算平均热流及平均温度，以平均热流及平均温度的均方根值作为测量结果。

2.根据权利要求1所述的航天器表面热流非接触测量方法，其特征在于，所述步骤S2中计算每个被加热分区的积分平均热流位置，通过Matlab软件计算热流在不同尺寸的被加热分区的分布，再根据每个被加热分区的热流分布，进行积分计算，获得平均热流位置。

3.根据权利要求2所述的航天器表面热流非接触测量方法，其特征在于，

所述真空热试验采用红外加热阵作为加热源；

采用Matlab软件计算时，输入红外加热阵尺寸、被加热表面尺寸、红外加热阵与被加热表面距离，积分平均热流位置在加热分区中心向半径以外扩展的3/4处。

4.根据权利要求1所述的航天器表面热流非接触测量方法，其特征在于，步骤S3中，每个被加热分区的有效热流计布置数量为2～4个，且均匀分布在积分平均热流位置处。

5.根据权利要求1所述的航天器表面热流非接触测量方法，其特征在于，步骤S4中所述支架与被测表面间具有预设微调距离，且所述预设微调距离为20mm或50mm。

6.根据权利要求1所述的航天器表面热流非接触测量方法，其特征在于，步骤S5热流计与被测表面间的预设空间距离d不大于20mm。

7.根据权利要求1所述的航天器表面热流非接触测量方法，其特征在于，所述步骤S6中平均热流及平均温度的计算过程如下：

由于热流Q＝εσAT⁴，n个有效热流计的平均值为：

换算后的温度平均值为：

式(3)中，Q为热流计的热流值，ε为热流计敏感面的发射率，σ为玻尔兹曼常数，A为热流计表面积，T为热流计敏感面温度。

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