CN209102650U - 一种适用于空间环境试验的大辐射热流加热装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公布了一种适用于空间环境试验的大辐射热流加热装置，其特点在于：在高真空环境下，采用镜面反射原理进行隔热，热效率最高可达90％，最大辐射热流强度可达3000kw/㎡。该装置可以用于模拟大辐射热流强度，对试件进行快速加热，以验证材料的耐高温、热冲击、热疲劳以及在特殊环境下的其它力学性能测试。本实用新型的特殊隔热方式的热效率远远高于传统的隔热方式，简化了设备的设计，节约能源；该装置还可用于真空放点试验、大量程辐射型热流计的校对等。
Description
技术领域
本发明设计服务于航空、航天领域，主要针对航空、航天材料在以真空为主的特殊环境下的性能测试，包括耐高温、热冲击、热疲劳以及在高温或特殊气氛环境下的其他力学性能测试等。
背景技术
每种新型航空、航天材料面世后，都必须进行各方面的性能测试，以保证航空、航天飞行器设计的可靠性和安全性。
航天飞行器在飞出大气层以后，会直接面对太阳强大的辐射热流，温度会迅速上升；材料是否能承受相应的高温及热冲击，事先必须在相关环境模拟设备里进行试验。
传统的高温环境模拟设备一般采用全金属隔热屏、夹层式隔热屏、石墨毡隔热屏或混合毡隔热屏等方式，而这些隔热方式的最高热效率也不足40％，在这种情况下要模拟太阳的辐射热流环境，就会给设备的设计带来极大困难，而且能源损耗巨大。
发明内容
本发明是一种适用于空间环境试验的大辐射热流加热装置，与传统加热装置相比，其特点在于：在高真空环境下最高热效率可达90％、最大辐射热流强度可达3000kw/㎡，可以模拟航天飞行器面对的太阳辐射热流环境、还可用于真空放点试验、大量程辐射型热流计的校对等。
本发明的隔热方式采用镜面反射原理。在高真空环境下，热量的传导方式主要以辐射为主。
采用紫铜或铝合金等热导率较高的金属材料经镜面处理后镀金的方法，反射率最高可达90％；也可以选择镀其它高反射率涂层。
根据辐射热流强度来选择发热体的材质，辐射热流强度越大，发热体温度越高；发热体材质可以是金属(如钨、钼等)，也可以是石墨。
为了达到好的辐射及加热效果，发热体尽量采用片状设计，在满足强度要求的前提下，尽可能设计薄一些。
当辐射热流强度达到3000kw/㎡左右时，发热体本体温度在2500℃—2800℃之间，最好选用综合性能较高的等静压石墨材料。
该装置在高真空环境下工作，与反射板连接的金属软管采用真空密封设计。
主反射板上安装有热电偶，用于测量反射板的温度，以免镀层遭到损坏。
该装置最快可以在60s以内将试件温度升至1500℃，因此在试件上安装有测温热电偶用于加热控制，以免试件损坏或影响其它部件。
附图说明
图1是本发明适用于空间环境试验的大辐射热流加热装置的主体结构图。
图2是本发明适用于空间环境试验的大辐射热流加热装置的发热体结构设计图。
图3是本发明适用于空间环境试验的大辐射热流加热装置的主反射板结构设计图。
具体实施方式
本发明是一种适用于空间环境试验的超大辐射热流加热装置，其特点在于：在高真空环境下，采用镜面反射原理进行隔热，热效率最高可达90％，最大辐射热流强度可达3000kw/ ㎡。
针对大辐射热流强度及快速升温试验，该装置可以在真空环境下以高电压、低电流方式进行加热，最大加热电压可达400V(直流)，以简化电极结构设计；真空度越高，可加载的电压越高；真空度越低，可加载的电压越低；如果真空度和加载电压不匹配，将产生放点现象；
该加热装置主要包括：发热体(1)、主反射板(2)、电极杆(4)、底水冷板(14)、吸热板(15)、试件(16)、侧反射板(17)等。
主反射板(2)与底水冷板(14)、侧反射板(17)通过连接件(18)和螺钉(19) 组合成一个封闭的加热室，发热体(1)通过电极杆(4)、耐高温绝缘件(7)、螺母2(8)、螺母3(9)安装在主反射板(2)上；主反射板(2)上安装热电偶1(3)；试件(16)上安装热电偶2(11)；加热室内安装热流计(13)，其吸热面正对发热体(1)。
电极杆(4)上通过螺母1(5)安装有连接板(6)，用于和电流导线连接。
根据所要求的辐射热流强度及试件(16)的温度来选择发热体(1)的材质，辐射热流强度越大、试件(16)的温度越高，发热体(1)的温度越高；发热体(1)的材质可以是金属(如钨、钼等)，也可以是石墨。
为了达到好的辐射及加热效果，发热体(1)尽量采用片状设计，在满足强度要求的前提下，尽可能设计薄一些。
当辐射热流强度达到3000kw/㎡左右时，发热体(1)的温度在2500℃—2800℃之间, 优先选用综合性能较高的等静压石墨材料，设计厚度3-5mm左右，结构如图2所示。
主反射板(2)采用真空密封设计，其主板(2A)优先采用工业纯铝材料制作，其优点在于机加工性能好、热导率较高、可焊性好；紫铜的热导率虽然比工业纯铝高的多，但紫铜密度太大，成本会更高。
主板(2A)上有冷却水水道，采用串联设计。相邻水道串接如图3中A-A剖视图所示，通过盖板(2B)和O形密封圈(2D)密封，用螺钉(2C)固定；端部钻孔采用旋入式堵头(2E)和O形密封圈(2F)密封，如图3中B-B剖视图所示。
主板(2A)通冷却水的目的在于，虽然大部分热流被反射，但其还是吸收了部分热量，为了保证热量不会继续累积致使主板(2A)温度升高而破环镀层，通过冷却水把吸收的热量及时散走。
主板(2A)上安装有热电偶1(3)，当其温度超过设定值时，应降低加热功率或停止加热，以免损坏镀层。
水道密封也可以采用焊接方式，但经实践证明，热导率较高的材料，因散热较快，真空密封焊接困难，不如采用密封圈密封可靠。
主板(2A)的A面经镜面处理后镀金，反射率最高可达90％；随着试验的进行，在高温下受到一些挥发性气体或尘埃污染，反射率会逐步降低，因此在下一次试验前，需要对其进行清洁。
主板(2A)的A面也可以根据相关试验要求，选对其它金属涂层，如银、铬等。
主反射板(2)上的旋入式接头(2G)通过O形密封圈(2H)与主板(2A)连接。
侧反射板(17)的结构设计与主反射板(2)类似，鉴于侧反射板(17)受到发热体(1)的辐射要小的多，因此其材料选择在参数上可以适当低一些。
底水冷板(14)的结构设计与主反射板(2)类似，但无需加工镜面反射面；吸热板(15)根据实验要求选择材料，当辐射热流在3000℃左右时，建议选择高质量石墨硬毡材料。
针对大辐射热流强度及快速升温试验，试件(16)在1分钟内温度将会上升到1500℃左右，因此在试件(16)上安装热电偶2(11)，用于温度可控。
用于固定吸热板(15)和试件(16)的螺钉(10)，固定热流计(13)的螺钉(12)，根据试验的热流辐射强度及试件(16)的温度选择相应材料。
该装置的试验环境(真空度)、温度、辐射热流强度、加热功率等通过电控系统自动控制并程序互锁，以免对设备及装置造成破坏。
Claims (2)
1.一种适用于空间环境试验的大辐射热流加热装置，其特征是：该加热装置主要包括发热体(1)、主反射板(2)、电极杆(4)、底水冷板(14)、吸热板(15)、试件(16)、侧反射板(17)；
主反射板(2)与底水冷板(14)、侧反射板(17)通过连接件(18)和螺钉(19)组合成一个封闭的加热室；发热体(1)位于主反射板(2)和试件(16)之间，通过电极杆(4)、耐高温绝缘件(7)、螺母2(8)、螺母3(9)安装在主反射板(2)上；主反射板(2)上安装热电偶1(3)；试件(16)上安装热电偶2(11)；加热室内安装热流计(13)，其吸热面正对发热体(1)。
2.根据权利要求1所述的一种适用于空间环境试验的大辐射热流加热装置，其特征在于：主反射板(2)和侧反射板(17)采用热导率较高的金属材料制作，中间通冷却水；反射面进行镜面处理后镀高反射率金属涂层；主反射板(2)和发热体(1)的形状与试件(16)一致，可以是平面或曲面。
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