熱真空環(huán)境下使用的瞬態(tài)熱流計及熱流測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種真空熱環(huán)境下使用的瞬態(tài)輻射熱流計，包括腔壁溫度恒定的等溫腔體，等溫腔體的開口上方覆蓋有金屬箔片，金屬箔片上下表面的至少一側上涂覆有絕緣層，絕緣層上方通過鍍膜法交錯設置有銅層和鎳層，銅層與鎳層之間形成結合界面，金屬箔片的上下表面分別涂覆發(fā)射率不同的兩種材料，兩種材料直接涂覆在金屬箔片上或者涂覆在銅層和鎳層上，金屬箔片上表面的涂層一、涂層二分別對應于金屬箔片下表面的涂層二和涂層一，兩端的銅層外側分別連接有引線，等溫腔體的外側設置有測量其溫度的溫度傳感器。也公開了使用該熱流計進行的瞬態(tài)熱流測量的方法。本發(fā)明可以快速、準確測量瞬態(tài)熱流隨時間變化的大小，滿足航天器瞬態(tài)外熱流試驗的需求。
【專利說明】熱真空環(huán)境下使用的瞬態(tài)熱流計及熱流測量方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于航天器環(huán)境試驗領域，具體來說，本發(fā)明涉及一種測量加熱器瞬態(tài)熱 流的測試裝置。此外，還提出了一種利用該測試裝置的熱流測試方法。
【背景技術】
[0002] 航天器熱平衡試驗時，對瞬態(tài)熱流測量要求嚴格，比如著陸器環(huán)月高溫周期性瞬 態(tài)工況、動力下降、月面初始化、巡視器分離等工況均是瞬態(tài)工況；巡視器月食工況、和月面 感知、移動、探測模式均是瞬態(tài)工況。但是現在由于沒有成熟的瞬態(tài)熱流測量技術手段，因 此都是采取標定的形式進行，存在誤差。航天器熱試驗過程中，用紅外手段模擬外熱流時， 需要采用熱流計測量到達星表或者被星表吸收的熱流密度大小，測量穩(wěn)態(tài)外熱流時一般采 用黑片絕熱型熱流計或熱屏等溫型熱流計，但是測量瞬態(tài)外熱流時，還沒有一種能夠準確 迅速測量熱流密度的熱流計。
[0003] 現有的航天器熱試驗瞬態(tài)工況一般采取標定的方式，即標定出電流和熱流計溫度 的關系，進行瞬態(tài)工況時，直接施加電流。現在的熱試驗中，還沒有一種瞬態(tài)特性很好的瞬 態(tài)熱流計在試驗中使用?，F在已有的熱容法瞬態(tài)熱流計響應時間慢，動態(tài)響應達30s,無法 跟蹤變化速率過大的熱流，而且精度較差。
[0004] 對于熱真空環(huán)境下瞬態(tài)熱流測量主要有以下幾種：
[0005] 1)測量敏感片上下兩側的溫差，根據熱流與溫差的正比例關系得到熱流大小。
[0006] 2)測量敏感片溫度升高幅值，根據比熱容與溫升的乘積關系獲得熱流大小。
[0007] 3)測量圓形敏感片周圍與中心的溫差，根據熱流與溫差的正比例關系得到熱流的 大小。
[0008] 以上幾種測量瞬態(tài)熱流的方法存在不足，第一種方法中溫差變化快慢與敏感片的 比熱容大小、表面輻射傳熱系數有關，一般情況下，敏感片比熱容較大、表面輻射傳熱系數 較小，溫差變化很難達到10S以下，因此，采用第一種方法作為測量瞬態(tài)熱流的方法很難滿 足要求。第二種方法的溫升也受制于敏感片的比熱容，即使對溫度求導數計算，也難滿足瞬 態(tài)熱流變化較大的熱流測量。第三種方法在使用過程中雖然響應時間較快，但是其邊界溫 度很難維持，特別是在熱真空環(huán)境下使用，其難度較大。因此，為了解決現有測量瞬態(tài)熱流 計所存在的不足，提出本發(fā)明。
【發(fā)明內容】
[0009] 本發(fā)明解決的技術問題提供一種動態(tài)響應時間快、結構緊湊、精度高的瞬態(tài)熱流 計，并應用于航天器的真空熱試驗中。本發(fā)明能夠顯著縮短響應時間并得到高精度瞬態(tài)熱 流計測量結果，為航天器的真空熱試驗提供技術保障。
[0010] 為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案如下：
[0011] 一種熱真空環(huán)境下使用的瞬態(tài)熱流計，包括腔壁溫度恒定的等溫腔體，等溫腔體 內保持真空環(huán)境，等溫腔體的開口上方覆蓋有金屬箔片，金屬箔片上下表面的至少一側上 涂覆有絕緣層，絕緣層上方通過鍍膜法交錯設置有銅層和鎳層，銅層與鎳層之間形成結合 界面，金屬箔片的上下表面分別涂覆發(fā)射率不同的兩種材料，兩種材料直接涂覆在金屬箔 片上或者涂覆在銅層和鎳層上，發(fā)射率不同的兩種材料在銅層和鎳層上交錯形成發(fā)射率不 同的涂層一和涂層二，涂層一和涂層二之間也形成結合界面，分別覆蓋銅層與鎳層的結合 界面并以對應位置的結合界面為對稱線對稱分布，金屬箔片上表面的涂層一、涂層二分別 對應于金屬箔片下表面的涂層二和涂層一，其中，兩端的銅層外側分別連接有引線，等溫腔 體的外側設置有測量其溫度的溫度傳感器。
[0012] 進一步地，引線連接有電勢采集裝置；
[0013] 進一步地，所述金屬箔片為不銹鋼箔或銅箔或鋁箔；
[0014] 進一步地，所述鍍膜法包括磁控濺射鍍膜、離子束鍍膜、射頻鍍膜；
[0015] 進一步地，所述涂覆包括黑漆（S721-SR107等）、白漆（S781等）、灰漆（S956灰 漆）等高吸收率的材料，金屬漆（S781鋁粉漆）等低發(fā)射率材料。
[0016] 其中，兩種材料之一為黑漆、白漆或灰漆；另一種為鋁粉漆。
[0017] 其中，等溫腔體的材料包括鋁、銅、銀或其合金。
[0018] 其中，金屬箔片的上下表面一側上設置有絕緣層，一側上未設絕緣層。
[0019] 一種利用上述瞬態(tài)熱流計測量熱流的方法，包括如下步驟：
[0020] 1)首先進行瞬態(tài)熱流計的標定工作，標定熱流計時，先將等溫盒去除，將瞬態(tài)熱流 計中的帶有鍍膜、涂層的金屬箔片兩側分別正對兩個黑體腔的出口，分別距離黑體腔出口 1 ?5mm ;
[0021] 2)將瞬態(tài)熱流計引出的兩銅線分別接入電勢采集裝置的正負極；
[0022] 3)測量黑體腔一和黑體腔二的溫度分別為TJPT2，電勢采集裝置的輸出電勢為u ; 調整黑體腔一和黑體腔二的溫度分別為1^、T2ii，獲得不同的電勢Ui，根據最小二乘法擬合 獲得電勢與黑體腔一、黑體腔二溫度的關系式I? = K · u+T24,其中系數K采用最小二乘法 對數據Λ Τ2, Λ Ui擬合得到，完成標定工作；
[0023] 4)將瞬態(tài)熱流計放入被測環(huán)境內，引出銅線接入電勢采集裝置，電勢采集裝置、等 溫盒的溫度傳感器也電連接到數據采集設備；
[0024] 5)測量時獲得銅線間的電勢為u，等溫盒的溫度為Td ;
[0025] 6)則瞬態(tài)熱流 q 為 q = 5. 67 X (K · u+Td4) X 1〇Λ
[0026] 本發(fā)明解決了現有熱流計無法應用于航天器瞬態(tài)熱流試驗中問題，可以快速準確 測量加熱器的外熱流大小，加熱器可以根據測量得到的外熱流大小迅速調整加熱功率，真 實模擬航天器所受外熱流情況，滿足航天器熱試驗需求，有助于提高航天器熱設計準確性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027] 圖1是本發(fā)明的瞬態(tài)熱流計的結構示意圖；
[0028] 圖中，1、涂層一；2、銅層；3、涂層二；4、鎳層；5、絕緣層；6、金屬箔；7、等溫腔體。
[0029] 圖2是本發(fā)明的瞬態(tài)熱流計中敏感片的結構示意圖；
[0030] 其中，金屬箔片制成的敏感片包括金屬箔片及箔片上下涂覆的涂層。
[0031] 圖3是本發(fā)明的瞬態(tài)熱流計在標定狀態(tài)下的示意圖。
【具體實施方式】
[0032] 以下參照附圖對本發(fā)明的真空熱環(huán)境下使用的瞬態(tài)熱流計的結構進行詳細說明， 但該描述僅僅示例性的，并不旨在對本發(fā)明的保護范圍進行任何限制。
[0033] 實施例1金屬箔片為銅箔，箔片的h下表面層詢設置有絕緣層
[0034] 參照圖1，圖1是本發(fā)明的瞬態(tài)熱流計的結構示意圖。其中，本發(fā)明的一種熱真空 環(huán)境下使用的瞬態(tài)熱流計，包括腔壁溫度均勻的等溫腔體7,等溫腔體7內噴涂高發(fā)射率涂 層，等溫腔體的開口上方覆蓋有金屬箔片6,金屬箔片6上下表面上涂覆有絕緣層5,絕緣層 5上方通過鍍膜法交錯設置有銅層和鎳層，銅層2與鎳層4之間形成結合界面，金屬箔片的 上下表面分別涂覆發(fā)射率不同的兩種材料，兩種材料直接涂覆在金屬箔片上或者涂覆在銅 層2和鎳層4上，發(fā)射率不同的兩種材料在銅層2和鎳層4上交錯形成發(fā)射率不同的涂層 一 1和涂層二3,涂層一 1和涂層二3之間也形成結合界面，分別覆蓋銅層2與鎳層4的結 合界面并以對應位置的結合界面為對稱線對稱分布，金屬箔片上表面的涂層一 1、涂層二分 3別對應于金屬箔片下表面的涂層二3和涂層一 1，其中，兩端的銅層2外側分別連接有引 線，引線連接有電勢采集裝置，等溫腔體（等溫盒7)的外側設置有測量其溫度的溫度傳感 器。
[0035] 圖2為本發(fā)明的瞬態(tài)熱流計中敏感片的結構示意圖；敏感片正反面分別間隔噴涂 的發(fā)射率涂層滿足一定的關系，圖1中1區(qū)域為正面吸收率為a，反面3區(qū)吸收率為b，正面 3區(qū)域吸收率為b，反面1區(qū)域吸收率為a，則需滿足a尹b，若a?b或a〈〈b則更合適。正 面反面1區(qū)域表面涂黑漆（S721-SR107等）、白漆（S781等）、灰漆（S956灰漆）等高吸收 率的材料，3區(qū)域可涂金屬漆（S781鋁粉漆）。
[0036] 實施例2金屬箔片為不銹鋼箔，箔片的h表面層設置有絕緣層
[0037] 在另一實施方式中，金屬箔片為厚度1mm的不銹鋼箔，箔片的一側上可設置絕緣 層5,而另一相對的側面上不設置絕緣層。在設置絕緣層的一側表面，通過鍍膜法交錯設置 有銅層2和鎳層4,銅層2與鎳層4之間形成結合界面。金屬箔片6的上下表面分別涂覆發(fā) 射率不同的兩種材料，無絕緣層的一側直接涂覆在金屬箔片上，有絕緣層一側涂覆在銅層 和鎳層上。有絕緣層一側，發(fā)射率不同的兩種材料在銅層和鎳層上交錯形成發(fā)射率不同的 涂層一和涂層二，涂層一 1和涂層二3之間也形成結合界面，分別覆蓋銅層2與鎳層4的結 合界面并以對應位置的結合界面為對稱線對稱分布，金屬箔片上無絕緣層一側的涂層一 1、 涂層二3分別對應于金屬箔片有絕緣層側的涂層二和涂層一，其中，兩端的銅層外側分別 連接有引線，引線連接有電勢采集裝置，等溫腔體（等溫盒7)的外側設置有測量其溫度的 溫度傳感器。圖3是本發(fā)明的瞬態(tài)熱流計在標定狀態(tài)下的示意圖。
[0038] 測試實施例：采用實施例1和2的測量裝置測量熱流。
[0039] 采用上述測量裝置測量瞬態(tài)熱流的過程如下：
[0040] 1)在敏感片背面設置等溫盒，要求完全遮蓋敏感片背面，且等溫罩內外表面均涂 有高發(fā)射率（吸收率）材料，如黑漆、白漆等，等溫罩材料由金屬制作。在等溫罩上布置溫 度傳感器測量其溫度。
[0041] 2)首先進行熱流計的標定工作。標定熱流計時，先將等溫盒去除，將敏感片（帶有 鍍膜、涂層的金屬箔）兩側分別正對兩個黑體腔的出口，分別距離黑體腔出口 1?5mm ;
[0042] 3)將熱流計引出的兩銅線分別接入電勢采集設備正負極；
[0043] 4)黑體腔1和黑體腔2的溫度分別為?\和T2，電勢采集設備輸出電勢為u ;調整 黑體腔1和黑體腔2的溫度，獲得不同的電勢u，擬合獲得u、黑體腔1溫度、黑體腔2溫度 的關系式，形式為?\ 4 = K · u+T24,完成標定工作（溫度均為熱力學溫度）；
[0044] 5)將熱流計放入被測環(huán)境內，引出銅線接入電勢采集設備，等溫盒的溫度傳感器 也接入采集設備；
[0045] 6)測量時獲得銅線間的電勢為u，等溫盒的溫度為Td ;
[0046] 7)則瞬態(tài)熱流 q 為 q = 5· 67 X (K · u+Td4) X 1〇Λ
[0047] 盡管上文對本發(fā)明的【具體實施方式】給予了詳細描述和說明，但是應該指明的是， 我們可以依據本發(fā)明的構想對上述實施方式進行各種等效改變和修改，其所產生的功能作 用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，均應在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1. 一種熱真空環(huán)境下使用的瞬態(tài)熱流計，包括腔壁溫度恒定的等溫腔體，等溫腔體內 保持真空環(huán)境，等溫腔體的開口上方覆蓋有金屬箔片，金屬箔片上下表面的至少一側上涂 覆有絕緣層，絕緣層上方通過鍍膜法交錯設置有銅層和鎳層，銅層與鎳層之間形成結合界 面，金屬箔片的上下表面分別涂覆發(fā)射率不同的兩種材料，兩種材料直接涂覆在金屬箔片 上或者涂覆在銅層和鎳層上，發(fā)射率不同的兩種材料在銅層和鎳層上交錯形成發(fā)射率不同 的涂層一和涂層二，涂層一和涂層二之間也形成結合界面，分別覆蓋銅層與鎳層的結合界 面并以對應位置的結合界面為對稱線對稱分布，金屬箔片上表面的涂層一、涂層二分別對 應于金屬箔片下表面的涂層二和涂層一，其中，兩端的銅層外側分別連接有引線，等溫腔體 的外側設置有測量其溫度的溫度傳感器。
2. 如權利要求1所述的瞬態(tài)熱流計，其中，引線連接有電勢采集裝置。
3. 如權利要求1所述的瞬態(tài)熱流計，其中，所述金屬箔片為不銹鋼箔或銅箔或鋁箔。
4. 如權利要求1所述的瞬態(tài)熱流計，其中，所述鍍膜法包括磁控濺射鍍膜、離子束鍍 膜、射頻鍍膜。
5. 如權利要求1-4任一項所述的瞬態(tài)熱流計，其中，兩種涂層的材料之一為黑漆、白漆 或灰漆；另一種為錯粉漆。
6. 如權利要求1-4任一項所述的瞬態(tài)熱流計，其中，等溫腔體的材料包括鋁、銅、銀或 其合金。
7. 如權利要求1-4任一項所述的瞬態(tài)熱流計，其中，金屬箔片的上下表面一側上設置 有絕緣層，一側上未設絕緣層。
8. -種利用權利要求1-7任一項所述瞬態(tài)熱流計測量熱流的方法，包括如下步驟： 1) 首先進行瞬態(tài)熱流計的標定工作，標定熱流計時，先將等溫盒去除，將瞬態(tài)熱流計中 的帶有鍍膜、涂層的金屬箔片兩側分別正對兩個黑體腔的出口，分別距離黑體腔出口 1? 5mm ； 2) 將瞬態(tài)熱流計引出的兩銅線分別接入電勢采集裝置的正負極； 3) 測量黑體腔一和黑體腔二的溫度分別為?\和T2，電勢采集裝置的輸出電勢為u ;調 整黑體腔一和黑體腔二的溫度，獲得不同的電勢，根據最小二乘法擬合獲得電勢、黑體腔一 和黑體腔二溫度的關系式?\ 4 = Κ·ιι+Τ24,其中系數Κ采用最小二乘法對各溫度數據和電勢 數據擬合得到，完成標定工作； 4) 將瞬態(tài)熱流計放入被測環(huán)境內，引出銅線接入電勢采集裝置，電勢采集裝置、等溫盒 的溫度傳感器也電連接到數據采集設備； 5) 測量時獲得銅線間的電勢為u，等溫盒的溫度為Td ; 6) 則瞬態(tài)熱流 q 為 q = 5· 67X (K · u+Td4) X 1〇Λ
【文檔編號】G01K7/00GK104089706SQ201410366638
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月29日 優(yōu)先權日:2014年7月29日
【發(fā)明者】畢研強, 郄殿福, 李西園, 許忠旭, 紀欣言, 周艷, 李濤 申請人:北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所
專業(yè)數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
