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熱真空環(huán)境下使用的瞬態(tài)熱流計(jì)及熱流測(cè)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(jì)，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(cè)上涂覆有絕緣層，絕緣層上方通過鍍膜法交錯(cuò)設(shè)置有銅層和鎳層，銅層與鎳層之間形成結(jié)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(duì)應(yīng)于金屬箔片下表面的涂層二和涂層一，兩端的銅層外側(cè)分別連接有引線，等溫腔體的外側(cè)設(shè)置有測(cè)量其溫度的溫度傳感器。也公開了使用該熱流計(jì)進(jìn)行的瞬態(tài)熱流測(cè)量的方法。本發(fā)明可以快速、準(zhǔn)確測(cè)量瞬態(tài)熱流隨時(shí)間變化的大小，滿足航天器瞬態(tài)外熱流試驗(yàn)的需求。
【專利說明】熱真空環(huán)境下使用的瞬態(tài)熱流計(jì)及熱流測(cè)量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于航天器環(huán)境試驗(yàn)領(lǐng)域，具體來(lái)說，本發(fā)明涉及一種測(cè)量加熱器瞬態(tài)熱 流的測(cè)試裝置。此外，還提出了一種利用該測(cè)試裝置的熱流測(cè)試方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 航天器熱平衡試驗(yàn)時(shí)，對(duì)瞬態(tài)熱流測(cè)量要求嚴(yán)格，比如著陸器環(huán)月高溫周期性瞬 態(tài)工況、動(dòng)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(dòng)、探測(cè)模式均是瞬態(tài)工況。但是現(xiàn)在由于沒有成熟的瞬態(tài)熱流測(cè)量技術(shù)手段，因 此都是采取標(biāo)定的形式進(jìn)行，存在誤差。航天器熱試驗(yàn)過程中，用紅外手段模擬外熱流時(shí)， 需要采用熱流計(jì)測(cè)量到達(dá)星表或者被星表吸收的熱流密度大小，測(cè)量穩(wěn)態(tài)外熱流時(shí)一般采 用黑片絕熱型熱流計(jì)或熱屏等溫型熱流計(jì)，但是測(cè)量瞬態(tài)外熱流時(shí)，還沒有一種能夠準(zhǔn)確 迅速測(cè)量熱流密度的熱流計(jì)。
[0003] 現(xiàn)有的航天器熱試驗(yàn)瞬態(tài)工況一般采取標(biāo)定的方式，即標(biāo)定出電流和熱流計(jì)溫度 的關(guān)系，進(jìn)行瞬態(tài)工況時(shí)，直接施加電流?，F(xiàn)在的熱試驗(yàn)中，還沒有一種瞬態(tài)特性很好的瞬 態(tài)熱流計(jì)在試驗(yàn)中使用?，F(xiàn)在已有的熱容法瞬態(tài)熱流計(jì)響應(yīng)時(shí)間慢，動(dòng)態(tài)響應(yīng)達(dá)30s,無(wú)法 跟蹤變化速率過大的熱流，而且精度較差。
[0004] 對(duì)于熱真空環(huán)境下瞬態(tài)熱流測(cè)量主要有以下幾種：
[0005] 1)測(cè)量敏感片上下兩側(cè)的溫差，根據(jù)熱流與溫差的正比例關(guān)系得到熱流大小。
[0006] 2)測(cè)量敏感片溫度升高幅值，根據(jù)比熱容與溫升的乘積關(guān)系獲得熱流大小。
[0007] 3)測(cè)量圓形敏感片周圍與中心的溫差，根據(jù)熱流與溫差的正比例關(guān)系得到熱流的 大小。
[0008] 以上幾種測(cè)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(shù)有關(guān)，一般情況下，敏感片比熱容較大、表面輻射傳熱系數(shù) 較小，溫差變化很難達(dá)到10S以下，因此，采用第一種方法作為測(cè)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(duì)溫度求導(dǎo)數(shù)計(jì)算，也難滿足瞬 態(tài)熱流變化較大的熱流測(cè)量。第三種方法在使用過程中雖然響應(yīng)時(shí)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(xiàn)有測(cè)量瞬態(tài)熱流 計(jì)所存在的不足，提出本發(fā)明。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題提供一種動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間快、結(jié)構(gòu)緊湊、精度高的瞬態(tài)熱流 計(jì)，并應(yīng)用于航天器的真空熱試驗(yàn)中。本發(fā)明能夠顯著縮短響應(yīng)時(shí)間并得到高精度瞬態(tài)熱 流計(jì)測(cè)量結(jié)果，為航天器的真空熱試驗(yàn)提供技術(shù)保障。
[0010] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0011] 一種熱真空環(huán)境下使用的瞬態(tài)熱流計(jì)，包括腔壁溫度恒定的等溫腔體，等溫腔體 內(nèi)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(cè)上 涂覆有絕緣層，絕緣層上方通過鍍膜法交錯(cuò)設(shè)置有銅層和鎳層，銅層與鎳層之間形成結(jié)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(cuò)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(jié)合界面，分別覆蓋銅層與鎳層的結(jié)合 界面并以對(duì)應(yīng)位置的結(jié)合界面為對(duì)稱線對(duì)稱分布，金屬箔片上表面的涂層一、涂層二分別 對(duì)應(yīng)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(cè)分別連接有引線，等溫腔 體的外側(cè)設(shè)置有測(cè)量其溫度的溫度傳感器。
[0012] 進(jìn)一步地，引線連接有電勢(shì)采集裝置；
[0013] 進(jìn)一步地，所述金屬箔片為不銹鋼箔或銅箔或鋁箔；
[0014] 進(jìn)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(jìn)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(cè)上設(shè)置有絕緣層，一側(cè)上未設(shè)絕緣層。
[0019] 一種利用上述瞬態(tài)熱流計(jì)測(cè)量熱流的方法，包括如下步驟：
[0020] 1)首先進(jìn)行瞬態(tài)熱流計(jì)的標(biāo)定工作，標(biāo)定熱流計(jì)時(shí)，先將等溫盒去除，將瞬態(tài)熱流 計(jì)中的帶有鍍膜、涂層的金屬箔片兩側(cè)分別正對(duì)兩個(gè)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(jì)引出的兩銅線分別接入電勢(shì)采集裝置的正負(fù)極；
[0022] 3)測(cè)量黑體腔一和黑體腔二的溫度分別為TJPT2，電勢(shì)采集裝置的輸出電勢(shì)為u ; 調(diào)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(shì)Ui，根據(jù)最小二乘法擬合 獲得電勢(shì)與黑體腔一、黑體腔二溫度的關(guān)系式I? = K · u+T24,其中系數(shù)K采用最小二乘法 對(duì)數(shù)據(jù)Λ Τ2, Λ Ui擬合得到，完成標(biāo)定工作；
[0023] 4)將瞬態(tài)熱流計(jì)放入被測(cè)環(huán)境內(nèi)，引出銅線接入電勢(shì)采集裝置，電勢(shì)采集裝置、等 溫盒的溫度傳感器也電連接到數(shù)據(jù)采集設(shè)備；
[0024] 5)測(cè)量時(shí)獲得銅線間的電勢(shì)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(xiàn)有熱流計(jì)無(wú)法應(yīng)用于航天器瞬態(tài)熱流試驗(yàn)中問題，可以快速準(zhǔn)確 測(cè)量加熱器的外熱流大小，加熱器可以根據(jù)測(cè)量得到的外熱流大小迅速調(diào)整加熱功率，真 實(shí)模擬航天器所受外熱流情況，滿足航天器熱試驗(yàn)需求，有助于提高航天器熱設(shè)計(jì)準(zhǔn)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(jì)的結(jié)構(gòu)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(jì)中敏感片的結(jié)構(gòu)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(jì)在標(biāo)定狀態(tài)下的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0032] 以下參照附圖對(duì)本發(fā)明的真空熱環(huán)境下使用的瞬態(tài)熱流計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說明， 但該描述僅僅示例性的，并不旨在對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍進(jìn)行任何限制。
[0033] 實(shí)施例1金屬箔片為銅箔，箔片的h下表面層詢?cè)O(shè)置有絕緣層
[0034] 參照?qǐng)D1，圖1是本發(fā)明的瞬態(tài)熱流計(jì)的結(jié)構(gòu)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(jì)，包括腔壁溫度均勻的等溫腔體7,等溫腔體7內(nèi)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(cuò)設(shè)置有銅層和鎳層，銅層2與鎳層4之間形成結(jié)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(cuò)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(jié)合界面，分別覆蓋銅層2與鎳層4的結(jié) 合界面并以對(duì)應(yīng)位置的結(jié)合界面為對(duì)稱線對(duì)稱分布，金屬箔片上表面的涂層一 1、涂層二分 3別對(duì)應(yīng)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(cè)分別連接有引 線，引線連接有電勢(shì)采集裝置，等溫腔體（等溫盒7)的外側(cè)設(shè)置有測(cè)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(jì)中敏感片的結(jié)構(gòu)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(guān)系，圖1中1區(qū)域?yàn)檎嫖章蕿閍，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(shí)施例2金屬箔片為不銹鋼箔，箔片的h表面層設(shè)置有絕緣層
[0037] 在另一實(shí)施方式中，金屬箔片為厚度1mm的不銹鋼箔，箔片的一側(cè)上可設(shè)置絕緣 層5,而另一相對(duì)的側(cè)面上不設(shè)置絕緣層。在設(shè)置絕緣層的一側(cè)表面，通過鍍膜法交錯(cuò)設(shè)置 有銅層2和鎳層4,銅層2與鎳層4之間形成結(jié)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(wú)絕緣層的一側(cè)直接涂覆在金屬箔片上，有絕緣層一側(cè)涂覆在銅層 和鎳層上。有絕緣層一側(cè)，發(fā)射率不同的兩種材料在銅層和鎳層上交錯(cuò)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(jié)合界面，分別覆蓋銅層2與鎳層4的結(jié) 合界面并以對(duì)應(yīng)位置的結(jié)合界面為對(duì)稱線對(duì)稱分布，金屬箔片上無(wú)絕緣層一側(cè)的涂層一 1、 涂層二3分別對(duì)應(yīng)于金屬箔片有絕緣層側(cè)的涂層二和涂層一，其中，兩端的銅層外側(cè)分別 連接有引線，引線連接有電勢(shì)采集裝置，等溫腔體（等溫盒7)的外側(cè)設(shè)置有測(cè)量其溫度的 溫度傳感器。圖3是本發(fā)明的瞬態(tài)熱流計(jì)在標(biāo)定狀態(tài)下的示意圖。
[0038] 測(cè)試實(shí)施例：采用實(shí)施例1和2的測(cè)量裝置測(cè)量熱流。
[0039] 采用上述測(cè)量裝置測(cè)量瞬態(tài)熱流的過程如下：
[0040] 1)在敏感片背面設(shè)置等溫盒，要求完全遮蓋敏感片背面，且等溫罩內(nèi)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(cè)量其溫度。
[0041] 2)首先進(jìn)行熱流計(jì)的標(biāo)定工作。標(biāo)定熱流計(jì)時(shí)，先將等溫盒去除，將敏感片（帶有 鍍膜、涂層的金屬箔）兩側(cè)分別正對(duì)兩個(gè)黑體腔的出口，分別距離黑體腔出口 1?5mm ;
[0042] 3)將熱流計(jì)引出的兩銅線分別接入電勢(shì)采集設(shè)備正負(fù)極；
[0043] 4)黑體腔1和黑體腔2的溫度分別為?\和T2，電勢(shì)采集設(shè)備輸出電勢(shì)為u ;調(diào)整 黑體腔1和黑體腔2的溫度，獲得不同的電勢(shì)u，擬合獲得u、黑體腔1溫度、黑體腔2溫度 的關(guān)系式，形式為?\ 4 = K · u+T24,完成標(biāo)定工作（溫度均為熱力學(xué)溫度）；
[0044] 5)將熱流計(jì)放入被測(cè)環(huán)境內(nèi)，引出銅線接入電勢(shì)采集設(shè)備，等溫盒的溫度傳感器 也接入采集設(shè)備；
[0045] 6)測(cè)量時(shí)獲得銅線間的電勢(shì)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(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】給予了詳細(xì)描述和說明，但是應(yīng)該指明的是， 我們可以依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)想對(duì)上述實(shí)施方式進(jìn)行各種等效改變和修改，其所產(chǎn)生的功能作 用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時(shí)，均應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種熱真空環(huán)境下使用的瞬態(tài)熱流計(jì)，包括腔壁溫度恒定的等溫腔體，等溫腔體內(nèi) 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(cè)上涂 覆有絕緣層，絕緣層上方通過鍍膜法交錯(cuò)設(shè)置有銅層和鎳層，銅層與鎳層之間形成結(jié)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(cuò)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(jié)合界面，分別覆蓋銅層與鎳層的結(jié)合界 面并以對(duì)應(yīng)位置的結(jié)合界面為對(duì)稱線對(duì)稱分布，金屬箔片上表面的涂層一、涂層二分別對(duì) 應(yīng)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(cè)分別連接有引線，等溫腔體 的外側(cè)設(shè)置有測(cè)量其溫度的溫度傳感器。
2. 如權(quán)利要求1所述的瞬態(tài)熱流計(jì)，其中，引線連接有電勢(shì)采集裝置。
3. 如權(quán)利要求1所述的瞬態(tài)熱流計(jì)，其中，所述金屬箔片為不銹鋼箔或銅箔或鋁箔。
4. 如權(quán)利要求1所述的瞬態(tài)熱流計(jì)，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(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的瞬態(tài)熱流計(jì)，其中，兩種涂層的材料之一為黑漆、白漆 或灰漆；另一種為錯(cuò)粉漆。
6. 如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的瞬態(tài)熱流計(jì)，其中，等溫腔體的材料包括鋁、銅、銀或 其合金。
7. 如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的瞬態(tài)熱流計(jì)，其中，金屬箔片的上下表面一側(cè)上設(shè)置 有絕緣層，一側(cè)上未設(shè)絕緣層。
8. -種利用權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述瞬態(tài)熱流計(jì)測(cè)量熱流的方法，包括如下步驟： 1) 首先進(jìn)行瞬態(tài)熱流計(jì)的標(biāo)定工作，標(biāo)定熱流計(jì)時(shí)，先將等溫盒去除，將瞬態(tài)熱流計(jì)中 的帶有鍍膜、涂層的金屬箔片兩側(cè)分別正對(duì)兩個(gè)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(jì)引出的兩銅線分別接入電勢(shì)采集裝置的正負(fù)極； 3) 測(cè)量黑體腔一和黑體腔二的溫度分別為?\和T2，電勢(shì)采集裝置的輸出電勢(shì)為u ;調(diào) 整黑體腔一和黑體腔二的溫度，獲得不同的電勢(shì)，根據(jù)最小二乘法擬合獲得電勢(shì)、黑體腔一 和黑體腔二溫度的關(guān)系式?\ 4 = Κ·ιι+Τ24,其中系數(shù)Κ采用最小二乘法對(duì)各溫度數(shù)據(jù)和電勢(shì) 數(shù)據(jù)擬合得到，完成標(biāo)定工作； 4) 將瞬態(tài)熱流計(jì)放入被測(cè)環(huán)境內(nèi)，引出銅線接入電勢(shì)采集裝置，電勢(shì)采集裝置、等溫盒 的溫度傳感器也電連接到數(shù)據(jù)采集設(shè)備； 5) 測(cè)量時(shí)獲得銅線間的電勢(shì)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(hào)】G01K7/00GK104089706SQ201410366638
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年7月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月29日
【發(fā)明者】畢研強(qiáng), 郄殿福, 李西園, 許忠旭, 紀(jì)欣言, 周艷, 李濤 申請(qǐng)人:北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所