熱真空環境下使用的瞬態熱流計及熱流測量方法
【專利摘要】本發明公開了一種真空熱環境下使用的瞬態輻射熱流計，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熱流測量的方法。本發明可以快速、準確測量瞬態熱流隨時間變化的大小，滿足航天器瞬態外熱流試驗的需求。
【專利說明】熱真空環境下使用的瞬態熱流計及熱流測量方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬于航天器環境試驗領域，具體來說，本發明涉及一種測量加熱器瞬態熱 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，對瞬態熱流測量要求嚴格，比如著陸器環月高溫周期性瞬 態工況、動力下降、月面初始化、巡視器分離等工況均是瞬態工況；巡視器月食工況、和月面 感知、移動、探測模式均是瞬態工況。但是現在由于沒有成熟的瞬態熱流測量技術手段，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，測量穩態外熱流時一般采 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，進行瞬態工況時，直接施加電流。現在的熱試驗中，還沒有一種瞬態特性很好的瞬 態熱流計在試驗中使用。現在已有的熱容法瞬態熱流計響應時間慢，動態響應達30s,無法 跟蹤變化速率過大的熱流，而且精度較差。
[0004] 對于熱真空環境下瞬態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，特別是在熱真空環境下使用，其難度較大。因此，為了解決現有測量瞬態熱流 計所存在的不足，提出本發明。


【發明內容】

[0009] 本發明解決的技術問題提供一種動態響應時間快、結構緊湊、精度高的瞬態熱流 計，并應用于航天器的真空熱試驗中。本發明能夠顯著縮短響應時間并得到高精度瞬態熱 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，本發明采用的技術方案如下：
[0011] 一種熱真空環境下使用的瞬態熱流計，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，發射率不同的兩種材料在銅層和鎳層上交錯形成發射率不 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] 一種利用上述瞬態熱流計測量熱流的方法，包括如下步驟：
[0020] 1)首先進行瞬態熱流計的標定工作，標定熱流計時，先將等溫盒去除，將瞬態熱流 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)將瞬態熱流計放入被測環境內，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)則瞬態熱流 q 為 q = 5. 67 X (K · u+Td4) X 1〇Λ
[0026] 本發明解決了現有熱流計無法應用于航天器瞬態熱流試驗中問題，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是本發明的瞬態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是本發明的瞬態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是本發明的瞬態熱流計在標定狀態下的示意圖。

【具體實施方式】
[0032] 以下參照附圖對本發明的真空熱環境下使用的瞬態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是本發明的瞬態熱流計的結構示意圖。其中，本發明的一種熱真空 環境下使用的瞬態熱流計，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，發射率不同的兩種材料在銅層2和鎳層4上交錯形成發射率不同的涂層 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為本發明的瞬態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 的發射率涂層滿足一定的關系，圖1中1區域為正面吸收率為a，反面3區吸收率為b，正面 3區域吸收率為b，反面1區域吸收率為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 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，發射率不同的兩種材料在銅層和鎳層上交錯形成發射率不同的 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是本發明的瞬態熱流計在標定狀態下的示意圖。
[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)則瞬態熱流 q 為 q = 5· 67 X (K · u+Td4) X 1〇Λ
[0047] 盡管上文對本發明的【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，均應在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1. 一種熱真空環境下使用的瞬態熱流計，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，發射率不同的兩種材料在銅層和鎳層上交錯形成發射率不同 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任一項所述瞬態熱流計測量熱流的方法，包括如下步驟： 1) 首先進行瞬態熱流計的標定工作，標定熱流計時，先將等溫盒去除，將瞬態熱流計中 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) 將瞬態熱流計放入被測環境內，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 優先權日:2014年7月29日
【發明者】畢研強, 郄殿福, 李西園, 許忠旭, 紀欣言, 周艷, 李濤 申請人:北京衛星環境工程研究所