雙環(huán)熱保護(hù)瞬態(tài)輻射熱流計(jì)研究.pdf

1、熱流模擬和測(cè)量是航天地面熱試驗(yàn)中的重要組成部分，與常規(guī)熱流計(jì)如Gardon計(jì)、SB熱流計(jì)和薄膜熱流計(jì)等使用條件不同，用于航天地面熱試驗(yàn)的熱流計(jì)要求在真空、低溫環(huán)境下使用。常用的航天熱試驗(yàn)輻射熱流計(jì)包括絕熱型熱流計(jì)和熱屏等溫型熱流計(jì)。絕熱型熱流計(jì)統(tǒng)稱黑片，屬于穩(wěn)態(tài)型熱流計(jì)，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，不適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量，且測(cè)量結(jié)果容易受到熱流計(jì)安裝面溫度影響，若要通過(guò)熱損修正的方法得到準(zhǔn)確的熱流計(jì)算結(jié)果，還需要對(duì)熱流計(jì)隔熱材料熱導(dǎo)率進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。熱屏等溫型

2、熱流計(jì)通過(guò)結(jié)合和溫度相關(guān)的敏感片自身熱容項(xiàng)進(jìn)行瞬態(tài)熱流密度測(cè)量，但是其在進(jìn)行低熱流測(cè)量時(shí)誤差較大，且標(biāo)定困難。絕熱型瞬態(tài)輻射熱流計(jì)同樣存在測(cè)量結(jié)果易受到熱流計(jì)安裝面溫度影響的缺陷且隔熱材料熱導(dǎo)率亦需單獨(dú)測(cè)量。和Gardon計(jì)等基于輸入熱流和輸出熱電勢(shì)間線性關(guān)系的測(cè)量原理不同，上述航天熱試驗(yàn)輻射熱流計(jì)通過(guò)敏感片溫度變化推導(dǎo)出熱流密度。因此共同存在敏感片溫度均勻性帶來(lái)的集總熱容法適用性問(wèn)題。本文針對(duì)現(xiàn)有的熱流計(jì)在航天熱試驗(yàn)熱流測(cè)量上存在的不

3、足，開(kāi)展新型瞬態(tài)輻射熱流計(jì)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。
　　提出雙環(huán)熱保護(hù)結(jié)構(gòu)的熱流計(jì)敏感片，表面噴涂無(wú)光譜選擇性吸熱涂層，其光譜吸收率經(jīng)分光光度計(jì)和傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)量在太陽(yáng)光譜范圍和紅外光譜范圍均達(dá)到0.95以上。熱流計(jì)中心敏感片和第一熱保護(hù)環(huán)的基材、厚度、涂層相同，且都處于懸空狀態(tài)，其溫度變化能保持實(shí)時(shí)一致，從而可忽略中心敏感片的側(cè)面?zhèn)鳠?。通過(guò)有限元數(shù)值模擬和紅外熱像儀實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了敏感片了溫度分布的均勻性，表明該結(jié)構(gòu)適用于集總熱容法

4、。和絕熱型瞬態(tài)輻射熱流計(jì)采用熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行熱損修正不同，雙環(huán)熱保護(hù)型瞬態(tài)輻射熱流采用輻射換熱的方式進(jìn)行熱損修正，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好的優(yōu)勢(shì)且無(wú)需知道隔熱材料的熱導(dǎo)率。為了保證熱流計(jì)整體機(jī)械強(qiáng)度且固定敏感片和多層隔熱材料，采用聚四氟乙烯管作為熱流計(jì)基體。由于管壁熱導(dǎo)率低且導(dǎo)熱通道小，熱流計(jì)敏感片溫度不易受到熱流計(jì)安裝面溫度的影響?；谠摕崃饔?jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提出了其熱流測(cè)量原理。通過(guò)有限元模擬方法，對(duì)該熱流計(jì)在階躍熱流變化、非均勻熱流、以及軌道飛

5、行器空間外熱流變化等多種工作條件下的性能進(jìn)行了理論驗(yàn)證。
　　為了準(zhǔn)確標(biāo)定該瞬態(tài)輻射熱流計(jì)，設(shè)計(jì)研制了一套低溫真空熱沉容器，內(nèi)置黑體爐輻射源和氙燈的作為標(biāo)定裝置。經(jīng)光線追跡方法得到黑體爐輻射源腔口有效發(fā)射率為0.999，熱流密度不均勻度為3.5％，輻射熱流密度計(jì)算值的不確定度小于0.4％。熱沉內(nèi)測(cè)溫?zé)犭娕紖⒖键c(diǎn)的穩(wěn)定性和可靠性也通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的方法得到了驗(yàn)證。使用穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法標(biāo)定了兩個(gè)熱流密度測(cè)量系數(shù)，并對(duì)理論結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6、進(jìn)行了不確定度分析。經(jīng)黑體爐和氙燈實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明雙環(huán)熱保護(hù)型瞬態(tài)輻射熱流計(jì)的測(cè)量偏差在5％以內(nèi)，響應(yīng)時(shí)間小于10s且無(wú)光譜選擇性。
　　為了進(jìn)一步提高雙環(huán)熱保護(hù)型瞬態(tài)輻射熱流計(jì)的性能，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)熱流計(jì)敏感片的結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行了改進(jìn)研究。設(shè)計(jì)制作了專用模具用于加工敏感片。改進(jìn)后熱流計(jì)的性能經(jīng)標(biāo)定后，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明其在低于60Wm-2的低熱流范圍內(nèi)測(cè)量結(jié)果和實(shí)際熱流的絕對(duì)平均相對(duì)偏差為0.8Wm-2，要小于原始雙環(huán)熱保護(hù)瞬態(tài)