雙環(huán)熱保護(hù)瞬態(tài)輻射熱流計研究.pdf

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

2、熱流計通過結(jié)合和溫度相關(guān)的敏感片自身熱容項進(jìn)行瞬態(tài)熱流密度測量，但是其在進(jìn)行低熱流測量時誤差較大，且標(biāo)定困難。絕熱型瞬態(tài)輻射熱流計同樣存在測量結(jié)果易受到熱流計安裝面溫度影響的缺陷且隔熱材料熱導(dǎo)率亦需單獨測量。和Gardon計等基于輸入熱流和輸出熱電勢間線性關(guān)系的測量原理不同，上述航天熱試驗輻射熱流計通過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的集總熱容法適用性問題。本文針對現(xiàn)有的熱流計在航天熱試驗熱流測量上存在的不

3、足，開展新型瞬態(tài)輻射熱流計的理論和實驗研究。
　　提出雙環(huán)熱保護(hù)結(jié)構(gòu)的熱流計敏感片，表面噴涂無光譜選擇性吸熱涂層，其光譜吸收率經(jīng)分光光度計和傅里葉變換紅外光譜儀測量在太陽光譜范圍和紅外光譜范圍均達(dá)到0.95以上。熱流計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時一致，從而可忽略中心敏感片的側(cè)面?zhèn)鳠?。通過有限元數(shù)值模擬和紅外熱像儀實驗驗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，具有動態(tài)響應(yīng)特性好的優(yōu)勢且無需知道隔熱材料的熱導(dǎo)率。為了保證熱流計整體機(jī)械強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基體。由于管壁熱導(dǎo)率低且導(dǎo)熱通道小，熱流計敏感片溫度不易受到熱流計安裝面溫度的影響?；谠摕崃饔嫿Y(jié)構(gòu)特點提出了其熱流測量原理。通過有限元模擬方法，對該熱流計在階躍熱流變化、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)行了理論驗證。
　　為了準(zhǔn)確標(biāo)定該瞬態(tài)輻射熱流計，設(shè)計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％，輻射熱流密度計算值的不確定度小于0.4％。熱沉內(nèi)測溫?zé)犭娕紖⒖键c的穩(wěn)定性和可靠性也通過數(shù)值模擬和實驗的方法得到了驗證。使用穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法標(biāo)定了兩個熱流密度測量系數(shù)，并對理論結(jié)果和實驗結(jié)果

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