双环热保护瞬态辐射热流计研究

摘要

热流模拟和测量是航天地面热试验中的重要组成部分，与常规热流计如Gardon计、SB热流计和薄膜热流计等使用条件不同，用于航天地面热试验的热流计要求在真空、低温环境下使用。常用的航天热试验辐射热流计包括绝热型热流计和热屏等温型热流计。绝热型热流计统称黑片，属于稳态型热流计，响应时间长，不适用于动态测量，且测量结果容易受到热流计安装面温度影响，若要通过热损修正的方法得到准确的热流计算结果，还需要对热流计隔热材料热导率进行准确测量。热屏等温型热流计通过结合和温度相关的敏感片自身热容项进行瞬态热流密度测量，但是其在进行低热流测量时误差较大，且标定困难。绝热型瞬态辐射热流计同样存在测量结果易受到热流计安装面温度影响的缺陷且隔热材料热导率亦需单独测量。和Gardon计等基于输入热流和输出热电势间线性关系的测量原理不同，上述航天热试验辐射热流计通过敏感片温度变化推导出热流密度。因此共同存在敏感片温度均匀性带来的集总热容法适用性问题。本文针对现有的热流计在航天热试验热流测量上存在的不足，开展新型瞬态辐射热流计的理论和实验研究。
　　提出双环热保护结构的热流计敏感片，表面喷涂无光谱选择性吸热涂层，其光谱吸收率经分光光度计和傅里叶变换红外光谱仪测量在太阳光谱范围和红外光谱范围均达到0.95以上。热流计中心敏感片和第一热保护环的基材、厚度、涂层相同，且都处于悬空状态，其温度变化能保持实时一致，从而可忽略中心敏感片的侧面传热。通过有限元数值模拟和红外热像仪实验验证了敏感片了温度分布的均匀性，表明该结构适用于集总热容法。和绝热型瞬态辐射热流计采用热传导的方式进行热损修正不同，双环热保护型瞬态辐射热流采用辐射换热的方式进行热损修正，具有动态响应特性好的优势且无需知道隔热材料的热导率。为了保证热流计整体机械强度且固定敏感片和多层隔热材料，采用聚四氟乙烯管作为热流计基体。由于管壁热导率低且导热通道小，热流计敏感片温度不易受到热流计安装面温度的影响。基于该热流计结构特点提出了其热流测量原理。通过有限元模拟方法，对该热流计在阶跃热流变化、非均匀热流、以及轨道飞行器空间外热流变化等多种工作条件下的性能进行了理论验证。
　　为了准确标定该瞬态辐射热流计，设计研制了一套低温真空热沉容器，内置黑体炉辐射源和氙灯的作为标定装置。经光线追迹方法得到黑体炉辐射源腔口有效发射率为0.999，热流密度不均匀度为3.5％，辐射热流密度计算值的不确定度小于0.4％。热沉内测温热电偶参考点的稳定性和可靠性也通过数值模拟和实验的方法得到了验证。使用稳态法和瞬态法标定了两个热流密度测量系数，并对理论结果和实验结果进行了不确定度分析。经黑体炉和氙灯实验验证表明双环热保护型瞬态辐射热流计的测量偏差在5％以内，响应时间小于10s且无光谱选择性。
　　为了进一步提高双环热保护型瞬态辐射热流计的性能，通过数值模拟对热流计敏感片的结构和材料进行了改进研究。设计制作了专用模具用于加工敏感片。改进后热流计的性能经标定后，进行了实验验证。结果表明其在低于60Wm-2的低热流范围内测量结果和实际热流的绝对平均相对偏差为0.8Wm-2，要小于原始双环热保护瞬态辐射热流计。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 量热型热流密度测量方法

1．2 非量热型热流密度测量方法

1．3 对流、辐射和传导型热流计

1．4 基于瞬态和稳态区分热流计

1．5 航天热试验用热流计

第二章 双环热保护瞬态辐射热流计

2．1 热流计敏感片吸收涂层

2．2 双环热保护瞬态辐射热流计结构设计

2．3 瞬态辐射热流计的测量原理

2．4 数值模拟验证

2．5 双环热保护瞬态辐射热流计加工及温度均匀性验证

2．6 热流计轴向温度分布验证

2．7 本章小结

第三章 热流计标定及氙灯验证

3．1 介绍

3．2 标定容器设计

3．3 数据采集系统分析

3．4 黑体炉特性分析

3．5 标定分析

3．6 不确定度分析和标定结果

3．7 氙灯试验

3．8 本章小结

第四章 双环热保护瞬态辐射热流计的改进设计

4．1 前言

4．2 改进设计可行性分析

4．3 敏感片加工方法

4．4 本章小结

第五章 改进型瞬态辐射热流计实验分析

5．1 前言

5．2 广口杜瓦的改进设计

5．3 真空低温环境下的标定分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果