用于热控涂层性能原位测试的辐射计

摘要

用于热控涂层性能原位测试的辐射计由测热腔、试件板、热探测器、试件板支杆、测热腔支杆、隔热腔和数据采集底座组成，其中测热腔为辐射计的测试部分，由测热腔支杆支撑置于隔热腔内部；试件板表面涂有待测热控涂层，由试件板支杆支撑置于测热腔内部；热探测器为薄膜热探测器，分别置于试件板的下面和测热腔底部；隔热腔用于阻止空间辐照对测热腔内部的热扰动；数据采集底座内置信号采集板卡。热控涂层接受模拟空间环境的辐照后，由热探测器探测温度的变化，根据温度的变化得到通过涂层热通量的变化，再由热通量的变化计算得到涂层性能的变化。本发明结构简单、时间常数小、测试精度高，可以较好的实现模拟空间环境中热控涂层性能的原位测试。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于热控涂层性能原位测试的辐射计，属于航天热控材料的空间辐照地面模拟测试领域。

背景技术

随着我国卫星设计寿命从8年增加到15年，热控涂层等暴露材料性能的退化将成为制约其长寿命的重要因素之一。热控材料的性能退化一般表现为太阳吸收率与发射率比的增大，从而造成卫星温度上升，这是卫星在寿命后期温度升高的主要原因。为了确保卫星热控涂层在空间环境的稳定性，需要开展热控涂层在空间的高真空、紫外及粒子辐照环境下太阳吸收率性能变化的地面模拟实验研究，为热控涂层的应用和性能改进提供参考依据。

早期采用的试验方法是将样品置于真空中进行空间辐照，然后取出样品进行光学性能测试，这是一种非原位的测试方法。许多热控涂层材料在真空中接受辐照，取出后在空气中其变化的性能会有部分恢复，因此需要开展可以在综合模拟环境中进行的原位测试的方法。

目前国内外都建立了大型的综合模拟环境设备，该设备可提供低温、高真空、紫外辐照、高能粒子辐照的试验环境，但其内部的热控涂层吸收率的原位测试普遍采用反射率相对测量方法，测量系统包括积分球、探测器、光源、三维位移装置、标准试件等，通过连续测试已知太阳吸收率的标准试件和待测热控涂层，利用比对测量法来测试待测涂层太阳吸收率的变化。这种原位测量的方法受测试装置的影响，测量精度不高；同时由于体积较大，在综合模拟环境中进行原位测试时将需要巨大的投资和试验运行费用。本发明针对此提出了一种可用于模拟空间环境中体积小、结构简单、试验方便的热控涂层性能原位测试的仪器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于热控涂层性能原位测试的辐射计，以克服现有热控涂层性能原位测试系统结构庞大、测试精度低、试验成本高等方面的不足，构建一种测量简单、精度高、无可移动器件的热控涂层性能原位测试仪器。

本发明的技术解决方案是：用于热控涂层性能原位测试的辐射计，由测热腔、试件板、热探测器、试件板支杆、测热腔支杆、隔热腔、数据采集底座组成，其中测热腔为辐射计的测试部分，由两个测热腔支杆支撑悬空置于隔热腔内部，并保持与隔热腔端面齐平；测热腔支杆的底端有螺纹可将其固定于隔热腔的螺纹孔中，测热腔支杆顶端有螺纹孔，并由螺钉通过测热腔上的沉孔与其固定；试件板表面涂有待测热控涂层，由试件板支杆支撑悬空置于测热腔内部，并保持与测热腔端面齐平；试件板支杆的底端有螺纹可将其固定于测热腔的螺纹孔中，试件板支杆顶端有螺纹孔，并由螺钉通过试件板上的通孔与其固定；热探测器分别置于试件板的下面和测热腔底部；隔热腔作为外壳包围着测热腔，用于阻止空间辐照对测热腔内部的热扰动，并用螺钉固定于数据采集底座上端；数据采集底座内置信号采集板卡，数据采集底座底部有三个用于固定的螺孔，可将辐射计固定于模拟空间环境中接受空间辐照。

测热腔内包括有：试件板、热探测器、试件板支杆、多层隔热层。测热腔的设计目标是减少影响试件板的热因素，因此测热腔的设计主要围绕减小其内部热损失展开。测热腔材料选择航天用铝合金；为减小测热腔内部辐射换热，其表面经过抛光处理，测热腔的底部粘接双面镀铝的涤纶薄膜隔热材料，从而有效地减小测热腔壁的发射率，达到减小辐射换热目的。

试件板表面涂有被测涂层，将带有热控涂层的试件板作为被测系统，由于辐射计测试原理是基于能量守恒的原理，因此要求被测系统在任意时刻应该达到热平衡，所以试件板的材料要求有高导热率，并且试件板的厚度应该较薄，此时试件板可看作是一个具有固定温度的质点，从而满足试件板和涂层组成的被测系统的瞬态热平衡。试件板材料和测热腔材料应保持一致，从而使试件板和测热腔在模拟空间环境中接受辐照时具有相同的温度梯度，减小试件板与测热腔的辐射换热。

测热腔内部有两个薄膜热探测器，分别用于探测试件板和测热腔热沉端的温度变化，薄膜热探测器可根据探测温度的范围和精度的要求合理选择薄膜热电偶或者薄膜热电阻探测器。

为减小热传导引起的热损失，试件板边缘不与测热腔接触，测热腔边缘不与隔热腔接触，因此试件板和测热腔都由支杆支撑。支杆选择低热导率、高机械强度的金属材料或者选择聚酰亚胺工程塑料。

隔热腔的材料选择具有高强度、低热膨胀系数、密度小的铝合金材料，隔热腔表面经过光亮阳极氧化处理；隔热腔与测热腔不相互接触。

数据采集底座内置数据采集板卡，数据采集板卡用于对被测温度的数据进行实时采集。数据采集底座外壳上有电源口和数据通信口，分别用于数据采集板卡的供电和与上位机的通信。数据采集底座结构材料的选择和表面处理与隔热腔相同，从而保证内部采集电路温度不至于过高。

模拟空间环境中测试热控涂层性能变化的方法为：试件板表面的热控涂层吸收模拟空间环境中太阳模拟器的辐照能量为Q_In，热控涂层与模拟空间环境的辐射换热量为Q_Rad，试件板的内能增加和测热腔内部的热损失表示为Q_In-energy、Q_{heat-exchange}，热控涂层在经受模拟空间环境中的紫外和粒子辐照后，根据能量守恒式：

Q_In＝Q_Rad+Q_In-energy+Q_{heat-exchange}

实时计算得到涂层的太阳吸收率与发射率比

本发明的原理是：用于热控涂层性能原位测试的辐射计是利用测热法来测试热控层太阳吸收率与发射率比的变化。将试件板表面涂有待测涂层的辐射计放到特定的辐射环境下，利用两个热探测器分别探测热控涂层试件板下面和测热腔热沉端的温度，根据测试温度的变化得到通过热控涂层热通量的变化，再由热通量的变化计算得到热控涂层性能的变化。

本发明与现有技术相比的优点在于：克服现有热控涂层原位测试系统结构庞大、测试精度低、试验成本高等方面的不足，并具有以下优点：测量简单、易于参数设置、优化和工程实现；无可移动的器件，因此测试精度高；同时该仪器体积小、重量轻、功耗较低，满足星载要求，可实现热控涂层性能变化的在轨测试。

附图说明

图1为本发明的结构剖面图；

图2为本发明实现热控涂层性能变化测试的原理流程图；

图具体标号如下：

1、测热腔    2、试件板   3、热探测器    4、试件板支杆

5、测热腔支杆            6、隔热腔      7、数据采集底座

具体实施方式

如图1所示，本发明包括测热腔1、试件板2、热探测器3、试件板支杆4、测热腔支杆5、隔热腔6、数据采集底座7，其中测热腔1为辐射计的测试部分，由测热腔支杆5支撑悬空置于隔热腔6内部，并保持与隔热腔6端面齐平；测热腔支杆5的底端有螺纹可将其固定于隔热腔6的螺纹孔中，测热腔支杆5顶端有螺纹孔，并由螺钉通过测热腔1上的沉孔与其固定；试件板2表面涂有待测热控涂层，由试件板支杆4支撑悬空置于测热腔1内部，并保持与测热腔1端面齐平；试件板支杆4的底端有螺纹可将其固定于测热腔1的螺纹孔中，试件板支杆4顶端有螺纹孔，并由螺钉通过试件板2上的通孔与其固定；热探测器3分别置于试件板2的下面和测热腔1底部；隔热腔6作为外壳包围着测热腔1，用于阻止空间辐照对测热腔1内部的热扰动，并用螺钉固定于数据采集底座7上端；数据采集底座7内置信号采集板卡，底座底部有三个用于固定的螺孔，可将辐射计固定于模拟空间环境中接受空间辐照。

测热腔1的设计目标是减少影响试件板2的热因素，因此测热腔1的设计主要围绕减小其内部热损失展开。由于试件板2和测热腔1之间的换热在空间环境中主要有热传导和辐射换热两种形式，因此为减小试件板2和测热腔1杯壁的传导换热，使二者不接触；测热腔1有一圈圆形边缘，该边缘部分的面积应与试件板2的面积近似相等，并与试件板2涂有相同热控涂层，该设计的目的是使辐射源照射在试件板2和测热腔1上的辐射量相同，使二者有近似相同的温度，从而减小测热腔1与试件板2的辐射换热；测热腔1材料选择航天铝合金材料，其表面经过抛光处理，测热腔1的底部粘接双面镀铝的涤纶薄膜隔热材料，其发射率很低，可有效地减小辐射换热。

试件板2表面涂有被测涂层，将带有热控涂层的试件板2作为被测系统，由于辐射计测试原理是基于能量守恒的原理，因此要求被测系统在任意时刻应该达到热平衡。所以试件板2的材料要求有高导热率，并且试件板2的厚度应该较薄，厚度应该小于0.5mm，此时试件板2可看作是一个具有固定温度的质点，从而满足试件板2和涂层组成的被测系统的瞬态平衡。伴随试件板2尺寸的减小带来的弊端是机械强度的下降，因此试件板2材料选择应综合考虑导热和机械强度的要求。

为减小传导引起的热损失，试件板2边缘不与测热腔1接触，测热腔1边缘不与隔热腔5接触，因此试件板2和测热腔1都由支杆支撑，试件板支杆4和测热腔支杆5选择低热导率、高机械强度的钛合金等金属材料或者是聚酰亚胺等工程塑料，同时支杆的长度和与试件板2以及测热腔1的接触面积也应根据尽量减小热传导的原则最优化设计。

测热腔1内部有两个薄膜热探测器3，分别用于探测试件板2和测热腔1热沉端的温度变化。根据地面模拟环境的温度范围和探测精度的要求，热探测器3选择薄膜铂电阻探测器，探测精度可达0.3摄氏度。

隔热腔6的设计为开口的圆杯型结构，材料选择具有高强度、低热膨胀系数、密度小的铝合金。为减小隔热腔6与测热腔1的热交换，应尽量减小隔热腔6外壁对辐射能量的吸收，由于铝合金材料已具有较高反射率，为进一步减小辐射环境对隔热腔的热辐射，隔热腔6的外表面应选择具有低吸收率发射率比的材料。通过对隔热腔6表面进行光亮阳极氧化处理，其表面吸收率发射率比为0.3，可提高隔热腔6的隔热效果。

数据采集底座7内置数据采集板卡，数据采集底座7外壳上有电源口和数据通信口，分别用于数据采集板卡的供电和与上位机的通信。数据采集底座7结构采用圆形底座，底座设置有三个M6的螺孔可用于固定辐射计，其结构材料的选择和表面处理与隔热腔6相同，从而保证内部采集电路温度不至于过高。

数据采集板卡用于对被测温度的数据进行实时采集。由于辐射计的设计既要满足模拟空间环境的原位测试，又要考虑到以后可实现星载在轨测试的目的，因此数据采集模块应该具有功耗低的特点，所以热探测器3的数据采集板卡没有微处理器芯片。数据采集板卡只完成数据采集和与上位机通信的功能，其中数据采集板卡与上位机的通信是由上位机的并口模拟SPI(串行外围设备接口)实现，整个数据的处理由上位机实现。

如图2所示，本发明实现热控涂层性能变化测试的原理流程为：将表面涂有待测涂层的辐射计放到模拟空间的辐照环境下，由于整个测量系统处在真空环境内，没有对流，能量的交换基本上是辐射传输，利用两个热探测器3分别探测涂层下面试件板2和测热腔1热沉端的温度；数据采集板卡完成热探测器3的信号调理、运算放大及模数转换，并通过与上位机的通信将信号送至上位机处理；上位机通过温度的变化计算得到热控涂层吸收的热量和与空间辐射换热的热量，从而计算得到热控涂层的太阳吸收率发射率比。

上位机的数据处理实现模拟空间环境中热控涂层性能变化的测试：试件板2表面的热控涂层吸收模拟空间环境中太阳模拟器的辐照为Q_In＝α_sAE，热控涂层与模拟空间环境的辐射换热为Q_Rad＝εAσT_plane⁴，试件板2的内能增加和测热腔1内部的热损失表示为Q_In-energy、Q_{heat-exchange}，其中α_s、ε为热控涂层的太阳吸收率、发射率，A为试件板2面积、E为太阳模拟器辐照、T_plane为试件板2下面热探测器3温度、σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数；热控涂层在经受模拟空间环境中的紫外辐照和粒子辐照后，有能量守恒式：

Q_In＝Q_Rad+Q_In-energy+Q_{heat-exchange}

通过对辐射计的测热腔1、试件板2、试件板支杆4、测热腔支杆5、隔热腔6的合理设计，试件板2的内能增加和测热腔1内部的热损失两项已经很小，工程上可以忽略不计。此时能量守恒式为：

α_sAE＝εAσT_plane⁴

即：$\frac{{\alpha }_s}{ϵ}=\frac{{{\mathrm{\sigma T}}_{\mathrm{plane}}}^4}{E}$

因此，通过热探测器3实时探测温度可计算得到涂层的太阳吸收率与发射率比从而实现热控涂层性能变化的原位测试。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。