[發明專利]基于柔性薄膜熱電堆的條紋式輻射熱流測量裝置

有效

• 申請號: 201610801449.7
• 申請日: 2016-09-05
• 公開（公告）號: CN107543634B
• 公開（公告）日: 2019-09-10
• 發明（設計）人: 高慶華;王晶;郄殿福;畢研強;王奕榮;廖韜;呂劍鋒
• 申請（專利權）人: 北京衛星環境工程研究所
• 主分類號: G01K17/00
• 分類號: G01K17/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于航天器熱試驗技術領域，具體來說,本發明涉及一種用于真空環境下輻射熱流密度的測量裝置。

背景技術

在航天器真空熱試驗中，需要利用外熱流模擬設備模擬航天器在軌的到達熱流密度，空間環境對航天器熱流的影響主要是輻射熱流，對流和導熱可以忽略不計，并且利用熱流測量裝置測量熱流密度。外熱流的測量準確性和瞬態響應特性對外熱流的模擬準確性起著至關重要的作用，外熱流模擬的準確度將直接影響航天器熱平衡試驗的溫度水平和試驗誤差。

現有的真空環境下的熱流測量裝置基本原理主要包含基于溫度梯度原理(以Gardon式為代表)、半無限大物體溫度測量原理(以同軸熱電偶、紅外測溫為代表)和熱量計原理(以金屬塊式熱量計為代表)，其中應用較為廣泛的是Gardon式熱流計、熱量計。而Gadrdon式熱流計適合測量大熱流，且需要水冷熱沉。熱量計基于溫度梯度熱量計的原理進行設計的，即利用集總參數法，得到敏感片的溫度變化情況，根據溫度變化情況得到熱流密度的大小。在航天器熱試驗范圍內常用的有兩種，一種是絕熱型熱流計，將敏感片放置于隔熱多層上面，假設敏感片背面絕熱，敏感片正面的熱流密度引起敏感片本身溫度變化，根據溫度可以得到外熱流的大小，主要用于穩態輻射熱流測量。另一種熱流計稱為熱屏等溫型熱流計，是將敏感片隔熱安裝于一個內凹的等溫盒內，在使用之前進行標定，得到敏感片、等溫盒和輻射外熱流之間的關系式，正式使用時，測量敏感片溫度數據、等溫盒溫度，通過標定關系式計算輻射熱流密度,可以用來測量瞬態熱流。

Gardon式熱流計在測量低熱流、需要安裝多個熱流計和真空密封環境下測量時，存在靈敏度低、安裝困難、精確度不高等問題；絕熱型熱流計主要測量穩態熱流，假設背面絕熱，但是實際上背面是存在漏熱的，測量穩態熱流存在誤差；熱屏等溫型熱流計是對敏感片的溫度變化速率進行處理，根據標定式計算出輻射熱流密度的大小，但是由于輻射換熱的特點和敏感片熱容的影響，在換熱體溫差很小時，換熱效率非常低，因此敏感片的溫度在平衡之前變化非常緩慢，在測量瞬態熱流時存在較大誤差。

因此，為了實現航天器真空熱試驗的外熱流精確測量，必須設計新的輻射熱流測量裝置，同時滿足穩態熱流和瞬態熱流的測量，降低試驗誤差，提高試驗精度和試驗水平。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種真空環境下的輻射熱流測量裝置，能夠準確測量輻射穩態熱流密度和瞬態熱流密度，實現真空環境下的輻射熱流密度的準確和快速測量。本發明能夠為真空環境下的輻射熱流測量提供技術保障。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案如下：

真空環境下的基于柔性薄膜熱電堆的條紋式輻射熱流測量裝置，包括腔壁溫度均勻且恒定的等溫腔體，等溫腔體在對稱兩個側面上緣內側加工有凹槽，用以支撐敏感片，等溫腔體的內底部和外底部分別安裝有溫度傳感器和薄膜加熱器，溫度傳感器和薄膜加熱器通過控溫儀進行加熱控制和溫度測量，等溫腔體側面對稱位置有四個安裝孔；敏感片由柔性熱電堆敏感片和硬質基底兩部分組成，柔性熱電堆敏感片以聚酰亞胺薄膜為基底，其上電鍍或刻蝕形成熱電堆康銅條箔帶構成的曲線結構，曲線結構為熱電材料一，曲線兩端引出兩個電極，兩個電極與電勢采集裝置電連接，在曲線結構上間隔噴涂熱電材料二，在熱電材料一和熱電材料二的連接處兩端形成熱電偶冷結點和熱結點，熱電偶正向串聯形成熱電堆，上述結構形成后在整個熱敏感片上沉積或濺射一層電絕緣層；硬質基底和柔性熱電堆敏感片粘接在一起組成單個單元敏感片，單個單元敏感片的上下表面分別涂覆發射率不同的兩種材料，兩種材料直接涂敷在絕緣層和硬質基底上，發射率不同的兩種材料在單個單元敏感片上等分形成發射率不同的涂層一和涂層二，涂層一和涂層二之間形成結合界面，涂層一和涂層二分別覆蓋熱電堆冷結點和熱結點的對應區域，敏感片上表面的涂層一、涂層二分別對應于敏感片下表面的涂層二和涂層一。其中，在冷結點或熱結點的始端和終端分別連接有引線，引線連接有電勢采集裝置，以對輻射熱流引發的電勢值進行采集。

其中，單個單元敏感片相互串聯組成多單元敏感片，相鄰單元為鏡像對稱分布。

其中，曲線結構優選曲線對稱結構，曲線呈S形，弓形，尖劈形等。

進一步地，等溫腔體為內凹方形，敏感片用硅膠或導熱脂固定于等溫腔體的凹槽內。

進一步地，等溫腔體選擇高熱導率材料，包括鋁、銅等。

進一步地，利用電鍍、濺射等方法將熱電材料二間隔噴涂在熱電材料一上。進一步地，熱電材料二為銅或金或銀等，熱電材料一為康銅條箔帶。

進一步地，所述硬質材料為不銹鋼或銅或鋁等。