專利名稱：用于熱控涂層性能原位測試的輻射計的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于熱控涂層性能原位測試的輻射計，屬于航天熱控材料的空間輻照地面模擬測試領域。
背景技術：
隨著我國衛星設計壽命從8年增加到15年，熱控涂層等暴露材料性能的退化將成為制約其長壽命的重要因素之一。熱控材料的性能退化一般表現為太陽吸收率與發射率比
的增大，從而造成衛星溫度上升，這是衛星在壽命后期溫度升高的主要原因。為了確保衛星熱控涂層在空間環境的穩定性，需要開展熱控涂層在空間的高真空、紫外及粒子輻照環境下太陽吸收率性能變化的地面模擬實驗研究，為熱控涂層的應用和性能改進提供參考依據。
早期采用的試驗方法是將樣品置于真空中進行空間輻照，然后取出樣品進行光學性能測試，這是一種非原位的測試方法。許多熱控涂層材料在真空中接受輻照，取出后在空氣中其變化的性能會有部分恢復，因此需要開展可以在綜合模擬環境中進行的原位測試的方法。
目前國內外都建立了大型的綜合模擬環境設備，該設備可提供低溫、高真空、紫外輻照、高能粒子輻照的試驗環境，但其內部的熱控涂層吸收率的原位測試普遍采用反射率相對測量方法，測量系統包括積分球、探測器、光源、三維位移裝置、標準試件等，通過連續測試已知太陽吸收率的標準試件和待測熱控涂層，利用比對測量法來測試待測涂層太陽吸收率的變化。這種原位測量的方法受測試裝置的影響，測量精度不高；同時由于體積較大，在綜合模擬環境中進行原位測試時將需要巨大的投資和試驗運行費用。本發明針對此提出了一種可用于模擬空間環境中體積小、結構簡單、試驗方便的熱控涂層性能原位測試的儀器。
發明內容
本發明的目的在于提供一種用于熱控涂層性能原位測試的輻射計，以克服現有熱控涂層性能原位測試系統結構龐大、測試精度低、試驗成本高等方面的不足，構建一種測量簡單、精度高、無可移動器件的熱控涂層性能原位測試儀器。
本發明的技術解決方案是用于熱控涂層性能原位測試的輻射計，由測熱腔、試件板、熱探測器、試件板支桿、測熱腔支桿、隔熱腔、數據采集底座組成，其中測熱腔為輻射計的測試部分，由兩個測熱腔支桿支撐懸空置于隔熱腔內部，并保持與隔熱腔端面齊平；測熱腔支桿的底端有螺紋可將其固定于隔熱腔的螺紋孔中，測熱腔支桿頂端有螺紋孔，并由螺釘通過測熱腔上的沉孔與其固定；試件板表面涂有待測熱控涂層，由試件板支桿支撐懸空置于測熱腔內部，并保持與測熱腔端面齊平；試件板支桿的底端有螺紋可將其固定于測熱腔的螺紋孔中，試件板支桿頂端有螺紋孔，并由螺釘通過試件板上的通孔與其固定；熱探測器分別置于試件板的下面和測熱腔底部；隔熱腔作為外殼包圍著測熱腔，用于阻止空間輻照對測熱腔內部的熱擾動，并用螺釘固定于數據采集底座上端；數據采集底座內置信號采集板卡，數據采集底座底部有三個用于固定的螺孔，可將輻射計固定于模擬空間環境中接受空間輻照。
測熱腔內包括有試件板、熱探測器、試件板支桿、多層隔熱層。測熱腔的設計目標是減少影響試件板的熱因素，因此測熱腔的設計主要圍繞減小其內部熱損失展開。測熱腔材料選擇航天用鋁合金；為減小測熱腔內部輻射換熱，其表面經過拋光處理，測熱腔的底部粘接雙面鍍鋁的滌綸薄膜隔熱材料，從而有效地減小測熱腔壁的發射率，達到減小輻射換熱目的。
試件板表面涂有被測涂層，將帶有熱控涂層的試件板作為被測系統，由于輻射計測試原理是基于能量守恒的原理，因此要求被測系統在任意時刻應該達到熱平衡，所以試件板的材料要求有高導熱率，并且試件板的厚度應該較薄，此時試件板可看作是一個具有固定溫度的質點，從而滿足試件板和涂層組成的被測系統的瞬態熱平衡。試件板材料和測熱腔材料應保持一致，從而使試件板和測熱腔在模擬空間環境中接受輻照時具有相同的溫度梯度，減小試件板與測熱腔的輻射換熱。
測熱腔內部有兩個薄膜熱探測器，分別用于探測試件板和測熱腔熱沉端的溫度變化，薄膜熱探測器可根據探測溫度的范圍和精度的要求合理選擇薄膜熱電偶或者薄膜熱電阻探測器。
為減小熱傳導引起的熱損失，試件板邊緣不與測熱腔接觸，測熱腔邊緣不與隔熱腔接觸，因此試件板和測熱腔都由支桿支撐。支桿選擇低熱導率、高機械強度的金屬材料或者選擇聚酰亞胺工程塑料。
隔熱腔的材料選擇具有高強度、低熱膨脹系數、密度小的鋁合金材料，隔熱腔表面經過光亮陽極氧化處理；隔熱腔與測熱腔不相互接觸。
數據采集底座內置數據采集板卡，數據采集板卡用于對被測溫度的數據進行實時采集。數據采集底座外殼上有電源口和數據通信口，分別用于數據采集板卡的供電和與上位機的通信。數據采集底座結構材料的選擇和表面處理與隔熱腔相同，從而保證內部采集電路溫度不至于過高。
模擬空間環境中測試熱控涂層性能變化的方法為試件板表面的熱控涂層吸收模擬空間環境中太陽模擬器的輻照能量為QIn，熱控涂層與模擬空間環境的輻射換熱量為QRad，試件板的內能增加和測熱腔內部的熱損失表示為QIn-energy、Qheat-exchange，熱控涂層在經受模擬空間環境中的紫外和粒子輻照后，根據能量守恒式 QIn＝QRad+QIn-energy+Qheat-exchange 實時計算得到涂層的太陽吸收率與發射率比
本發明的原理是用于熱控涂層性能原位測試的輻射計是利用測熱法來測試熱控層太陽吸收率與發射率比
的變化。將試件板表面涂有待測涂層的輻射計放到特定的輻射環境下，利用兩個熱探測器分別探測熱控涂層試件板下面和測熱腔熱沉端的溫度，根據測試溫度的變化得到通過熱控涂層熱通量的變化，再由熱通量的變化計算得到熱控涂層性能的變化。
本發明與現有技術相比的優點在于克服現有熱控涂層原位測試系統結構龐大、測試精度低、試驗成本高等方面的不足，并具有以下優點測量簡單、易于參數設置、優化和工程實現；無可移動的器件，因此測試精度高；同時該儀器體積小、重量輕、功耗較低，滿足星載要求，可實現熱控涂層性能變化的在軌測試。
圖1為本發明的結構剖面圖； 圖2為本發明實現熱控涂層性能變化測試的原理流程圖； 圖具體標號如下 1、測熱腔2、試件板 3、熱探測器4、試件板支桿 5、測熱腔支桿6、隔熱腔 7、數據采集底座
具體實施例方式 如圖1所示，本發明包括測熱腔1、試件板2、熱探測器3、試件板支桿4、測熱腔支桿5、隔熱腔6、數據采集底座7，其中測熱腔1為輻射計的測試部分，由測熱腔支桿5支撐懸空置于隔熱腔6內部，并保持與隔熱腔6端面齊平；測熱腔支桿5的底端有螺紋可將其固定于隔熱腔6的螺紋孔中，測熱腔支桿5頂端有螺紋孔，并由螺釘通過測熱腔1上的沉孔與其固定；試件板2表面涂有待測熱控涂層，由試件板支桿4支撐懸空置于測熱腔1內部，并保持與測熱腔1端面齊平；試件板支桿4的底端有螺紋可將其固定于測熱腔1的螺紋孔中，試件板支桿4頂端有螺紋孔，并由螺釘通過試件板2上的通孔與其固定；熱探測器3分別置于試件板2的下面和測熱腔1底部；隔熱腔6作為外殼包圍著測熱腔1，用于阻止空間輻照對測熱腔1內部的熱擾動，并用螺釘固定于數據采集底座7上端；數據采集底座7內置信號采集板卡，底座底部有三個用于固定的螺孔，可將輻射計固定于模擬空間環境中接受空間輻照。
測熱腔1的設計目標是減少影響試件板2的熱因素，因此測熱腔1的設計主要圍繞減小其內部熱損失展開。由于試件板2和測熱腔1之間的換熱在空間環境中主要有熱傳導和輻射換熱兩種形式，因此為減小試件板2和測熱腔1杯壁的傳導換熱，使二者不接觸；測熱腔1有一圈圓形邊緣，該邊緣部分的面積應與試件板2的面積近似相等，并與試件板2涂有相同熱控涂層，該設計的目的是使輻射源照射在試件板2和測熱腔1上的輻射量相同，使二者有近似相同的溫度，從而減小測熱腔1與試件板2的輻射換熱；測熱腔1材料選擇航天鋁合金材料，其表面經過拋光處理，測熱腔1的底部粘接雙面鍍鋁的滌綸薄膜隔熱材料，其發射率很低，可有效地減小輻射換熱。
試件板2表面涂有被測涂層，將帶有熱控涂層的試件板2作為被測系統，由于輻射計測試原理是基于能量守恒的原理，因此要求被測系統在任意時刻應該達到熱平衡。所以試件板2的材料要求有高導熱率，并且試件板2的厚度應該較薄，厚度應該小于0.5mm，此時試件板2可看作是一個具有固定溫度的質點，從而滿足試件板2和涂層組成的被測系統的瞬態平衡。伴隨試件板2尺寸的減小帶來的弊端是機械強度的下降，因此試件板2材料選擇應綜合考慮導熱和機械強度的要求。
為減小傳導引起的熱損失，試件板2邊緣不與測熱腔1接觸，測熱腔1邊緣不與隔熱腔5接觸，因此試件板2和測熱腔1都由支桿支撐，試件板支桿4和測熱腔支桿5選擇低熱導率、高機械強度的鈦合金等金屬材料或者是聚酰亞胺等工程塑料，同時支桿的長度和與試件板2以及測熱腔1的接觸面積也應根據盡量減小熱傳導的原則最優化設計。
測熱腔1內部有兩個薄膜熱探測器3，分別用于探測試件板2和測熱腔1熱沉端的溫度變化。根據地面模擬環境的溫度范圍和探測精度的要求，熱探測器3選擇薄膜鉑電阻探測器，探測精度可達0.3攝氏度。
隔熱腔6的設計為開口的圓杯型結構，材料選擇具有高強度、低熱膨脹系數、密度小的鋁合金。為減小隔熱腔6與測熱腔1的熱交換，應盡量減小隔熱腔6外壁對輻射能量的吸收，由于鋁合金材料已具有較高反射率，為進一步減小輻射環境對隔熱腔的熱輻射，隔熱腔6的外表面應選擇具有低吸收率發射率比的材料。通過對隔熱腔6表面進行光亮陽極氧化處理，其表面吸收率發射率比為0.3，可提高隔熱腔6的隔熱效果。
數據采集底座7內置數據采集板卡，數據采集底座7外殼上有電源口和數據通信口，分別用于數據采集板卡的供電和與上位機的通信。數據采集底座7結構采用圓形底座，底座設置有三個M6的螺孔可用于固定輻射計，其結構材料的選擇和表面處理與隔熱腔6相同，從而保證內部采集電路溫度不至于過高。
數據采集板卡用于對被測溫度的數據進行實時采集。由于輻射計的設計既要滿足模擬空間環境的原位測試，又要考慮到以后可實現星載在軌測試的目的，因此數據采集模塊應該具有功耗低的特點，所以熱探測器3的數據采集板卡沒有微處理器芯片。數據采集板卡只完成數據采集和與上位機通信的功能，其中數據采集板卡與上位機的通信是由上位機的并口模擬SPI(串行外圍設備接口)實現，整個數據的處理由上位機實現。
如圖2所示，本發明實現熱控涂層性能變化測試的原理流程為將表面涂有待測涂層的輻射計放到模擬空間的輻照環境下，由于整個測量系統處在真空環境內，沒有對流，能量的交換基本上是輻射傳輸，利用兩個熱探測器3分別探測涂層下面試件板2和測熱腔1熱沉端的溫度；數據采集板卡完成熱探測器3的信號調理、運算放大及模數轉換，并通過與上位機的通信將信號送至上位機處理；上位機通過溫度的變化計算得到熱控涂層吸收的熱量和與空間輻射換熱的熱量，從而計算得到熱控涂層的太陽吸收率發射率比。
上位機的數據處理實現模擬空間環境中熱控涂層性能變化的測試試件板2表面的熱控涂層吸收模擬空間環境中太陽模擬器的輻照為QIn＝αsAE，熱控涂層與模擬空間環境的輻射換熱為QRad＝εAσTplane4，試件板2的內能增加和測熱腔1內部的熱損失表示為QIn-energy、Qheat-exchange，其中αs、ε為熱控涂層的太陽吸收率、發射率，A為試件板2面積、E為太陽模擬器輻照、Tplane為試件板2下面熱探測器3溫度、σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數；熱控涂層在經受模擬空間環境中的紫外輻照和粒子輻照后，有能量守恒式 QIn＝QRad+QIn-energy+Qheat-exchange 通過對輻射計的測熱腔1、試件板2、試件板支桿4、測熱腔支桿5、隔熱腔6的合理設計，試件板2的內能增加和測熱腔1內部的熱損失兩項已經很小，工程上可以忽略不計。此時能量守恒式為 αsAE＝εAσTplane4 即 因此，通過熱探測器3實時探測溫度可計算得到涂層的太陽吸收率與發射率比
從而實現熱控涂層性能變化的原位測試。
本發明說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業技術人員公知的現有技術。
權利要求
1.用于熱控涂層性能原位測試的輻射計，其特征在于包括測熱腔(1)、試件板(2)、熱探測器(3)、試件板支桿(4)、測熱腔支桿(5)、隔熱腔(6)、數據采集底座(7)，其中測熱腔(1)為輻射計的測試部分，由測熱腔支桿(5)支撐置于隔熱腔(6)內部；試件板(2)表面涂有待測熱控涂層，由試件板支桿(4)支撐置于測熱腔(1)內部；熱探測器(3)分別置于試件板(2)的下面和測熱腔(1)底部；隔熱腔(6)作為外殼包圍著測熱腔(1)并固定于數據采集底座(7)上端；數據采集底座(7)內置信號采集板卡；熱控涂層接受模擬空間環境的輻照后，由熱探測器(3)探測溫度的變化，根據溫度的變化得到通過涂層熱通量的變化，再由熱通量的變化計算得到涂層性能的變化。
2.根據權利要求1所述的用于熱控涂層性能原位測試的輻射計，其特征在于測熱腔(1)材料選擇航天用鋁合金，其表面經過拋光處理，底部粘接雙面鍍鋁的滌綸薄膜隔熱材料。
3.根據權利要求1所述的用于熱控涂層性能原位測試的輻射計，其特征在于試件板(2)材料和測熱腔(1)材料保持一致，試件板(2)邊緣不與測熱腔(1)接觸。
4.根據權利要求1所述的用于熱控涂層性能原位測試的輻射計，其特征在于熱探測器(3)采用薄膜熱探測器。
5.根據權利要求1所述的用于熱控涂層性能原位測試的輻射計，其特征在于試件板支桿(4)和測熱腔支桿(5)選擇金屬材料或者聚酰亞胺工程塑料。
6.根據權利要求1所述的用于熱控涂層性能原位測試的輻射計，其特征在于隔熱腔(6)材料選擇鋁合金材料，隔熱腔表面經過光亮陽極氧化處理；隔熱腔(6)與測熱腔(1)不相互接觸。
7.根據權利要求1所述的輻射計在模擬空間環境中測試熱控涂層性能變化的方法，其特征在于試件板(2)表面的熱控涂層吸收模擬空間環境中太陽模擬器的輻照能量為QIn，熱控涂層與模擬空間環境的輻射換熱量為QRad，試件板(2)的內能增加和測熱腔(1)內部的熱損失為QIn-energy、Qheat-exchange，熱控涂層在經受模擬空間環境中的紫外和粒子輻照后，根據能量守恒式
QIn＝QRad+QIn-energy+Qheal-exchange
實時計算得到涂層的太陽吸收率與發射率比
的變化。
全文摘要
用于熱控涂層性能原位測試的輻射計由測熱腔、試件板、熱探測器、試件板支桿、測熱腔支桿、隔熱腔和數據采集底座組成，其中測熱腔為輻射計的測試部分，由測熱腔支桿支撐置于隔熱腔內部；試件板表面涂有待測熱控涂層，由試件板支桿支撐置于測熱腔內部；熱探測器為薄膜熱探測器，分別置于試件板的下面和測熱腔底部；隔熱腔用于阻止空間輻照對測熱腔內部的熱擾動；數據采集底座內置信號采集板卡。熱控涂層接受模擬空間環境的輻照后，由熱探測器探測溫度的變化，根據溫度的變化得到通過涂層熱通量的變化，再由熱通量的變化計算得到涂層性能的變化。本發明結構簡單、時間常數小、測試精度高，可以較好的實現模擬空間環境中熱控涂層性能的原位測試。
文檔編號G01N25/20GK101813650SQ20101010744
公開日2010年8月25日 申請日期2010年2月5日 優先權日2010年2月5日
發明者趙慧潔, 邢輝, 張穎, 王立, 張慶祥, 唐吾 申請人:北京航空航天大學