卡計法熱流計測量瞬態熱流的試驗研究

邢志芹，趙啟偉

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

0 引言

通常來說，對于三軸穩定衛星，不同時刻、不同方向星體外表面吸收外熱流變化很大[1]。因此，在進行衛星熱平衡試驗時，用瞬變熱流模擬方法比用軌道周期平均熱流模擬方法更接近飛行軌道的真實環境。這就要求熱流計能夠對瞬變熱流進行快速、準確的測量。

目前我國應用于外熱流測量的主要熱流計包括絕熱型熱流計和熱屏等溫型熱流計。絕熱型熱流計由表面噴涂黑漆的銅片和背面多層隔熱組件制成，用于測出到達熱流，并在假定紅外吸收率等于表面發射率[2]的情況下求得吸收熱流值。熱屏等溫型熱流計由熱屏和敏感面2 部分組成，避免了敏感面紅外吸收率的測量與取值誤差，直接測量所吸收的輻射熱流[3]。該熱流計在使用之前需要獲得吸收熱流對敏感面溫度的標定曲線，使用時維持熱屏溫度不 變，才能根據熱流計敏感面達到的穩定溫度測出吸收熱流。從目前的工程實際來看，這2 種熱流計主要用于航天器穩態熱平衡試驗中的熱流測量[4-6]，很少用于航天器瞬態熱平衡試驗，主要是因為它們的動態特性尚不能滿足瞬變熱流的測量要求。

本文提出的卡計法熱流計是針對上述2 種熱流計對瞬變熱流的動態響應能力不足而提出的一種熱流計，對瞬變熱流的動態響應特性更優，能滿足瞬變熱流的測量要求。

1 卡計法熱流計結構及其特點

卡計法熱流計由熱屏和敏感面2 大部分組成（見圖1）。其中，敏感面由基板和敏感面涂層（如OSR 片）組成，基板背面粘貼2 支銅-康銅熱電偶后貼康銅箔加熱片。熱屏為杯型，粘貼2 支銅-康銅熱電偶，熱屏內表面貼鍍金聚酯薄膜以減少熱屏和敏感面之間的輻射換熱，底部貼康銅箔加熱片，外表面貼聚酰亞胺膜。敏感面的四角用硅橡膠固定于熱屏上，既能保證兩者結構的固定不變，又能盡量減少兩者之間的導熱。敏感面基板背面的1 支熱電偶和熱屏上的1 支熱電偶連接成溫差熱電偶，使用時控制該溫差熱電偶的溫度差為零，實現熱屏對敏感面的跟蹤控溫[7]，因此敏感面和熱屏之間的漏熱可以忽略，即卡計法熱流計所測熱流為敏感面溫度的單值函數，與熱屏溫度無關。

圖1 卡計法熱流計結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of calorimetric radiometer

2 卡計法熱流計測量瞬態熱流原理

由于采用了跟蹤控溫的方法，熱屏和敏感面的溫度保持一致，熱屏和敏感面之間的熱交換可以忽略，所以任一時刻敏感面所接收的外熱流密度qs為

式中：ε為敏感面表面發射率；σ為斯忒藩-玻耳茲曼常量；Ts為敏感面溫度；m為敏感面質量；Cp為敏感面比熱容；A為敏感面面積。

根據式(1)可知，卡計法熱流計不必等到敏感面的溫度達到平衡，就能通過敏感面測量溫度Ts、系數F以及溫升速率dTs/dτ計算得出敏感面表面的瞬變熱流值qs，從而節省了測量時間。

計算瞬變熱流首先要知道F的值，而敏感面的組成比較復雜，因此F值主要通過標定試驗測出敏感面表面的接收熱流和溫升速率，再由公式(1)反推計算獲得[8-10]。

3 卡計法熱流計對瞬態熱流的測量試驗

3.1 試驗簡介

試驗在真空罐內進行，將熱流計安裝在方形底板上，熱流計敏感面主加熱器的加熱功率（相當于敏感面吸收的外熱流）可通過改變加熱器電源電流的大小來進行調節，在底板上方約500 mm 處安裝紅外燈陣。試驗主要研究熱流計對紅外燈陣瞬變熱流的測量情況。首先通過改變敏感面主加熱器的功率給熱流計一個瞬變熱流，考察熱流計對瞬變熱流的測量響應；然后改變紅外燈陣熱流，考察熱流計對紅外燈陣瞬變熱流的測量響應。為控制敏感面溫度的變化范圍，將燈陣電流ⅠL設置在2～3 A 之間，試驗分3 種工況進行：

1）燈陣的電流保持2 A 不變，通過增大敏感面主加熱器功率來給敏感面一個正向的瞬變熱流；

2）燈陣的電流保持3 A 不變，通過減小敏感面主加熱器功率來給敏感面一個負向的瞬變熱流；

3）敏感面主加熱器功率不變，燈陣電流由2.5 A調至3 A，給熱流計一個正向的瞬變熱流。

3.2 試驗結果與分析

3.2.1 熱流計對主加熱器瞬變熱流的測量

1）工況1

圖2給出了燈陣電流為2 A 時，增大主加熱器加熱電流后，敏感面溫度、測量熱流以及給定加熱熱流變化曲線。為了更好地看出各個熱流變化階段的數據，表1給出了熱流發生瞬變時的測量熱流和實際熱流的對比數據。

由于實際熱流的變化為正向瞬變過程。考慮到溫度擾動的存在，以測量熱流與實際熱流的差出現正值的時間作為熱流計測量瞬態熱流的響應時間（測量熱流圍繞實際熱流開始出現波動的時間）。由表1可以看出，每個階段熱流計的響應時間約為30 s，熱流測量精度在5 W/m2左右。

圖2 敏感面溫度、測量熱流在主加熱器功率增大時的 變化曲線（ⅠL=2 A）Fig.2 Variation of temperature and heat flux vs main heater power(ⅠL=2 A)

表1 熱流計測量熱流和實際熱流對比（ⅠL=2 A）Table 1 The comparison between measured heat flux of radiometer and actual heat flux(ⅠL=2 A)

2）工況2

圖3為燈陣電流為3 A 時，減小敏感面主加熱器電流后，敏感面溫度、測量熱流和給定加熱熱流的變化曲線。

圖3 敏感面溫度、測量熱流在主加熱器功率減小時的 變化曲線（ⅠL=3 A）Fig.3 Variation of temperature and heat flux vs main heater power(ⅠL=3 A)

表2給出了熱流發生瞬變時的測量熱流和實際熱流的部分對比數據。由圖3以及表2可以看出，在燈陣熱流不變時，熱流計對敏感面主加熱器的負向熱流的響應時間約為30 s（雖然第10 s 時熱流計所測熱流已經低于實際熱流，但同實際熱流相差較大，不能以該時間點作為熱流計響應時間），熱流測量精度也在5 W/m2左右。

表2 熱流計測量熱流和實際熱流對比（ⅠL=3 A）Table 2 The comparison between measured heat flux of radiometer and actual heat flux(ⅠL=3 A)

3.2.2 熱流計對燈陣瞬變熱流的測量

圖4給出了敏感面主加熱器功率不變，燈陣電流由2.5 A 瞬變到3 A 時，熱流計測得的熱流曲線。

圖4 燈陣熱流突變時熱流計測量曲線Fig.4 Measured curve of radiometer with mutation of infrared lamp

由圖可以看出，當敏感面主加熱器功率不變，只是增大燈陣的功率時，熱流計測量熱流經歷了一個逐漸上升的階段。為了更好地反映測量熱流的變化過程，表3給出了測量熱流和實際熱流的數據比較。

表3 燈陣熱流突變時熱流計測量熱流和實際熱流對比Table 3 The comparison between measured heat flux of radiometer and actual heat flux with transient increase of ⅠL

同3.2.1 節一樣，以測量熱流和實際熱流的差出現正值的時間（測量熱流開始圍繞實際熱流波動的時刻）作為熱流計對瞬態熱流的響應時間。由 表3可以看出，當燈陣功率加大時，熱流計的測量熱流并非直接突變至實際熱流，而是慢慢增大至與實際熱流相近，時間大約為105 s。而由3.2.1 節中的試驗結果可知，熱流計對瞬變熱流的響應時間約為30 s。這里之所以出現105 s 左右的響應時間，應該是因為紅外燈陣本身的輸出熱流有一個逐漸穩定的過程。從試驗數據看，該過程所需要的時間不少于1 min。

4 結論

1）卡計法熱流計采用跟蹤控溫的方法，可以直接根據敏感面溫度及其變化速率計算得到敏感面表面的瞬變外熱流。

2）試驗研究表明，卡計法熱流計對瞬變熱流的響應時間約為30 s，測量精度在5 W/m2左右。

3）紅外燈陣在改變加熱功率時，其輸出熱流有一個逐漸穩定的過程，本文試驗中所用紅外燈的輸出功率穩定時間不少于1 min。

（References）

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