一种三级隔热式热流计的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种三级隔热式热流计，包括敏感面、内胆、外壳、敏感面安装架、内胆安装架、外壳安装架、敏感面热电偶、内胆热电偶、多层隔热组件、黑漆涂层和镀铝膜；本发明基于热流计测量原理，通过从敏感面到内胆、内胆到外壳、外壳到热流计安装面的三级隔热构型设计，其中安装架均选用低热导率材料，并采用多层隔热组件使得内胆到敏感面的辐射漏热可以忽略，使得热流计辅助部件到敏感面的漏热为可修正的小量值；相对此前同类热流计外热流达到150W/m2时，仍然存在10W/m2以上的测量误差，本热流计将对热流的测量精度提高到优于2W/m2，从而确保航天器热平衡试验的准确性和有效性。
【专利说明】一种三级隔热式热流计
【技术领域】
[0001] 本发明属于航天器热控制【技术领域】，特别涉及一种用于实现对热平衡试验中所模 拟红外热流的三级隔热式热流计。
【背景技术】
[0002] 航天器热平衡试验是验证航天器热设计的重要手段。在航天器热平衡试验中，通 常采用红外灯或红外笼模拟航天器所吸收的空间外热流。决定热平衡试验有效性的关键因 素之一在于红外辐射热流的测量精度。目前型号热平衡试验中所使用的热流计有两种：一 种是多层隔热式绝热型热流计，另外一种是热屏等温型热流计。
[0003] 多层隔热式绝热型热流计在应用中存在的主要问题有：1)测量精度一般；2)热流 计个体差异较明显；3)热流计重复使用率低；4)热流计安装方式复杂。热屏等温型热流计 在应用中存在的主要问题有：1)需定期标定且存在标定误差；2)热流测量系统复杂；3)所 需测控温通道较多。鉴于现有热流计存在上述不足，有必要研制一种新型热流计，以提高热 流测量精度，以确保航天器热平衡试验的有效性，减小瞬态热试验的复杂程度，简化热平衡 试验准备工作，节约型号热平衡试验成本和周期。减少甚至取消标定试验，实现重复使用， 简化安装和测量系统。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明提供了一种三级隔热式热流计，能够在热平衡试验中实现高精 度测量、结构简单、免标定且能重复使用。
[0005] 本发明的一种三级隔热式热流计，包括敏感面、内胆、外壳、敏感面安装架、内胆安 装架、外壳安装架、敏感面热电偶、内胆热电偶、多层隔热组件、黑漆涂层和镀铝膜；
[0006] 所述外壳和内胆均为一端封闭、一端开口的中空圆柱状结构；所述内胆的开口一 端向外延伸出径向凸缘；
[0007] 所述外壳安装架、内胆安装架以及敏感面安装架均由上、下圆盘以及支撑于两圆 盘之间的圆柱组成，其剖面呈"工"字形；
[0008] 所述外壳安装架安装在舱体表面的热流计安装面上，所述外壳同轴安装于外壳安 装架的上圆盘之上；
[0009] 所述内胆安装架有4个，靠近外壳内表面并以90度间隔分布于外壳封闭一端的底 面上；
[0010] 所述内胆同轴置于所述外壳的空腔内，内胆的径向凸缘由所述4个内胆安装架支 撑并与外壳的开口端对应，所述径向凸缘的下表面与外壳的开口的上表面之间留有间隙； 内胆下底面与外壳下底面之间有间隙，使内胆外表面与外壳内表面之间形成连通的隔热 腔；
[0011] 所述敏感面安装架同轴置于所述内胆封闭一端的底面上，圆形敏感面安装于所述 敏感面安装架之上，敏感面上表面与所述径向凸缘上表面位于同一水平高度；
[0012] 所述敏感面热电偶安装于敏感面下表面圆心处；内胆热电偶安装于内胆封闭一端 的下表面的圆心处；敏感面的外沿与内胆的内表面之间留有间隙；
[0013] 所述敏感面和敏感面安装架安装成为一体的敏感面组件后，多层隔热组件敷设于 敏感面组件的下表面；
[0014] 所述敏感面上表面、径向凸缘上表面和内胆内表面均涂覆有发射率大于0. 85的 黑漆涂层；所述内胆外表面和外壳内、外表面均粘贴镀铝膜。
[0015] 所述内胆安装架、外壳安装架和敏感面安装架均选用聚酰亚胺或玻璃钢材料加工 而成。
[0016] 内胆的径向凸缘宽度彡5mm。
[0017] 所述敏感面外沿与内胆内侧表面之间间隙范围在0. 1mm至1. 0mm之间。
[0018] 所述内胆的径向凸缘下表面与外壳边缘上表面之间间隙范围在0. 1mm至1. 0mm之 间。
[0019] 所述多层隔热组件包括第一多层隔热组件和第二多层隔热组件，依次敷设在所述 敏感面组件的下表面；所述敏感面热电偶的引线紧贴敏感面下表面并绕敏感面安装架上圆 盘的外圆盘绕，从第一多层隔热组件穿出后在第一多层隔热组件和第二多层隔热组件之间 绕敏感面安装架上圆盘的外圆盘绕，再从第二多层隔热组件穿出，引至内胆封闭一端的圆 心处，并从圆心处穿出最后从外壳引出。
[0020] 所述敏感面热电偶的引线在第一多层隔热组件和第二多层隔热组件之间盘线盘 线长度> 50mm。
[0021] 所述敏感面的厚度小于或等于〇· 15mm。
[0022] 所述内胆电热偶的引线紧贴内胆下底面的圆心盘绕，并从外壳封闭一端的开口引 出。
[0023] 本发明的一种三级隔热式热流计的外热流测量方法，利用所述敏感面热电偶测量 得到的温度T m以及内胆热电偶测得的温度Tn，所述外热流大小Q根据如下公式获得：
[0024] ε。Tm4 = Q+a (Tn_Tm) +b (Tn4_Tm4)
[0025] 其中，ε表示敏感面的半球发射率，σ表示斯蒂芬波尔兹曼常数，a为敏感面和内 胆之间基于导热换热的系数，b为敏感面和内胆之间基于辐射换热的系数。
[0026] 与现有技术相比本发明具有如下有益效果：
[0027] (1)本发明基于热流计测量原理，通过从敏感面到内胆、内胆到外壳、外壳到热流 计安装面的三级隔热构型设计，其中安装架均选用低热导率材料，并采用多层隔热组件使 得内胆到敏感面的辐射漏热可以忽略，使得热流计辅助部件到敏感面的漏热为可修正的小 量值。相对此前同类热流计外热流达到150W/m 2时，仍然存在10W/m2以上的测量误差，通过 仿真分析软件IDEAS-TMG建立本热流计数学模型，可分析得到本热流计将对热流的测量精 度提高到优于2W/m 2,从而确保航天器热平衡试验的准确性和有效性。
[0028] (2)本发明针对现有热流计很少考虑的热电偶丝漏热进行抑制，对敏感面热电偶 延长线及其走线方式进行精细化设计，大大减小热电偶的漏热，使其漏热可以忽略，从而有 效地提高了本热流计测量精度，特别是在低热流范围段，对于有深低温空间外热流模拟需 求的热平衡试验很有应用价值。
[0029] (3)本发明相对于现有的热流计，主要零件均可机加而成，多级隔热构型方式结构 牢固，其产品一致性高，不会在拆装过程中轻易破坏其传热特性，重复使用性好，可以节省 大量的热流计研制费用。
[0030] (4)本发明热流计既可用于稳态热流测量，又可用于瞬态热流测量，相对于之前的 多层隔热式绝热型热流计和热屏等温型热流计具有更广泛的适用性。
[0031] (5)本发明的热流计无需定期标定，也不需要恒温控制系统即可实现热流的高精 度测量，在简化试验准备工作和复杂程度、节约型号热平衡试验成本和周期方面具备优势。
【专利附图】
【附图说明】
[0032] 图1为本发明三级隔热式热流计的结构示意图；
[0033] 图2为本发明三级隔热式热流计的热电偶引线在敏感面下表面的走线示意图；
[0034] 图3为本发明三级隔热式热流计的热电偶引线在敏感面两层多层隔热组件之间 的走线示意图。
[0035] 其中，1-敏感面，2-内胆，3-外壳，4-敏感面安装架，5-内胆安装架，6-外壳安装 架，7-敏感面热电偶，8-内胆热电偶，9-第一多层隔热组件，10-第二多层隔热组件，11-黑 漆涂层，12-镀铝膜，13-热流计安装面。
【具体实施方式】
[0036] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0037] 本发明提供了一种三级隔热式热流计，如图1所示，包括敏感面1、内胆2、外壳3、 敏感面安装架4、内胆安装架5、外壳安装架6、敏感面热电偶7、内胆热电偶8、多层隔热组 件、黑漆涂层11和镀铝膜12 ;外壳3和内胆2均为一端封闭、一端开口的中空圆柱状结构； 内胆2的开口一端向外延伸出径向凸缘；
[0038] 外壳安装架6、内胆安装架5以及敏感面安装架4均由上、下圆盘以及支撑于两圆 盘之间的圆柱组成，其剖面呈"工"字形；
[0039] 外壳安装架6安装在舱体表面的热流计安装面13上，外壳3同轴安装于外壳安装 架6的上圆盘之上；
[0040] 内胆安装架5有4个，靠近外壳3内表面并以90度间隔分布于外壳3封闭一端的 底面上；
[0041] 内胆2同轴置于外壳3的空腔内，内胆2的径向凸缘由4个内胆安装架5支撑并 与外壳3的开口端对应，径向凸缘的下表面与外壳3的开口的上表面之间留有间隙；内胆2 下底面与外壳3下底面之间有间隙，使内胆2外表面与外壳3内表面之间形成连通的隔热 腔；
[0042] 敏感面安装架4同轴置于内胆2封闭一端的底面上，圆形敏感面1安装于敏感面 安装架4之上，敏感面1上表面与径向凸缘上表面位于同一水平高度；
[0043] 敏感面热电偶7安装于敏感面1下表面圆心处；内胆热电偶8安装于内胆2封闭 一端的下表面的圆心处；敏感面1的外沿与内胆2的内表面之间留有间隙；
[0044] 敏感面1和敏感面安装架4安装成为一体的敏感面组件后，多层隔热组件敷设于 敏感面组件的下表面；
[0045] 敏感面1上表面、径向凸缘上表面和内胆2内表面均涂覆有发射率大于0. 85的黑 漆涂层11 ;内胆2外表面和外壳3内、外表面均粘贴镀铝膜12。
[0046] 内胆安装架5、外壳安装架6和敏感面安装架4均选用聚酰亚胺或玻璃钢材料低热 导率的材料加工而成。
[0047] 采用低传导率材料加工外壳安装架6将热流计固定在舱体表面的热流计安装面 13上，作为第一级隔热结构，以此降低舱体表面对外壳3的热传导；内胆2外表面和外壳3 内表面之间的空间形成了第二级隔热结构，在内胆2外表面、外壳3内、外表面粘贴镀铝膜 12,减小外壳3和内胆2之间的辐射漏热；敏感面1与内胆2之间的空间形成第二级隔热结 构，同时在敏感面1、径向凸缘上表面和内胆2内表面涂覆黑漆涂层11，使得内胆2和敏感 面1的温度尽量保持一致，尽量减小内胆2到敏感面1的辐射漏热；最终使得舱体表面的热 辐射对来自空间的热流测量精度的影响降到减小。
[0048] 考虑到内胆2与敏感面1的温度均匀，内胆2的径向凸缘宽度> 5mm。
[0049] 考虑到要尽量降低敏感面1与内胆2的温差，减小漏热量，内胆2与敏感面1外沿 不能接触，要留有间隙，而且该间隙要尽量小，最大程度减小漏热，同时兼顾到装配方便，本 发明中敏感面1外沿与内胆2内侧表面之间间隙范围控制在0· 1mm至1.0mm之间；同理，内 胆2的径向凸缘下表面与外壳3边缘上表面之间间隙范围控制在0. 1_至1.0mm之间。
[0050] 多层隔热组件包括第一多层隔热组件9和第二多层隔热组件10,依次敷设在敏感 面组件的下表面；敏感面热电偶7的引线紧贴敏感面1下表面绕敏感面安装架4上圆盘外 圆盘绕后，从第一多层隔热组件9穿出，引线在第一多层隔热组件9和第二多层隔热组件10 之间绕敏感面安装架4上圆盘外圆盘绕，再从第二多层隔热组件10穿出，引至内胆2下底 面的中心处，并从中心处穿出最后从外壳3引出。热电偶的引线在敏感面1下底面盘绕，保 证引线与敏感面1有足够的接触长度，使得热电偶尽可能表征敏感面1温度；引线在两层多 层隔热组件之间盘绕，是为了延长引线长度，减少漏热。敏感面热电偶7的引线在第一多层 隔热组件9和第二多层隔热组件10之间盘线盘线长度彡50mm。
[0051] 为了提高敏感面1对温度的响应速度，使得本发明的热流计可用于瞬态热流测 量，要减小敏感面1厚度，因此敏感面1的厚度要满足小于或等于〇. 15mm。
[0052] 为了使内胆热电偶8尽可能的表征内胆2的温度，内胆电热偶的引线紧贴内胆2 封闭一端的下表面的圆心盘绕，并从外壳3引出。
[0053] 根据能量守恒原理，敏感面热电偶7测得的热量等于实际空间辐射的热流、内胆2 对于敏感面1基于导热换热的漏热以及基于辐射换热的漏热之和，即：
[0054] ε。Tm4 = Q+a (Tn_Tm) +b (Tn4_Tm4)
[0055] 其中，ε表示敏感面1的半球发射率，σ表示斯蒂芬波尔兹曼常数，a为敏感面1 和内胆2之间基于导热换热的系数，b为敏感面1和内胆2之间基于辐射换热的系数，L为 敏感面热电偶7测量得到的温度，T n为内胆2热电偶测得的温度，Q为外热流大小；
[0056] 获得与实际空间辐射热流尽量趋近的测量值，需对公式右边后两项（即传导和辐 射寄生漏热）进行抑制，本发明中采用的三级隔热结构，很大程度上抑制了寄生漏热，在测 量精度允许范围内，寄生漏热可以忽略，外热流即为敏感面1温度的单调函数。若测量精度 要求较高，寄生漏热不能忽略，也可通过定量计算修正准确获得外热流大小。
[0057] 本实施例中：敏感面1外沿与内胆2内侧表面的间隙为0· 50mm±0. 1mm，以保 证敏感面1外沿与内胆2内侧表面无接触；内胆2下表面与外壳3边缘上表面的间隙为 0. 30mm±0. 1mm，以保证内胆2下表面与外壳3边缘上表面无接触；第一多层隔热组件9和 第二多层隔热组件10之间热电偶盘线长度> 50mm，盘绕时注意引线不能相互搭接。
[0058] 综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在 本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护 范围之内。
【权利要求】
1. 一种三级隔热式热流计，其特征在于，包括敏感面（1)、内胆（2)、外壳（3)、敏感面安 装架（4)、内胆安装架（5)、外壳安装架（6)、敏感面热电偶（7)、内胆热电偶（8)、多层隔热组 件、黑漆涂层（11)和镀铝膜（12); 所述外壳（3)和内胆（2)均为一端封闭、一端开口的中空圆柱状结构；所述内胆（2)的 开口一端向外延伸出径向凸缘； 所述外壳安装架（6)、内胆安装架（5)以及敏感面安装架（4)均由上、下圆盘以及支撑 于两圆盘之间的圆柱组成，其剖面呈"工"字形； 所述外壳安装架（6)安装在舱体表面的热流计安装面（13)上，所述外壳（3)同轴安装 于外壳安装架（6)的上圆盘之上； 所述内胆安装架（5)有4个，靠近外壳（3)内表面并以90度间隔分布于外壳（3)封闭 一端的底面上； 所述内胆⑵同轴置于所述外壳⑶的空腔内，内胆⑵的径向凸缘由所述4个内胆 安装架（5)支撑并与外壳（3)的开口端对应，所述径向凸缘的下表面与外壳（3)的开口的 上表面之间留有间隙；内胆（2)下底面与外壳（3)下底面之间有间隙，使内胆（2)外表面与 外壳（3)内表面之间形成连通的隔热腔； 所述敏感面安装架（4)同轴置于所述内胆（2)封闭一端的底面上，圆形敏感面（1)安 装于所述敏感面安装架（4)之上，敏感面（1)上表面与所述径向凸缘上表面位于同一水平 高度； 所述敏感面热电偶（7)安装于敏感面（1)下表面圆心处；内胆热电偶（8)安装于内胆 (2)封闭一端的下表面的圆心处；敏感面⑴的外沿与内胆⑵的内表面之间留有间隙； 所述敏感面（1)和敏感面安装架（4)安装成为一体的敏感面组件后，多层隔热组件敷 设于敏感面组件的下表面； 所述敏感面（1)上表面、径向凸缘上表面和内胆（2)内表面均涂覆有发射率大于0.85 的黑漆涂层（11);所述内胆（2)外表面和外壳（3)内、外表面均粘贴镀铝膜（12)。
2. 根据权利要求1所述的一种三级隔热式热流计，其特征在于，所述内胆安装架（5)、 外壳安装架（6)和敏感面安装架（4)均选用聚酰亚胺或玻璃钢材料加工而成。
3. 根据权利要求1所述的一种三级隔热式热流计，其特征在于，内胆（2)的径向凸缘宽 度 > 5mm。
4. 根据权利要求1所述的一种三级隔热式热流计，其特征在于，所述敏感面（1)外沿与 内胆⑵内侧表面之间间隙范围在〇· 1mm至1. 〇mm之间。
5. 根据权利要求1所述的一种三级隔热式热流计，其特征在于，所述内胆（2)的径向凸 缘下表面与外壳（3)边缘上表面之间间隙范围在0. 1mm至1. 0mm之间。
6. 根据权利要求1所述的一种三级隔热式热流计，其特征在于，所述多层隔热组件包 括第一多层隔热组件（9)和第二多层隔热组件（10)，依次敷设在所述敏感面组件的下表 面；所述敏感面热电偶（7)的引线紧贴敏感面（1)下表面并绕敏感面安装架（4)上圆盘的 外圆盘绕，从第一多层隔热组件（9)穿出后在第一多层隔热组件（9)和第二多层隔热组件 (10)之间绕敏感面安装架（4)上圆盘的外圆盘绕，再从第二多层隔热组件（10)穿出，引至 内胆（2)封闭一端的圆心处，并从圆心处穿出最后从外壳（3)引出。
7. 根据权利要求1所述的一种三级隔热式热流计，其特征在于，所述敏感面热电偶（7) 的引线在第一多层隔热组件（9)和第二多层隔热组件（10)之间盘线盘线长度> 50mm。
8. 根据权利要求1所述的一种三级隔热式热流计，其特征在于，所述敏感面（1)的厚度 小于或等于〇· 15mm。
9. 利要求1所述的一种三级隔热式热流计，其特征在于，所述内胆电热偶的引线紧贴 内胆⑵下底面的圆心盘绕，并从外壳⑶封闭一端的开口引出。
10. -种基于权利要求1所述的热流计的外热流测量方法，其特征在于，利用所述敏感 面热电偶⑵测量得到的温度^以及内胆热电偶⑶测得的温度1；，所述外热流大小Q根 据如下公式获得： ε 〇Tm4 = Q+a(Tn-Tm)+b(Tn4_Tm 4) 其中，ε表示敏感面（1)的半球发射率，〇表示斯蒂芬波尔兹曼常数，a为敏感面（1) 和内胆（2)之间基于导热换热的系数，b为敏感面（1)和内胆（2)之间基于辐射换热的系 数。
【文档编号】G01K17/06GK104062036SQ201410256983
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月11日 优先权日:2014年6月11日
【发明者】周宇鹏, 赵啟伟, 赵欣, 钟奇, 张宁莉, 赵剑锋, 王帅 申请人:北京空间飞行器总体设计部