本发明涉及一种防热瓦高温发射率测量试验装置及方法，属于高温发射率测量技术领域。
背景技术：
随着高速飞行器飞行马赫数越来越高，气动热环境更加严酷，对热防护系统的要求也越来越高：既要求热防护材料轻，能提高飞行器的性能和效益，又要求其热导率低，能起到有效隔热、保障舱内设备正常工作的目的。
目前低密度、低热导率(0.03～0.05w/m.k)、不导电的防热瓦倍受关注。由于防热瓦低热导率会导致气动加热的能量集中在外表面，外表面温度极高，辐射散热量特别大，发射率(全波半球发射率)对其表面温度的影响尤其明显，是热防护系统设计和评估的关键参数之一。
高温发射率的常规测量方法通常要求样品导电，或能被瞬间加热至高温，对不导电、低热导率的防热瓦并不适用。目前国内外都缺乏防热瓦的高温发射率数据，现在一般普遍假定防热瓦的高温发射率在0.3～0.8之间，而当飞行器防热瓦发射率分别为0.3和0.8时，外表面温度相差100℃左右。因此，亟需一种防热瓦高温发射率测量试验装置及方法，能获得防热瓦高温状态的全波段半球发射率，用于实现更加准确的结构热防护设计和评估。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种能实现高温状态下防热瓦的发射率测量的试验装置及方法，能实现更加准确的结构热防护设计和评估，以填补国内防热瓦高温发射率测量领域的空白。
本发明的技术解决方案：一种防热瓦高温发射率测量试验装置，包括防热瓦试件、光谱发射率测量系统、法向发射率测量系统、功率温度测量系统和处理单元；
所述的光谱发射率测量系统包括光谱仪，光谱仪测量常温下防热瓦试件在0～λrmax波长的光谱发射率并送入处理单元，其中λrmax为热像仪工作波长范围的最大值；
所述的法向发射率测量系统包括常温黑体炉、高温黑体炉和热像仪，防热瓦试件分别安装在常温黑体炉和高温黑体炉内，热像仪测量防热瓦试件在常温和高温下的辐射量并送入处理单元；
所述的功率温度测量系统包括真空腔、温度采集系统、激光器和功率计，所述的防热瓦试件安装在真空腔内，所述的温度采集系统预埋在防热瓦试件加热一侧的表面，所述的激光器加热防热瓦试件，功率计和温度采集系统分别将激光功率和防热瓦试件表面温度送入处理单元；
所述的处理单元对0～λrmax波长的光谱发射率、常温及高温下的辐射量、激光功率和防热瓦试件表面温度进行分析处理，得到防热瓦高温发射率。
所述的防热瓦试件设计：
根据飞行器热防护结构的形式设计防热瓦试件的结构形式和厚度，根据激光器能量均匀区的大小设计防热瓦试件的长度和宽度，要求防热瓦试件在激光均匀区内。
所述的光谱仪用来测量0～λrmax波长范围内的光谱发射率，只要能满足波长要求即可，如采用红外傅里叶光谱仪。
所述的热像仪工作波长的设定要保证防热瓦在此波长范围内不透波，所述的常温黑体炉和高温黑体炉为本领域公知技术，其中高温黑体炉加热温度为防热瓦所需测量的高温发射率要求的温度。
所述的激光器要满足能将防热瓦试件加热到所需温度的功率，并保证能连续加热，其波长在热像仪工作波长范围内。如可采用连续co2激光器，其波长为10.64μm，热像仪采用长波红外热像仪，其工作波长范围为8～12μm。
激光器功率通过以下方式确定：
其中p为到达防热瓦试件表面的激光功率，单位为w；
a为激光能量均匀区的面积，单位为m2；
σ为黑体辐射常数，5.67×10-8w(m2.k4)；
t为拟测量的防热瓦表面温度(比如要测量表面温度为1000k的高温发射率，则t就是1000k，按照上边公式可以简单估算所需要的激光功率)，单位为k。
若激光器稳定工作的功率p激光器远大于p，则需要在防热瓦试件前增加相应的能量衰减片，要求激光器稳定工作的功率p激光器经过衰减后能满足使用要求p。
所述的功率计量程和频率要满足激光器使用需求，其响应速度快(≤0.1s)，测温精度高，可通过数据接口与处理单元进行数据交换。
所述的温度采集系统根据需求，每隔一定周期(如0.1s)采集一个温度，并通过数据接口与处理单元进行数据交换，可以采用温度传感器或热电偶等。
温度采集系统预埋在防热瓦试件表面薄层内(距表面0.3～0.6mm)，要求内埋温度采集系统测量一致性好、温度平衡时内埋温度采集系统的测量结果与防热瓦试件外表面温度偏差<10℃，此时可利用内埋防热瓦试件测量温度代表外表面温度。
为了做对比验证，在距加工防热瓦试件外表面一定深度处(0.3～0.6mm)不同位置预埋不少于3个温度采集系统；为了避免边界效应，要求温度采集系统距防热瓦试件边界的距离≧5mm；根据测试需求选择温度采集系统的量程。
所述的真空腔根据需求进行抽真空，一般真空腔的真空度1×10-3pa～1×10-6pa即可满足要求。
所述的功率温度测量系统还包括工装卡具，用来将防热瓦试件固定安装在真空腔内，要求激光垂直照射在防热瓦试件表面。工装卡具根据需求，外表面均做喷砂处理，夹具与防热瓦试件接触点可采用圆柱形低热导率的氧化锆棒，且与被测样件之间为线接触。
所述的处理单元包括常温半球发射率确定模块、法向发射率确定模块和防热瓦高温发射率确定模块，
所述的常温半球发射率确定模块根据光谱发射率测量系统得到的0～λrmax波长的光谱发射率，确定激光器常温半球发射率
所述的法向发射率确定模块根据法向发射率测量系统测量得到的常温和高温下的辐射量，确定热像仪波长的常温法向发射率
所述的防热瓦高温发射率确定模块根据功率温度测量系统测量得到的激光功率p及防热瓦试件表面温度t、常温半球发射率确定模块确定激光器常温半球发射率
所述的常温半球发射率确定模块根据光谱发射率测量系统得到的0～λrmax波长的光谱发射率，直接得到
所述的法向发射率确定模块通过以下步骤实现，
b1、根据常温黑体炉、高温黑体炉中热电偶测量得到黑体的常温温度t1，常温、高温温度t1，高温，并得到t1，常温、t1，高温下黑体辐射量q1，常温、q1，高温，对q1，常温、q1，高温进行黑体标定，得到标定后的q′1，常温、q′1，高温；
黑体标定为本领域公知技术，在此不一一赘述。
b2、热像仪测量得到黑体的常温温度t2，常温、高温温度t2，高温，以及测量得到t2，常温、t2，高温下辐射量q2，常温、q2，高温；
b3、利用步骤b1、b2得到的q′1，常温、q′1，高温、q2，常温、q2，高温，确定修正系数δ常温、δ高温；
δ常温＝q′1,常温/q2,常温
δ高温＝q′1,高温/q2,高温。
b4、防热瓦试件分别放入常温黑体炉和高温黑体炉中，热像仪测量得到防热瓦试件常温温度t3，常温和高温温度t3，高温，以及t3，常温、t3，高温下辐射量q3，常温、q3，高温；
b5、利用步骤b3得到的修正系数δ常温、δ高温，对步骤b4得到辐射量q3，常温、q3，高温进行修正，得到修正后的辐射量q′3，常温、q′3，高温；
b6、利用公式
本步骤中利用温度得到辐射量为本领域公知技术，具体详见《红外物理》，石晓光、宦克为，高兰兰，浙江大学出版社。
b7、利用公式
所述的防热瓦高温发射率确定模块通过以下步骤实现，
c1、建立防热瓦三维传热仿真模型；
本步骤为公知技术，可以利用商用fluent软件进行建模。
c2、根据功率温度测量系统测量得到的激光功率p和防热瓦试件表面温度t，利用公式得到实际加载在防热瓦表面的净热流
初始时，假设的全波段高温半球发射率
c3、将步骤c2得到的净热流q净热流加载到步骤c1建立的防热瓦三维传热仿真模型的表面，得到防热瓦三维传热仿真模型的表面温度t′；
本步骤为公知技术，可以利用商用fluent软件进行三维传热仿真分析。
c4、对比t′和t，若不满足t′∈t±δt，δt为温度阈值，则转入步骤c5；
温度阈值δt设定根据实际需要确定，值越小，得到的防热瓦高温发射率越精确，可能迭代的次数越多。
c5、修改
一种防热瓦高温发射率测量试验方法，通过以下步骤实现：
第一步，利用光谱仪测量防热瓦试件在0～λrmax波长下的光谱发射率，确定激光器常温半球发射率
光谱仪测量的0～λrmax波长的光谱发射率，直接可得到
普朗克公式为本领域公知技术。
第二步，热像仪测量常温和高温下的辐射量，确定热像仪波长的常温法向发射率
a2.1、根据常温黑体炉、高温黑体炉中热电偶测量得到黑体的常温温度t1，常温、高温温度t1，高温，并得到t1，常温、t1，高温下黑体辐射量q1，常温、q1，高温，对q1，常温、q1，高温进行黑体标定，得到标定后的q′1，常温、q′1，高温；
黑体标定为本领域公知技术，在此不一一赘述。
a2.2、热像仪测量得到黑体的常温温度t2，常温、高温温度t2，高温，以及测量得到t2，常温、t2，高温下辐射量q2，常温、q2，高温；
a2.3、利用步骤a2.1、a2.2得到的q′1，常温、q′1，高温、q2，常温、q2，高温，确定修正系数δ常温、δ高温；
δ常温＝q′1,常温/q2,常温
δ高温＝q′1,高温/q2,高温。
a2.4、防热瓦试件分别放入常温黑体炉和高温黑体炉中，热像仪测量得到防热瓦试件常温温度t3，常温和高温温度t3，高温，以及t3，常温、t3，高温下辐射量q3，常温、q3，高温；
a2.5、利用步骤a2.3得到的修正系数δ常温、δ高温，对步骤a2.4得到辐射量q3，常温、q3，高温进行修正，得到修正后的辐射量q′3，常温、q′3，高温；
a2.6、利用公式
本步骤中利用温度得到辐射量为本领域公知技术。
a2.7、利用公式
第三步，确定全波段高温半球发射率
a3.1、将温度采集系统预埋在防热瓦试件加热一侧的表面，一起放入真空腔内，利用激光器加热防热瓦试件，要求激光垂直照射在防热瓦试件表面，利用功率计测量激光功率p，温度采集系统测量防热瓦试件表面温度t；
a3.2、建立防热瓦三维传热仿真模型；
本步骤为公知技术，可以利用商用fluent软件进行建模。
a3.3、根据步骤a3.1得到的激光器的激光功率p和防热瓦试件表面温度t，利用公式得到实际加载在防热瓦表面的净热流
初始时，假设的全波段高温半球发射率
a3.4、将步骤a3.3得到的净热流q净热流加载到步骤a3.2建立的防热瓦三维传热仿真模型的表面，得到防热瓦三维传热仿真模型的表面温度t′；
本步骤为公知技术，可以利用商用fluent软件进行三维传热仿真分析。
a3.5、对比t′和t，若不满足t′∈t±δt，δt为温度阈值，则转入步骤a3.6；
温度阈值δt设定根据实际需要确定，值越小，得到的防热瓦高温发射率越精确，可能迭代的次数越多。
a3.6、修改
本发明与现有技术相比的有益效果：
(1)本发明实现了防热瓦高温发射率的测量，填补了国内在高温状态防热瓦发射率测量领域的空白，为实现更加准确的结构热防护设计和评估提供指导依据，具有很好的科学意义与工程应用前景；
(2)本发明可适用于各类低热导率、不导电、不透波的非金属材料。
附图说明
图1为本发明结构框图。
具体实施方式
下面结合具体实例及附图对本发明进行详细说明。
本发明如图1所示，包括防热瓦试件、光谱发射率测量系统、法向发射率测量系统、功率温度测量系统和处理单元，光谱发射率测量系统包括光谱仪，法向发射率测量系统包括常温黑体炉、高温黑体炉和热像仪，功率温度测量系统包括真空腔、温度采集系统、激光器和功率计。
处理单元包括常温半球发射率确定模块、法向发射率确定模块和防热瓦高温发射率确定模块，常温半球发射率确定模块根据光谱发射率测量系统得到的0～λrmax波长的光谱发射率，确定激光器常温半球发射率
具体方法如下：
一、设计方案确定，开展试验。
1、防热瓦试件设计
确定防热瓦试件结构、厚度、长度和宽度，试验件尺寸为28×15mm，厚度方向为13.5mm。防热瓦试件在激光均匀区内。
2、确定内埋热电偶的位置、量程
在防热瓦试件设置a、b、c三个测点，测点a位于防热瓦试件的中心位置；测点b和测点c与测点a的距离为8mm，测点b和测点c距长度方向的边界为6mm，测点b和测点c距宽度方向的边界为7.5mm。在测点上各安装1个热电偶，热电偶结点距上表面0.5mm；根据试验需求(600～1100℃)确定本试验热电偶的量程为0～1200℃。
3、选择试验设备和系统
(1)选择黑体炉
根据试验需求，确定本试验采用的黑体炉如下：
hfy-100黑体：温度范围，室温～800℃；温度分辨率0.1℃；发射率0.99。hfy-203d黑体：温度范围，800℃～1600℃；温度分辨率1℃；发射率0.99。
(2)选择长波红外热像仪
本试验采用的长波红外热像仪的波长8～12μm。
(3)选择co2激光器
根据需求本试验需要的激光器功率>100w即可，再结合目前试验室的激光器型号，选择的激光器最大功率为3000w。为了保证激光器稳定工作，在试件前增加了两个50％的激光能量衰减片，经过衰减后的激光功率可满足使用要求。
(4)选择功率计
选择激光器配套的功率计，可通过rs232接口与计算机进行数据交换。
(5)选择温度采集系统
根据需求，每隔0.1s采集一个温度，过rs232接口与计算机进行数据交换。
(6)加工工装卡具
根据需求，工装卡具外表面均做喷砂处理，夹具与被测样品接触点采用圆柱形低热导率的氧化锆棒，且与被试件之间为线接触。
(7)真空腔
根据需求，真空腔的真空度1×10-3pa～1×10-6pa，精度15％。
4、测量常温光谱发射率
利用红外傅里叶光谱仪测量0～12μm波长的光谱发射率。
5、测量法向发射率
利用黑体炉和长波红外热像仪，测量常温和高温下的法向发射率。
6、激光加热试验
开展激光加热试验，利用激光垂直入射试验件表面，记录激光功率p、各测点的t。本试验分别确定了600、700、800、900、1000、1100℃几个待测温度进行试验。
二、防热瓦高温发射率试验数据分析。
1、获得ε10.64μm,半球,常温、ε8～12μm,半球,常温：
利用红外傅里叶光谱仪测量各个波长的光谱发射率，可直接获得ε10.64μm,半球,常温。
采用普朗克公式对波长积分后与黑体辐射能的比值，获得ε8～12μm,半球,常温，普朗克公式如下：
与黑体辐射能的比值如下：
其中c1为第一辐射常数，3.7418×10-16w.m2；c2为第二辐射常数，1.4388×10-2m.k；σ为黑体辐射常数，5.67×10-8w(m2.k4)。
2、获得ε8～12μm,法向,高温、ε8～12μm,法向,常温：
针对黑体，利用热电偶测量的黑体温度t1，获得温度t时的黑体辐射量值q1；
针对黑体，根据热像仪测量的黑体温度t2，获得热像仪探测到的辐射量值q2；
标定黑体的发射率(比如0.99)，分析真值(0.99q1)与热像仪探测到辐射量值(q2)的关系；
利用真值(0.99q1)与热像仪探测到辐射量值(q2)的关系，对热像仪测量的物体表面辐射量值q3’进行修正，获得实际物体表面的辐射量值q3；
热像仪实际的辐射量值q3与黑体辐射量值q1和环境辐射量值q环境的关系如下：
q3＝ε法向×q1+(1-ε法向)×q环境
那么
采用以上的方法分别获得ε8～12μm,法向,常温、ε8～12μm,法向,高温(600～1100。c)。
3、获得ε10.64μm,法向,高温
10.64μm的高温法向发射率计算公式是
ε10.64μm,法向,常温是根据法向发射率和半球发射率的关系获得的，如下
4、获得ε全波段,半球,高温
针对每组试验数据(激光功率、试件外表面温度)，利用fluent软件，开展三维传热仿真分析：
(1)建立防热瓦三维传热分析模型；
(2)防热瓦表面加载的实际激光功率密度为ε10.64μm,法向,高温×q到达防热瓦表面的激光功率密度，那么减去防热瓦高温辐射热流后，实际加载在防热瓦表面的净热流为
(3)模拟每次试验的激光功率密度，通过不断改变ε全波段,半球，高温，利用fluent软件计算防热瓦表面的平衡温度，直至计算结果与试验测量的该激光功率密度下的表面平衡温度符合，此时的发射率即为该温度对应的全波段半球发射率。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。