邢志芹，趙啟偉

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

0 引言

通常來說，對(duì)于三軸穩(wěn)定衛(wèi)星，不同時(shí)刻、不同方向星體外表面吸收外熱流變化很大[1]。因此，在進(jìn)行衛(wèi)星熱平衡試驗(yàn)時(shí)，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(shí)環(huán)境。這就要求熱流計(jì)能夠?qū)λ沧儫崃鬟M(jìn)行快速、準(zhǔn)確的測(cè)量。

目前我國(guó)應(yīng)用于外熱流測(cè)量的主要熱流計(jì)包括絕熱型熱流計(jì)和熱屏等溫型熱流計(jì)。絕熱型熱流計(jì)由表面噴涂黑漆的銅片和背面多層隔熱組件制成，用于測(cè)出到達(dá)熱流，并在假定紅外吸收率等于表面發(fā)射率[2]的情況下求得吸收熱流值。熱屏等溫型熱流計(jì)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(cè)量與取值誤差，直接測(cè)量所吸收的輻射熱流[3]。該熱流計(jì)在使用之前需要獲得吸收熱流對(duì)敏感面溫度的標(biāo)定曲線，使用時(shí)維持熱屏溫度不 變，才能根據(jù)熱流計(jì)敏感面達(dá)到的穩(wěn)定溫度測(cè)出吸收熱流。從目前的工程實(shí)際來看，這2 種熱流計(jì)主要用于航天器穩(wěn)態(tài)熱平衡試驗(yàn)中的熱流測(cè)量[4-6]，很少用于航天器瞬態(tài)熱平衡試驗(yàn)，主要是因?yàn)樗鼈兊膭?dòng)態(tài)特性尚不能滿足瞬變熱流的測(cè)量要求。

本文提出的卡計(jì)法熱流計(jì)是針對(duì)上述2 種熱流計(jì)對(duì)瞬變熱流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力不足而提出的一種熱流計(jì)，對(duì)瞬變熱流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性更優(yōu)，能滿足瞬變熱流的測(cè)量要求。

1 卡計(jì)法熱流計(jì)結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)

卡計(jì)法熱流計(jì)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(nèi)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(jié)構(gòu)的固定不變，又能盡量減少兩者之間的導(dǎo)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(shí)控制該溫差熱電偶的溫度差為零，實(shí)現(xiàn)熱屏對(duì)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(jì)法熱流計(jì)所測(cè)熱流為敏感面溫度的單值函數(shù)，與熱屏溫度無(wú)關(guān)。

圖1 卡計(jì)法熱流計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of calorimetric radiometer

2 卡計(jì)法熱流計(jì)測(cè)量瞬態(tài)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(shí)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(fā)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(zhì)量；Cp為敏感面比熱容；A為敏感面面積。

根據(jù)式(1)可知，卡計(jì)法熱流計(jì)不必等到敏感面的溫度達(dá)到平衡，就能通過敏感面測(cè)量溫度Ts、系數(shù)F以及溫升速率dTs/dτ計(jì)算得出敏感面表面的瞬變熱流值qs，從而節(jié)省了測(cè)量時(shí)間。

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

3 卡計(jì)法熱流計(jì)對(duì)瞬態(tài)熱流的測(cè)量試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

試驗(yàn)在真空罐內(nèi)進(jìn)行，將熱流計(jì)安裝在方形底板上，熱流計(jì)敏感面主加熱器的加熱功率（相當(dāng)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(jìn)行調(diào)節(jié)，在底板上方約500 mm 處安裝紅外燈陣。試驗(yàn)主要研究熱流計(jì)對(duì)紅外燈陣瞬變熱流的測(cè)量情況。首先通過改變敏感面主加熱器的功率給熱流計(jì)一個(gè)瞬變熱流，考察熱流計(jì)對(duì)瞬變熱流的測(cè)量響應(yīng)；然后改變紅外燈陣熱流，考察熱流計(jì)對(duì)紅外燈陣瞬變熱流的測(cè)量響應(yīng)。為控制敏感面溫度的變化范圍，將燈陣電流ⅠL設(shè)置在2～3 A 之間，試驗(yàn)分3 種工況進(jìn)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(gè)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(gè)負(fù)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(diào)至3 A，給熱流計(jì)一個(gè)正向的瞬變熱流。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 熱流計(jì)對(duì)主加熱器瞬變熱流的測(cè)量

1）工況1

圖2給出了燈陣電流為2 A 時(shí)，增大主加熱器加熱電流后，敏感面溫度、測(cè)量熱流以及給定加熱熱流變化曲線。為了更好地看出各個(gè)熱流變化階段的數(shù)據(jù)，表1給出了熱流發(fā)生瞬變時(shí)的測(cè)量熱流和實(shí)際熱流的對(duì)比數(shù)據(jù)。

由于實(shí)際熱流的變化為正向瞬變過程?？紤]到溫度擾動(dòng)的存在，以測(cè)量熱流與實(shí)際熱流的差出現(xiàn)正值的時(shí)間作為熱流計(jì)測(cè)量瞬態(tài)熱流的響應(yīng)時(shí)間（測(cè)量熱流圍繞實(shí)際熱流開始出現(xiàn)波動(dòng)的時(shí)間）。由表1可以看出，每個(gè)階段熱流計(jì)的響應(yīng)時(shí)間約為30 s，熱流測(cè)量精度在5 W/m2左右。

圖2 敏感面溫度、測(cè)量熱流在主加熱器功率增大時(shí)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(jì)測(cè)量熱流和實(shí)際熱流對(duì)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(shí)，減小敏感面主加熱器電流后，敏感面溫度、測(cè)量熱流和給定加熱熱流的變化曲線。

圖3 敏感面溫度、測(cè)量熱流在主加熱器功率減小時(shí)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(fā)生瞬變時(shí)的測(cè)量熱流和實(shí)際熱流的部分對(duì)比數(shù)據(jù)。由圖3以及表2可以看出，在燈陣熱流不變時(shí)，熱流計(jì)對(duì)敏感面主加熱器的負(fù)向熱流的響應(yīng)時(shí)間約為30 s（雖然第10 s 時(shí)熱流計(jì)所測(cè)熱流已經(jīng)低于實(shí)際熱流，但同實(shí)際熱流相差較大，不能以該時(shí)間點(diǎn)作為熱流計(jì)響應(yīng)時(shí)間），熱流測(cè)量精度也在5 W/m2左右。

表2 熱流計(jì)測(cè)量熱流和實(shí)際熱流對(duì)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(jì)對(duì)燈陣瞬變熱流的測(cè)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(shí)，熱流計(jì)測(cè)得的熱流曲線。

圖4 燈陣熱流突變時(shí)熱流計(jì)測(cè)量曲線Fig.4 Measured curve of radiometer with mutation of infrared lamp

由圖可以看出，當(dāng)敏感面主加熱器功率不變，只是增大燈陣的功率時(shí)，熱流計(jì)測(cè)量熱流經(jīng)歷了一個(gè)逐漸上升的階段。為了更好地反映測(cè)量熱流的變化過程，表3給出了測(cè)量熱流和實(shí)際熱流的數(shù)據(jù)比較。

表3 燈陣熱流突變時(shí)熱流計(jì)測(cè)量熱流和實(shí)際熱流對(duì)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(jié)一樣，以測(cè)量熱流和實(shí)際熱流的差出現(xiàn)正值的時(shí)間（測(cè)量熱流開始圍繞實(shí)際熱流波動(dòng)的時(shí)刻）作為熱流計(jì)對(duì)瞬態(tài)熱流的響應(yīng)時(shí)間。由 表3可以看出，當(dāng)燈陣功率加大時(shí)，熱流計(jì)的測(cè)量熱流并非直接突變至實(shí)際熱流，而是慢慢增大至與實(shí)際熱流相近，時(shí)間大約為105 s。而由3.2.1 節(jié)中的試驗(yàn)結(jié)果可知，熱流計(jì)對(duì)瞬變熱流的響應(yīng)時(shí)間約為30 s。這里之所以出現(xiàn)105 s 左右的響應(yīng)時(shí)間，應(yīng)該是因?yàn)榧t外燈陣本身的輸出熱流有一個(gè)逐漸穩(wěn)定的過程。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，該過程所需要的時(shí)間不少于1 min。

4 結(jié)論

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

2）試驗(yàn)研究表明，卡計(jì)法熱流計(jì)對(duì)瞬變熱流的響應(yīng)時(shí)間約為30 s，測(cè)量精度在5 W/m2左右。

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

（References）

[1]徐麗, 賈宏.外熱流瞬態(tài)模擬中絕熱型熱流計(jì)的應(yīng)用研究[C]//第五屆空間熱物理會(huì)議論文集, 2000∶513-520

[2]文耀普.衛(wèi)星熱實(shí)驗(yàn)的紅外加熱技術(shù)[C]//第一屆空間熱物理會(huì)議, 1974∶30-31

[3]華誠(chéng)生, 顧天錚.紅外模擬用吸收式熱流計(jì)的研制[J].環(huán)模技術(shù), 1991

[4]Stefanescu S, DeAnna R G, Mehregany M.Experiment performance of a micromachined heat flux sensor, ARL-MR-363[R], 1998

[5]Terrell, Hager J P, Onishi J M, et al.Heat flux microsensor measurements, AIAA 92-5038[R]

[6]Ash R L, Wright R E Jr.Design considerations for gardon heat flux sensors, AIAA 71-470[R].Tullahoma, TN∶AIAA 6thThermophysics Conference, 1971

[7]劉引, 瞿鵬, 劉宏.測(cè)溫系統(tǒng)的配接方式[J].鍋爐制造, 2004(3)∶79-80 Liu Yin, Qu Peng, Liu Hong.Distribution style of thermometrical system[J].Boiler Manufacturing, 2004(3)∶79-80

[8]余雋, 唐禎安, 張鳳田, 等.微橋量熱計(jì)測(cè)量鋁薄膜熱容[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 46(5)∶752-755

[9]厲學(xué)武, 徐抗震, 郭軍剛, 等.微量熱法測(cè)定二鉬酸銨比熱容[J].中國(guó)鉬業(yè), 2007, 31(4)∶35-37 Li Xuewu, Xu Kangzhen, Guo Jungang, et al.Determination of specific heat capacity of (NH4)2Mo2O7by microcalorimetry[J].China Molybdenum Industry, 2007, 31(4)∶35-37

[10]Lzaguirre F, Fishman L, Calorimetric A.Approach for measuring emittance and normal spectral absorptance at elevated temperature, AIAA 84-1801[R].Snowmass, CO∶AIAA 19thThermophysics Conference, 1984