卡计法热流计测量瞬态热流的试验研究

邢志芹，赵啟伟

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

0 引言

通常来说，对于三轴稳定卫星，不同时刻、不同方向星体外表面吸收外热流变化很大[1]。因此，在进行卫星热平衡试验时，用瞬变热流模拟方法比用轨道周期平均热流模拟方法更接近飞行轨道的真实环境。这就要求热流计能够对瞬变热流进行快速、准确的测量。

目前我国应用于外热流测量的主要热流计包括绝热型热流计和热屏等温型热流计。绝热型热流计由表面喷涂黑漆的铜片和背面多层隔热组件制成，用于测出到达热流，并在假定红外吸收率等于表面发射率[2]的情况下求得吸收热流值。热屏等温型热流计由热屏和敏感面2 部分组成，避免了敏感面红外吸收率的测量与取值误差，直接测量所吸收的辐射热流[3]。该热流计在使用之前需要获得吸收热流对敏感面温度的标定曲线，使用时维持热屏温度不 变，才能根据热流计敏感面达到的稳定温度测出吸收热流。从目前的工程实际来看，这2 种热流计主要用于航天器稳态热平衡试验中的热流测量[4-6]，很少用于航天器瞬态热平衡试验，主要是因为它们的动态特性尚不能满足瞬变热流的测量要求。

本文提出的卡计法热流计是针对上述2 种热流计对瞬变热流的动态响应能力不足而提出的一种热流计，对瞬变热流的动态响应特性更优，能满足瞬变热流的测量要求。

1 卡计法热流计结构及其特点

卡计法热流计由热屏和敏感面2 大部分组成（见图1）。其中，敏感面由基板和敏感面涂层（如OSR 片）组成，基板背面粘贴2 支铜-康铜热电偶后贴康铜箔加热片。热屏为杯型，粘贴2 支铜-康铜热电偶，热屏内表面贴镀金聚酯薄膜以减少热屏和敏感面之间的辐射换热，底部贴康铜箔加热片，外表面贴聚酰亚胺膜。敏感面的四角用硅橡胶固定于热屏上，既能保证两者结构的固定不变，又能尽量减少两者之间的导热。敏感面基板背面的1 支热电偶和热屏上的1 支热电偶连接成温差热电偶，使用时控制该温差热电偶的温度差为零，实现热屏对敏感面的跟踪控温[7]，因此敏感面和热屏之间的漏热可以忽略，即卡计法热流计所测热流为敏感面温度的单值函数，与热屏温度无关。

图1 卡计法热流计结构示意图Fig.1 Schematic diagram of calorimetric radiometer

2 卡计法热流计测量瞬态热流原理

由于采用了跟踪控温的方法，热屏和敏感面的温度保持一致，热屏和敏感面之间的热交换可以忽略，所以任一时刻敏感面所接收的外热流密度qs为

式中：ε为敏感面表面发射率；σ为斯忒藩-玻耳兹曼常量；Ts为敏感面温度；m为敏感面质量；Cp为敏感面比热容；A为敏感面面积。

根据式(1)可知，卡计法热流计不必等到敏感面的温度达到平衡，就能通过敏感面测量温度Ts、系数F以及温升速率dTs/dτ计算得出敏感面表面的瞬变热流值qs，从而节省了测量时间。

计算瞬变热流首先要知道F的值，而敏感面的组成比较复杂，因此F值主要通过标定试验测出敏感面表面的接收热流和温升速率，再由公式(1)反推计算获得[8-10]。

3 卡计法热流计对瞬态热流的测量试验

3.1 试验简介

试验在真空罐内进行，将热流计安装在方形底板上，热流计敏感面主加热器的加热功率（相当于敏感面吸收的外热流）可通过改变加热器电源电流的大小来进行调节，在底板上方约500 mm 处安装红外灯阵。试验主要研究热流计对红外灯阵瞬变热流的测量情况。首先通过改变敏感面主加热器的功率给热流计一个瞬变热流，考察热流计对瞬变热流的测量响应；然后改变红外灯阵热流，考察热流计对红外灯阵瞬变热流的测量响应。为控制敏感面温度的变化范围，将灯阵电流ⅠL设置在2～3 A 之间，试验分3 种工况进行：

1）灯阵的电流保持2 A 不变，通过增大敏感面主加热器功率来给敏感面一个正向的瞬变热流；

2）灯阵的电流保持3 A 不变，通过减小敏感面主加热器功率来给敏感面一个负向的瞬变热流；

3）敏感面主加热器功率不变，灯阵电流由2.5 A调至3 A，给热流计一个正向的瞬变热流。

3.2 试验结果与分析

3.2.1 热流计对主加热器瞬变热流的测量

1）工况1

图2给出了灯阵电流为2 A 时，增大主加热器加热电流后，敏感面温度、测量热流以及给定加热热流变化曲线。为了更好地看出各个热流变化阶段的数据，表1给出了热流发生瞬变时的测量热流和实际热流的对比数据。

由于实际热流的变化为正向瞬变过程。考虑到温度扰动的存在，以测量热流与实际热流的差出现正值的时间作为热流计测量瞬态热流的响应时间（测量热流围绕实际热流开始出现波动的时间）。由表1可以看出，每个阶段热流计的响应时间约为30 s，热流测量精度在5 W/m2左右。

图2 敏感面温度、测量热流在主加热器功率增大时的 变化曲线（ⅠL=2 A）Fig.2 Variation of temperature and heat flux vs main heater power(ⅠL=2 A)

表1 热流计测量热流和实际热流对比（ⅠL=2 A）Table 1 The comparison between measured heat flux of radiometer and actual heat flux(ⅠL=2 A)

2）工况2

图3为灯阵电流为3 A 时，减小敏感面主加热器电流后，敏感面温度、测量热流和给定加热热流的变化曲线。

图3 敏感面温度、测量热流在主加热器功率减小时的 变化曲线（ⅠL=3 A）Fig.3 Variation of temperature and heat flux vs main heater power(ⅠL=3 A)

表2给出了热流发生瞬变时的测量热流和实际热流的部分对比数据。由图3以及表2可以看出，在灯阵热流不变时，热流计对敏感面主加热器的负向热流的响应时间约为30 s（虽然第10 s 时热流计所测热流已经低于实际热流，但同实际热流相差较大，不能以该时间点作为热流计响应时间），热流测量精度也在5 W/m2左右。

表2 热流计测量热流和实际热流对比（ⅠL=3 A）Table 2 The comparison between measured heat flux of radiometer and actual heat flux(ⅠL=3 A)

3.2.2 热流计对灯阵瞬变热流的测量

图4给出了敏感面主加热器功率不变，灯阵电流由2.5 A 瞬变到3 A 时，热流计测得的热流曲线。

图4 灯阵热流突变时热流计测量曲线Fig.4 Measured curve of radiometer with mutation of infrared lamp

由图可以看出，当敏感面主加热器功率不变，只是增大灯阵的功率时，热流计测量热流经历了一个逐渐上升的阶段。为了更好地反映测量热流的变化过程，表3给出了测量热流和实际热流的数据比较。

表3 灯阵热流突变时热流计测量热流和实际热流对比Table 3 The comparison between measured heat flux of radiometer and actual heat flux with transient increase of ⅠL

同3.2.1 节一样，以测量热流和实际热流的差出现正值的时间（测量热流开始围绕实际热流波动的时刻）作为热流计对瞬态热流的响应时间。由 表3可以看出，当灯阵功率加大时，热流计的测量热流并非直接突变至实际热流，而是慢慢增大至与实际热流相近，时间大约为105 s。而由3.2.1 节中的试验结果可知，热流计对瞬变热流的响应时间约为30 s。这里之所以出现105 s 左右的响应时间，应该是因为红外灯阵本身的输出热流有一个逐渐稳定的过程。从试验数据看，该过程所需要的时间不少于1 min。

4 结论

1）卡计法热流计采用跟踪控温的方法，可以直接根据敏感面温度及其变化速率计算得到敏感面表面的瞬变外热流。

2）试验研究表明，卡计法热流计对瞬变热流的响应时间约为30 s，测量精度在5 W/m2左右。

3）红外灯阵在改变加热功率时，其输出热流有一个逐渐稳定的过程，本文试验中所用红外灯的输出功率稳定时间不少于1 min。

（References）

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