本文關(guān)鍵詞：雙環(huán)熱保護瞬態(tài)輻射熱流計研究

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【摘要】：熱流模擬和測量是航天地面熱試驗中的重要組成部分,與常規(guī)熱流計如Gardon計、SB熱流計和薄膜熱流計等使用條件不同,用于航天地面熱試驗的熱流計要求在真空、低溫環(huán)境下使用。常用的航天熱試驗輻射熱流計包括絕熱型熱流計和熱屏等溫型熱流計。絕熱型熱流計統(tǒng)稱黑片,屬于穩(wěn)念型熱流計,響應(yīng)時間長,不適用于動態(tài)測量,且測量結(jié)果容易受到熱流計安裝面溫度影響,若要通過熱損修正的方法得到準確的熱流計算結(jié)果,還需要對熱流計隔熱材料熱導率進行準確測量。熱屏等溫型熱流計通過結(jié)合和溫度相關(guān)的敏感片自身熱容項進行瞬態(tài)熱流密度測量,但是其在進行低熱流測量時誤差較大,且標定困難。絕熱型瞬態(tài)輻射熱流計同樣存在測量結(jié)果易受到熱流計安裝面溫度影響的缺陷且隔熱材料熱導率亦需單獨測量。和Gardon計等基于輸入熱流和輸出熱電勢間線性關(guān)系的測量原理不同,上述航天熱試驗輻射熱流計通過敏感片溫度變化推導出熱流密度。因此共同存在敏感片溫度均勻性帶來的集總熱容法適用性問題。本文針對現(xiàn)有的熱流計在航天熱試驗熱流測量上存在的不足,開展新型瞬態(tài)輻射熱流計的理論和實驗研究。提出雙環(huán)熱保護結(jié)構(gòu)的熱流計敏感片,表面噴涂無光譜選擇性吸熱涂層,其光譜吸收率經(jīng)分光光度計和傅里葉變換紅外光譜儀測量在太陽光譜范圍和紅外光譜范圍均達到0.95以上。熱流計中心敏感片和第一熱保護環(huán)的基材、厚度、涂層相同,且都處于懸空狀態(tài),其溫度變化能保持實時一致,從而可忽略中心敏感片的側(cè)面?zhèn)鳠�。通過有限元數(shù)值模擬和紅外熱像儀實驗驗證了敏感片了溫度分布的均勻性,表明該結(jié)構(gòu)適用于集總熱容法。和絕熱型瞬態(tài)輻射熱流計采用熱傳導的方式進行熱損修正不同,雙環(huán)熱保護型瞬態(tài)輻射熱流采用輻射換熱的方式進行熱損修正,具有動態(tài)響應(yīng)特性好的優(yōu)勢且無需知道隔熱材料的熱導率。為了保證熱流計整體機械強度且固定敏感片和多層隔熱材料,采用聚四氟乙烯管作為熱流計基體。由于管壁熱導率低且導熱通道小,熱流計敏感片溫度不易受到熱流計安裝面溫度的影響。基于該熱流計結(jié)構(gòu)特點提出了其熱流測量原理。通過有限元模擬方法,對該熱流計在階躍熱流變化、非均勻熱流、以及軌道飛行器空間外熱流變化等多種工作條件下的性能進行了理論驗證。為了準確標定該瞬態(tài)輻射熱流計,設(shè)計研制了一套低溫真空熱沉容器,內(nèi)置黑體爐輻射源和氙燈的作為標定裝置。經(jīng)光線追跡方法得到黑體爐輻射源腔口有效發(fā)射率為0.999,熱流密度不均勻度為3.5%,輻射熱流密度計算值的不確定度小于0.4%。熱沉內(nèi)測溫熱電偶參考點的穩(wěn)定性和可靠性也通過數(shù)值模擬和實驗的方法得到了驗證。使用穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法標定了兩個熱流密度測量系數(shù),并對理論結(jié)果和實驗結(jié)果進行了不確定度分析。經(jīng)黑體爐和氙燈實驗驗證表明雙環(huán)熱保護型瞬態(tài)輻射熱流計的測量偏差在5%以內(nèi),響應(yīng)時間小于10s且無光譜選擇性。為了進一步提高雙環(huán)熱保護型瞬態(tài)輻射熱流計的性能,通過數(shù)值模擬對熱流計敏感片的結(jié)構(gòu)和材料進行了改進研究。設(shè)計制作了專用模具用于加工敏感片。改進后熱流計的性能經(jīng)標定后,進行了實驗驗證。結(jié)果表明其在低于60Wm-2的低熱流范圍內(nèi)測量結(jié)果和實際熱流的絕對平均相對偏差為0.8Wm-2,要小于原始雙環(huán)熱保護瞬態(tài)輻射熱流計。
【關(guān)鍵詞】：瞬態(tài)輻射熱流計 雙環(huán)熱保護 航天器熱試驗 標定
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V416
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 緒論12-32
• 1.1 量熱型熱流密度測量方法12-14
• 1.2 非量熱型熱流密度測量方法14-24
• 1.3 對流、輻射和傳導型熱流計24-26
• 1.4 基于瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)區(qū)分熱流計26-27
• 1.5 航天熱試驗用熱流計27-32
• 第二章 雙環(huán)熱保護瞬態(tài)輻射熱流計32-64
• 2.1 熱流計敏感片吸收涂層32-34
• 2.2 雙環(huán)熱保護瞬態(tài)輻射熱流計結(jié)構(gòu)設(shè)計34-37
• 2.3 瞬態(tài)輻射熱流計的測量原理37-41
• 2.4 數(shù)值模擬驗證41-58
• 2.5 雙環(huán)熱保護瞬態(tài)輻射熱流計加工及溫度均勻性驗證58-61
• 2.6 熱流計軸向溫度分布驗證61-63
• 2.7 本章小結(jié)63-64
• 第三章 熱流計標定及氙燈驗證64-88
• 3.1 介紹64-66
• 3.2 標定容器設(shè)計66-68
• 3.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分析68-73
• 3.4 黑體爐特性分析73-79
• 3.5 標定分析79-82
• 3.6 不確定度分析和標定結(jié)果82-85
• 3.7 氙燈試驗85-86
• 3.8 本章小結(jié)86-88
• 第四章 雙環(huán)熱保護瞬態(tài)輻射熱流計的改進設(shè)計88-98
• 4.1 前言88-89
• 4.2 改進設(shè)計可行性分析89-95
• 4.3 敏感片加工方法95-96
• 4.4 本章小結(jié)96-98
• 第五章 改進型瞬態(tài)輻射熱流計實驗分析98-110
• 5.1 前言98
• 5.2 廣口杜瓦的改進設(shè)計98-99
• 5.3 真空低溫環(huán)境下的標定分析99-108
• 5.4 本章小結(jié)108-110
• 第六章 結(jié)論與展望110-112
• 6.1 結(jié)論110-111
• 6.2 創(chuàng)新點111
• 6.3 展望111-112
• 參考文獻112-118
• 致謝118-120
• 在讀期間發(fā)表的學術(shù)論文與取得的其他研究成果120

【相似文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前8條

1 吳哲輝,李村生;介紹一種輻射熱流計[J];動力工程;1981年02期

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6 詹寶s，

本文編號：930248