CN101788511B - 一种热控涂层太阳吸收率的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种热控涂层太阳吸收率的测量方法，其特征是利用测热法来获取热控涂层的光学性能。首先将热控涂层均匀敷在可实时测量温度的薄金属试件板上，利用热控涂层太阳吸收率乘以辐照能量计算出热控涂层吸收的辐照通量；再通过实时测试热控涂层的温度，根据斯蒂芬-波尔兹曼定律计算得到热控涂层向空间辐射的热量；分析计算热控涂层通过试件板在空间环境中的各项热损失，根据能量守恒的原理即可计算得到热控涂层的太阳吸收率。该方法利用测试热控涂层的温度来计算其吸收率，因此选择探测精度为0.1度的探测器，计算的热控涂层吸收率精度可到0.001。

Description

一种热控涂层太阳吸收率的测量方法

技术领域

本发明涉及一种热控涂层太阳吸收率的测量方法，可适用于热控涂层在外空间环境的在轨测试和地面模拟空间环境的原位测试，属于航天热控涂层的空间辐照测试方法领域。

背景技术

航天器的热控涂层在轨服役过程中将经受原子氧、太阳电磁辐射、电离层、地球辐射带、太阳宇宙线、等离子体等多种环境因素作用，空间环境因素引起热控涂层等卫星关键材料性能的退化是造成航天器故障乃至事故的重要原因。热控涂层等暴露材料性能的退化一般表现为其太阳吸收率的增大，因此研究热控涂层太阳吸收率退化规律对于确保我国地球轨道卫星达到设计寿命具有重要的意义。

目前，国际上已经开展热控涂层性能在轨监测的有美国长期暴露试验装置(LDEF)，热控材料置于该装置中，在空间暴露一定时间后将其带回地面进行分析，我国神舟七号宇航员在太空行走中取回的材料试验板也属于这一类。但这类试验只适用于近地(LEO)轨道，而且在重新返回大气层的过程中，由于环境的改变会引起热控涂层某些效应的改变。另外，国内外广泛开展的地面空间实验室的材料暴露试验也可以完成热控涂层性能退化的测试。测试方法为：先将热控涂层样品置于地面模拟空间环境中进行空间辐照，然后取出样品进行反射率测量，再与标准样品的反射率进行比对，得到热控涂层样品的绝对反射率值，由于可认为热控涂层的吸收率与反射率的和为1，从而计算得到热控涂层的吸收率值。利用该方法，热控涂层样品在真空中接受辐照后，取出后的样品在空气中其变化的性能会有部分恢复，此外测试热控涂层反射率的装置复杂，测量的精度受到限制。本发明针对此提出了一种结构简单、试验方便的热控涂层太阳吸收率的测量方法，既可用于模拟空间环境中原位测试，又可以应用于轨道空间中热控涂层的在轨测试。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热控涂层太阳吸收率的测量方法，以克服现有热控涂层太阳吸收率测量方法中退化的热控涂层性能会有部分恢复以及测量精度不高等缺陷，并且针对目前的测量方法不能实现热控涂层太阳吸收率在轨测试的问题，构建一种结构简单、测量方便的热控涂层太阳吸收率的测量方法。

本发明的原理是：根据能量守恒的原理，利用测热法实现对航天器热控涂层光学性能的测量。通过计算带有热控涂层的试件板某一瞬态时刻涂层吸收的辐射热量，并由热探测器实时探测热控涂层的温度，计算该时刻涂层向空间辐射的热量以及试件板的内能增加和热损失量，由能量守恒计算得到热控涂层的太阳吸收率。

本发明的技术解决方案是：在空间环境中表征热控涂层性能变化的参数主要为两个：吸收率α和表面发射率ε。针对于热控涂层而言，太阳辐射的能量主要集中在紫外与可见光波段，因此通常利用涂层的太阳吸收率来表示，太阳吸收率是指此波段范围内的平均吸收率：

${\mathrm{\α}}_s=\frac{{\∫}_{0.2}^1{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ}}{E}_{\mathrm{sun}}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{{\∫}_{0.2}^1{E}_{\mathrm{sun}}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}$

涂层的发射率应该为长波红外波段内的平均发射率：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\∫\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\λ}\right)M_0(\mathrm{\λ},T)\mathrm{d\λ}}{{\mathrm{\σT}}^4}$

为了保持热控涂层具有良好的热控特性，则要求材料应具有较高的发射率和较低的太阳吸收率。通过对热控涂层光学性能的测试，证实热控涂层的发射率受空间环境辐照影响的变化非常小，甚至可以认为是不变的，因此可以通过实时监测热控涂层太阳吸收率的变化来测试涂层性能的退化。

一种热控涂层太阳吸收率的测量方法，包括如下几个步骤：

(1)将热控涂层均匀敷在可实时测量温度的薄金属试件板上，为保证试件板可以真实反映热控涂层的温度，试件板应具有高热传导率；

(2)分析热控涂层所接受空间辐照的组成部分，热控涂层在轨道空间环境中接受的辐照Q_In包括：太阳辐射Q_solar、星体反照辐射Q_albedo、地球辐射Q_earth-IR；在地面模拟空间环境中，热控涂层所接受的辐照Q_In为太阳模拟器一个太阳常数的辐照Q_{sun-simulator}。其中，Q_solar＝F_sα_sAE，Q_albedo＝F_αα_βArE，Q_earth-IR＝F_eα_eAE_e，Q_{sun-simulator}＝α_sAE。

式中，E、E_e分别表示太阳辐射量和地球红外辐射量；F_s、F_a、F_e分别为热控涂层面对太阳、星体和地球时的角系数；r为星体反照率；α_s、α_β、α_e表示热控涂层对太阳辐射、星体反照、地球红外辐射时的吸收率；ε为涂层的发射率，A为试件板面积。在工程上可作近似：α_s＝α_β、α_e＝ε。

(3)实时采集热控涂层下面试件板的温度T_coating和热沉端的温度T_sink；

(4)根据斯蒂芬-波尔兹曼定律计算得到热控涂层向空间辐射的热量Q_Out，其计算式为：ε·A·σ·T_coating ⁴；其中，ε为热控涂层的发射率，σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数，热控涂层的发射率受空间环境影响很小，其发射率值可认为是常数；

(5)根据探测器探测的温度，计算试件板的内能增加Q_inner-energy和试件板在空间的换热损失Q_{heat-exchange}。试件板的内能增加为：

试件板在空间的换热损失包括试件板传导热损失和与试件板与热沉端的辐射换热损失，试件板传导热损失为：

辐射换热损失为：Q_Rad＝Fε₁Aσ(T_coating ⁴-T_sink ⁴)。

式中，m为试件板质量，c为试件板的热容，K为热传导系数，x为热传导的位移，F为辐射换热角系数，ε₁为试件板的发射率。

(6)根据能量守恒的原理：

Q_In＝Q_Out+Q_inner-energy+Q_{heat-exchange}

热控涂层空间在轨测试时太阳吸收率为：

${\mathrm{\α}}_s=\frac{1}{F_{s}E+F_a\mathrm{rE}}\{\mathrm{\ϵ}\·({{\mathrm{\σT}}_{\mathrm{coating}}}^4-F_e\·E_e)+\frac{1}{A}[\mathrm{mc}\frac{{\mathrm{dT}}_{\mathrm{coating}}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{KA}\frac{{\mathrm{dT}}_{\mathrm{coating}}}{\mathrm{dx}}+F{\mathrm{\ϵ}}_1\mathrm{A\σ}({T_{\mathrm{coating}}}^4-T_{\sin k}$

热控涂层地面模拟空间原位测试时太阳吸收率为：

${\mathrm{\α}}_s=\frac{{{\mathrm{\ϵ}\·\mathrm{\σT}}_{\mathrm{coating}}}^4}{E}+\frac{1}{A\·E}[\mathrm{mc}\frac{{\mathrm{dT}}_{\mathrm{coating}}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{KA}\frac{{\mathrm{dT}}_{\mathrm{coating}}}{\mathrm{dx}}+F{\mathrm{\ϵ}}_1\mathrm{A\σ}({T_{\mathrm{coating}}}^4-{T_{\sin k}}^4)]$

本发明与现有技术相比的优点在于：测量方法简单、试验方便，既可用于模拟空间环境中原位测试，又可以应用于轨道空间中热控涂层的在轨测试，该测量方法是通过测量温度计算得到热控涂层的太阳吸收率，因此选择探测精度为0.1度的热探测器，计算得到的热控涂层吸收率精度可到0.001。

附图说明

图1为本发明的测量方法流程图；

图2为依据本发明实施的测量***示意图；

图3为依据本发明实施的测量***中支杆的热传导示意图；

具体实施方式

如图1所示，本发明的实施步骤为：

(1)将热控涂层均匀敷在可实时测量温度的薄金属试件板上。

(2)分析热控涂层所接受空间辐照的组成部分，热控涂层在轨道空间环境中接受的辐照Q_In包括：太阳辐射Q_solar、星体反照辐射Q_albedo、地球辐射Q_earth-IR；在地面模拟空间环境中热控涂层所接受的辐照Q_In为太阳模拟器一个太阳常数的辐照Q_{sun-simulator}。其中，Q_solar＝F_sα_sAE，Q_albedo＝F_αα_βArE，Q_earth-IR＝F_eα_eAE_e，Q_{sun-simulator}＝α_sAE。

式中，E、E_e分别表示太阳辐射量和地球红外辐射量；F_s、F_a、F_e分别为热控涂层面对太阳、星体和地球时的角系数；r为星体反照率；α_s、α_β、α_e表示热控涂层对太阳辐射、星体反照、地球红外辐射时的吸收率；ε为涂层的发射率，A为试件板面积。在工程上可作近似：α_s＝α_β、α_e＝ε。

(3)实时测试采集热控涂层下面试件板的温度T_coating和试件板所面对热沉端的温度T_sink；

(4)根据斯蒂芬-波尔兹曼定律计算得到热控涂层向空间辐射的热量Q_Out，其计算式为：ε·A·σ·T_coating ⁴。

(5)根据探测器测试的温度，计算试件板的内能增加Q_inner-energy和试件板在空间的换热损失Q_{heat-exchange}。

(6)根据能量守恒的原理：

Q_In＝Q_Out+Q_inner-energy+Q_{heat-exchange}

计算热控涂层的太阳吸收率。

图2所示为实施本发明的一种测量***，该测量***为一圆形腔状结构，涂有热控涂层的薄金属试件板置于该圆形腔的顶部，试件板由圆形腔内部的铝合金支杆支撑。该测量***在地面模拟空间环境中进行原位测试时，热控涂层吸收的辐射热量为：

Q_In＝α_sAE

热控涂层向模拟空间辐射的热量为：

Q_Out＝ε·A·σ·(T_coating ⁴-T_surrounding ⁴)。

T_surrounding为模拟空间的恒定温度。

测量***的试件板很薄，可以迅速的达到热平衡，在任意时刻试件板各部分的温度可看作都相等，而且试件板质量很小，因此试件板内能增加部分与热控涂层吸收和辐射的热量相比可忽略。

试件板在模拟空间中的热损失包括试件板传导热损失和试件板与热沉端的辐射换热损失。试件板在测量的某一时刻是处于非稳态的，不能直接根据在热传导方向上的温度变化率求出传导的热量。由于试件板传导损失的热量完全传递给了支杆，因此可针对支杆列出非稳态导热微分方程，求解热传导损失量。

图3所示为测量***中支杆的热传导示意图，支杆的长度远大于直径的尺寸，我们可认为温度只沿x方向传播，也就是在任意时刻支杆在垂直于x轴的界面上温度都相等。在某一时刻，试件板热传导损失的热量也就是在该时刻通过圆柱体在x＝0界面上的热量，可列出支杆带有边界条件和初始条件的微分方程：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂T}{\∂t}=\mathrm{\α}\frac{{\∂}^{2}T}{\∂x^2}\\ T(x,0)=T_0\\ K\frac{\∂T}{\∂x}{|}_{x=0}=q\end{array}\right.$

利用分离变量法可解得方程的分析解：

$T(x,t)=T_0+\frac{2q\sqrt{\frac{\mathrm{\αt}}{\mathrm{\π}}}}{A_1\mathrm{\λ}}\exp (-\frac{x^2}{4\mathrm{\αt}})-\frac{\mathrm{qx}}{A_1\mathrm{\λ}}[1-\mathrm{erf}\left(\frac{x}{2\sqrt{\mathrm{\αt}}}\right)]$

其中，T₀为试件板初始温度，x、t分别表示热量在支杆内部传导的位移和时间，q为试件板传递给支杆的热量密度，α＝k/ρc为热扩散系数，k为支杆热传导系数，ρ、c为支杆材料的密度和热容，A₁为支杆横截面积，

为误差函数，由于我们只需求x＝0的界面的热流密度即可，因此此项为零。x＝0界面上的温度T(0，t)为实时测量得到的试件板温度，根据分析解可计算得到该时刻试件板的传导热损失量。

测量***中试件板与热沉端的辐射换热计算式为：

Q_Rad＝Fε₁Aσ(T_coating ⁴-T_sink ⁴)

式中，F为辐射换热角系数，ε₁为试件板的发射率。由于试件板和热沉端可看作两个面积相等的圆形平行板，辐射换热角系数计算可用计算式：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_1=r_1/l;R_2=r_2/l\\ S=1+\frac{1+R_2^2}{R_1^2}\\ F=0.5\·[S-{(S^2-4{(r_2/r_1)}^2)}^{1/2}]\end{array}\right.$

其中，r₁、r₂、l分别为测量***热沉端半径、试件板半径和两者间距离，在计算得到试件板与热沉端的换热角系数后，即可计算得到试件板的辐射换热损失量。

在得到测量***在某瞬时时刻的各部分能量后，根据能量守恒的原理：

Q_In＝Q_Out+Q_inner-energy+Q_{heat-exchange}

可计算得到热控涂层的太阳吸收率。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种热控涂层太阳吸收率的测量方法，其特征在于包括如下几个步骤：

(1)将热控涂层均匀敷在可实时测量温度的薄金属试件板上；

(2)分析热控涂层所接受空间辐照的组成部分，热控涂层在所处的空间环境中吸收的辐照通量由其太阳吸收率乘以试件板面积再乘以辐照能量得到，其计算式为：α_s·A·E，其中，α_s为太阳吸收率，A为试件板面积，E为辐照能量；

(3)实时采集热控涂层下面试件板的温度T_coating和热沉端的温度T_sink

(4)根据斯蒂芬-波尔兹曼定律计算得到热控涂层向空间辐射的热量，其计算式为：ε·A·σ·T_coating ⁴，其中，ε为热控涂层的发射率，σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数，热控涂层的发射率受空间环境影响很小，其发射率值可认为是常数；

(5)根据探测器探测的温度，计算试件板的内能增加Q_inner-energy和试件板在空间的换热损失Q_{heat-exchange}；

(6)根据能量守恒的原理：

α_s·A·E＝ε·A·σ·T_coating ⁴+Q_inner-energy+Q_{heat-exchange}

计算得到热控涂层的太阳吸收率；

其中，试件板的内能增加为：

试件板在空间的换热损失包括试件板传导热损失和试件板与热沉端的辐射换热损失；

试件板传导热损失为：辐射换热损失为：

Q_Rad＝Fε₁Aσ(T_coating ⁴-T_sink ⁴)；

式中，m为试件板质量，c为试件板的热容，K为热传导系数，x为热传导的位移，F为辐射换热角系数，ε₁为试件板的发射率，t表示热传导的时间。

2.根据权利要求1所述的一种热控涂层太阳吸收率的测量方法，其特征在于：该测量方法适用于地面模拟空间环境中接受太阳模拟器辐照时热控涂层太阳吸收率的测试。

Images