低温点源黑体关键技术及国内外发展现状

文章分析了低温点源黑体设备研制中的几项关键技术,包括3种常见发射腔腔形的特点,腔体发射率的计算方法,以及热管,恒温浴和液氮电加热3种恒温方式的原理和技术特性;比较了国内外典型低温黑体设备、产品的性能指标;并简述低温点源黑体设备在红外定标试验中的原理和应用.最后总结出现阶段低温点源黑体的发展水平以及未来的研究重点.     

光学镜头性能测试用深低温降温系统设计及验证

单镜组件是遥感器的关键部件,在深低温真空环境下对其进行面形测试和稳定性测试,是获取测试数据和验证其结构设计正确性的必要手段。文章针对某单镜组件地面验证试验需求,建立真空环境下低温镜头深低温背景,采用GM制冷机机械降温技术,对温控系统进行设计、研制以及模拟试验,实现了产品在(60±1) K、(160±1) K、(200±1) K的控温指标以及60～300 K的控温区间。该降温系统为遥感器光学镜头在深低温环境下完成面形测试和稳定性测试提供了重要保障。     

双锥—圆筒红外辐射源特性的蒙特卡罗解

本文考虑了红外辐射源腔内的镜反射成份,采用镜-漫混合反射模式,用蒙特卡罗法求定空腔的定向有效发射率。在通解的数学模型基础上,还针对500K双锥-圆筒热管空腔求得其典型解,分析了空腔辐射特性与锥角的关系。利用本文提供的方法也可计算其他腔形的辐射特性。     

低温真空环境的红外背景模拟器的研制

红外背景模拟器是光学遥感器性能检测试验和辐射定标试验中的重要设备。针对某低温光学遥感器的光学定标试验,将仿真优化与实践经验相结合,研制了一套能够在120 K的低温真空环境中稳定工作的红外背景模拟器。该模拟器主要由真空低温面源黑体、冷光阑和电移台3部分组成。其中冷光阑的温度在90～300 K范围内连续可调,且温度均匀性在±3 K以内;电移台的三维运动控制精度≤10 mm。该模拟器能够适用于多种光学遥感器的红外性能检测试验和定标试验。     

法向发身率测量仪

本文给出了在大气温度下测量物质表面法向发射率的原理、装置结构及测试结果。这个装置是由黑体,样品腔和辐射计(接收元件)构成。法向发射率是由在相同温度下样品产生的热电势EMF与黑体产生的热电势EMFo之比来度量的。最后,对误差进行了讨论。     

与黑体有关的三个术语

太阳吸收比(solar absorptance):吸收与入射的太阳辐射能通量之比值。发射率(emissivity):热辐射体的辐射出射度与处于相同温度的全辐射体(黑体)的辐射出射度之比。辐[射]     

宽范围热流密度丝状加热装置的设计仿真与试验研究

为满足航天器热试验对宽范围外热流模拟的需求,设计研发了一种“随形式”丝状加热装置。该套装置基于铠装加热丝设计,可根据产品不同的形状和表面状态加工,该套丝状加热装置理论上可实现20～1500 W/m²的宽范围热流密度的模拟;在真空低温条件下实际测试其稳态温度控制精度在±0.35℃以内,温度稳定性在±0.7℃以内,热流不均匀度优于2.5%。     

卫星红外遥感器辐射定标光机系统 热-结构耦合变形分析

辐射定标光机系统在模拟空间环境下的热变形直接影响定标光学系统成像质量,并决定星载遥感器辐射定标试验精度。文章建立的辐射定标光机系统有限元模型,以某卫星多光谱扫描仪辐射定标试验中的实测温度变化作为温度载荷,计算和研究了该系统在真空低温环境下的热-结构耦合变形的分布情况和分布规律。结果表明:在非均匀稳态低温环境下,该系统光学支架热变形使主镜及主反射镜发生刚性位移,引起垂轴方向位移、倾斜,黑体的离焦和光学系统焦距变化;反射镜表面畸变RMS值均为1/40波长以下,可以满足实际光学系统的面形准确度要求。     

低温黑体自动控温新技术

工作在真空低温环境下的黑体控温系统是一种非线性、大滞后、数学模型很难建立的系统。文章通过分析系统的结构、组成和原理,选择了模糊控制和智能PID控制相结合的算法。通过分析多次的试验数据,建立并完善了模糊控制规则表。基于该算法的控温软件,实现了系统的自动控制,已服务于某型号辐射定标试验。文章最后给出的试验数据验证了控制算法的合理性,该算法加快了系统升温速度,提高了系统稳定性,取得了良好的控温效果。     

高发射率水浴黑体腔优化设计与测试

针对卫星红外载荷高精度定标试验需求,研制高发射率水浴黑体腔。基于Gouffe理论设计黑体腔结构参数,对比两种腔体内表面处理方法,选择喷涂高发射率涂层的工艺;采取分体式圆锥嵌合结构解决传统构型锥尖加工困难、涂层堆积的问题;并通过理论计算、光线追迹仿真和实验测量评价黑体腔的有效发射率。结果表明,所研制的黑体腔有效发射率达0.997,满足高精度红外载荷定标试验需求。     

基于半导体制冷的星载CCD测试用低温环境装置设计

文章设计了一种基于半导体制冷的星载CCD测试用低温环境装置。该装置结合热电制冷器和抗积分饱和PID控制算法,以ARM内核的微控制器作为主控芯片,采用温度传感器采集温度信息,以脉冲宽度调制(PWM)技术控制热电制冷器的制冷功率,利用水冷散热装置散发热电制冷器发出的热量,实现制冷温度的精确控制。该装置低温箱小巧轻便,可装配于CCD测试暗箱内,利用暗箱壁上的通光孔设计,可实现低温环境下CCD明、暗场全参数测试,满足了宇航用CCD测试的高可靠需求。     

基于热变形补偿的双材料低温镜头支撑结构研究

文章以红外遥感器高灵敏度探测要求为背景,针对140K的在轨工作环境,给出了一种基于热变形补偿的双材料低温镜头支撑结构的设计方案。依据温度变化得到透镜热变形,以满足热变形补偿为目标对支撑结构设计方案进行理论校核,并建立低温镜头有限元模型进行各项仿真,校核结果表明支撑结构与透镜的热变形差距在0.005mm内,基本实现了高精度热胀系数匹配。以低温热胀系数、透镜面形为测量指标,对实体结构进行真空140K低温热试验。测试结果表明该镜头热胀系数匹配精度优于0.22×10^-6/K,透镜低温面形变形量均方根误差小于0.051λ(λ=632.8nm,为波长),基本达到透镜低温面形要求。该方案可为后续红外遥感器低温镜头热匹配技术研究提供一定借鉴和参考。     

温控涂层发射率的快速检测装置

本工作设计并建立了一台温控涂层发射率的快速检测装置。所建装置的工作原理是基于测定待检测涂层的定向一半球向全反射率,从而再确定半球向全发射率。由于采用了辐射调制器,使待测的反射辐射和待测涂层的本身发射分开,故毋需知道待测涂层的温度。实际测定表明,此装置测试结果可靠,发射率的分辨力优于0.01。利用这台装置已测定了一些温控涂层的半球向发射率。本文给出了包铝铝合金光亮阳极氧化涂层的ε_h的检测结果。     

空间碎片的温度特性分析

对空间碎片温度特性的分析,是利用红外传感器探测空间碎片的基础,也是研究航天器在轨安全的重要内容。文章对空间碎片接收不同辐射进行全面分析,研究其在轨运行情况,建立热平衡方程,完成对不同时刻其温度变化的计算,并绘制出温度变化曲线。结果表明空间碎片在轨道上不同位置有不同的红外辐射特性。该研究对利用天基空间探测器进行空间碎片的检测、识别,以及航天器的规避有参考意义。     

固体推进剂羽焰红外辐射强度测试技术

针对低特征信号推进剂研究的需要,研制了羽焰红外辐射测试系统,并进行了几种配方的推进剂羽焰红外辐射强度测试。该系统主要包括探测单元、光路系统、信号处理单元和自校准黑体等,测试精度优于4％,使用性能良好,能准确表征推进剂红外辐射的水平。     

空间羽流试验台设计与系统测试

基于国外羽流试验经验和国内实际,设计了一套主要由空间环境模拟设备、电加热气体模拟发动机、稳压气源、轴向与径向移动装置、测量系统和温控系统等组成的空间羽流试验系统,并测试了试验系统的温度、压力稳定度等参数.测量结果表明:系统满足发动机模拟空间高度大于100 km长程试车的要求,测试过程中真空舱内压力维持在1×10-3Pa量级,冷阱温度为(93±5)K.系统测量准确可靠,达到设计要求.     

MEMS惯性测量装置温度控制技术研究

以MEMS惯性测量装置(MIMU)为研究对象,分析了环境温度变化对其测量精度的影响。为解决MIMU的热稳定性问题提出了一种实用的MIMU温度控制方法,即根据大环境温度和被控对象温度合理选择温度控制点、控制方式和控制算法。研究了有温控和无温控对MIMU测量精度的影响。试验表明,对MIMU进行精密温控,改善了惯性器件的热环境,抑制了外界温度变化对MIMU的干扰,提高了MIMU的综合性能,验证了方案的有效性。     

过冷度对飞行器贮箱热力学排气系统性能的影响

为了研究低温推进剂贮箱的压力控制特性和热力学排气系统的运行特性,建立了耦合贮箱内流体流动相变过程与热力学排气系统(TVS)的数学模型,对TVS系统运行后贮箱的压力和温度变化进行了仿真计算。在以液氮为贮存工质的低温流体高效贮存平台上,进行了仿真模型的验证。分析了不同液体过冷度对低温贮箱温度和压力控制特性的影响。研究发现,在相同的在轨贮存周期内,对于饱和状态的液氢和液氧,TVS只有在排气模式下才能实现低温贮箱的压力控制,而对于过冷状态的液氢和液氧,TVS只需进行混合模式运行便可实现低温贮箱压力控制,且TVS混合运行时间随液体过冷度的增加而减少,16 K液氢时TVS的运行时间(546 s)相比于20 K液氢(663 s)减少了17.6%,78 K液氧时TVS的运行时间(2 760 s)相比于90 K液氧(16 469 s)减少了83.2%。过冷液体与气枕的混合可以实现低温流体在轨贮存过程中的零排放。     

全息法测量火焰温度探讨

介绍了用全息二次曝光法测量火焰温度的原理与实验装置，并对稳定火焰进行了测量，获得了火焰内锥顶部一个水平截面上的温度分布。在火争内锥顶和该方法测温仅与用热电偶测得结果相差约４％。     

富氢燃气与空气低压补燃特性研究

氢氧火箭发动机在飞行过程中排出富氢燃气与周围低压空气发生补燃,直接改变发动机周围的热环境,影响发动机各组件性能。通过试验及仿真研究了不同燃气温度、燃气组分对于富氢燃气低压补燃特性的影响。富氢燃气与空气的低压补燃试验表明:常压下富氢燃气温度高于932 K时发生补燃,低于877 K时不发生补燃;富氢燃气温度高于950 K,环境压力60 kPa时富氢燃气发生补燃,30 kPa时不发生补燃;仿真与试验对比分析发现最大化学反应速率超过10~(-9)情况下能观测到宏观的富氢燃气与空气的补燃现象,燃气温度和氢气含量越高,其与空气发生补燃的临界压力越低。当压力低于10 k Pa时,燃气温度1 200 K,氢气含量87. 4%也无法与空气发生补燃。