一种真空热环境下瞬态准直热流模拟系统及模拟方法与流程

本发明属于航天器太空环境模拟领域，具体涉及一种真空热环境下瞬态准直热流模拟系统及模拟方法。

背景技术：

航天器等大型空间结构在轨运行进出地球阴影的过程中，有可能因太阳热流的突然变化而发生热致动态响应，从而影响航天器的正常工作性能。当太阳热流的入射角满足一定条件，航天器热致动态响应的振幅会逐渐增大甚至发生热颤振现象，最终造成空间结构损坏。因此，在对大型空间结构开展热致动态响应地面试验中，需要模拟瞬态准直热流，保证地面试验中的模拟热流与空间太阳热流的一致性，来验证航天器性能的稳定性。

现有技术中，瞬态热流模拟方法是通过开启/关闭红外灯进行加载/卸载热流，从而达到模拟瞬态热流的目的。但是，航天器在轨进/出地球阴影过程中，太阳热流的变化呈现出以下特点：1.由于存在半影区，太阳热流并非是瞬间改变的，而是在一定时间内线性变化；2.对于不同的轨道高度，经历半影区的时间不同，使得热流变化速率不同，但是热流稳定时的大小是相同的；3.对于圆形轨道，进/出地球阴影时经历半影区的时间是相同的。而通过开启/关闭红外灯的方式加载/卸载热流，热流的变化并非是线性的，并且加载与卸载热流的速率并不相同，无法模拟太阳热流的线性变化；另外，红外灯的功率越高，热流达到稳定的时间就越短，无法在保证稳定热流不变的同时，改变热流的变化速率，无法模拟太阳准直热流的速率变化。而对于准直热流，目前只能利用太阳模拟器模拟，然而太阳模拟器的光斑尺寸最大仅做到5m，很难对大型空间结构进行模拟。目前尚无能够准确模拟瞬态准直热流的模拟系统以及模拟方法，无法满足航天器等大型空间结构热致动态响应试验的需求。

技术实现要素：

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明旨在提供一种真空热环境下瞬态准直热流模拟系统及模拟方法，

为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种真空热环境下瞬态准直热流模拟系统，所述瞬态准直热流模拟系统包括：红外灯阵1和可移动式挡板子系统2其中，所述红外灯阵1由若干盏安装有抛物面反射镜12的红外灯13紧密排列组成；可移动式挡板子系统2设置于红外灯阵1发光面与受照目标3之间。

上述方案中，红外灯阵1包括红外灯阵支架11、抛物面反射镜12及红外灯13，抛物面反射镜12数量与红外灯13数量相同，抛物面反射镜12的凹面正对于红外灯13的发光面进行安装。

上述方案中，所述抛物面反射镜12的横截面符合抛物线方程，所述红外灯13发光点位于抛物面反射镜12的焦点处。

上述方案中，抛物面反射镜12的凹面表面喷涂或溅射一层金箔。

上述方案中，所述可移动式挡板子系统2包括可移动式挡板21、驱动机构22、链条23、导轨24，滑轮25；所述可移动式挡板21的板面为矩形，垂直且大于红外灯13的发光面，矩形的底边上设置有滑轮25，矩形底边的两侧通过连接板与链条23固定连接，所述滑轮25位于导轨24中，导轨25的两侧设置有驱动机构22，驱动机构22与链条25相连。

上述方案中，所述可移动式挡板21上包裹至少一层绝热材料；所述驱动机构22为一台三相混合式步进电机，步进电机设置在导轨24的其中一侧，另一侧为链条23的支撑或传动结构。

上述方案中，所述红外灯阵1中的红外灯13为n×m阵列。

上述方案中，所述系统还包括水冷子系统，用于当红外灯阵1长时间高温运行时，对抛物面反射镜12凸面进行水冷。

第二方面，本发明实施例还提供了一种真空热环境下瞬态准直热流模拟方法，所述方法通过上述真空热环境下瞬态准直热流模拟系统实现，所述真空热环境下瞬态准直热流模拟方法包括如下步骤：

步骤s1，在真空罩内，将可移动式挡板设置于红外灯阵与受照目标之间，用于阻断热流的传输路径；

步骤s2，开启红外灯，待红外灯功率稳定后，模拟航天器处于地球阴影中的准直热流；

步骤s3，打开驱动机构使得挡板垂直于红外灯阵发光面移动，模拟航天器出地球阴影的瞬态准直热流照射航天器的变化过程；

步骤s4，红外灯阵发光面完全脱离可移动挡板，模拟航天器暴露于太阳光照射中；

步骤s5，通过驱动机构使挡板逐渐返回初始位置，模拟航天器进地球阴影的瞬态准直热流照射航天器的变化过程。

步骤s6，当可移动式挡板回至初始位置，再次阻断热流的传输路径，模拟航天器处于地球阴影中，关闭红外灯。

本发明具有如下有益效果：

本发明实施例的真空热环境下瞬态准直热流模拟系统和方法，根据非成像光学理论，利用抛物面反射镜优化热流传输路径，将红外灯置于抛物面反射镜的焦点处，抛物面表面喷涂或溅射一层金箔，热流经抛物面反射镜反射可获得准直热流，将多盏带有抛物面反射镜的红外灯紧密排列组成红外灯阵；长时间高温运行时，对抛物面灯罩进行水冷。可移动式挡板置于红外灯阵与受照目标之间，挡板上包裹多层绝热材料，通过移动挡板达到快速加载或卸载热流的目的，驱动机构为一台三相混合式步进电机，电机链条上安装有连接板可与移动挡板连接，通过链条带动挡板移动。本发明解决了现有热流模拟系统无法应用于大型空间结构热致动态响应试验的问题，可以真实模拟航天器大型空间结构所受外热流情况，满足大型空间结构热致动态响应试验需求，提高了航天器热模拟实验的准确性。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明实施方式提供的真空热环境下瞬态准直热流模拟系统示意图；

图2是图1中红外灯阵结构示意图；

图3是图2中红外灯及抛物面反射镜的装配示意图；

图4是图1中可移动式挡板子系统的结构示意图；

图5是本发明实施方式瞬态准直热流模拟系统遮挡状态示意图；

图6是本发明实施方式瞬态准直热流模拟系统遮挡状态到暴露状态变化过程示意图；

图7是本发明实施方式瞬态准直热流模拟系统暴露状态示意图；

图8是本发明实施方式提供的真空热环境下瞬态准直热流模拟方法流程图。

附图标记说明：

1、红外灯阵；2、可移动式挡板系统；3、受照目标；11、红外灯阵支架；12、抛物面反射镜；13、红外灯；21、可移动式挡板；22、驱动机构；23、链条；24、导轨；25、滑轮。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1示出了本发明实施方式提供的真空热环境下瞬态准直热流模拟系统结构示意图。如图1所示，所述瞬态准直热流模拟系统，包括：红外灯阵1和可移动式挡板子系统2；其中，所述红外灯阵1由若干盏安装有抛物面反射镜12的红外灯13紧密排列组成；可移动式挡板子系统2设置于红外灯阵1发光面与受照目标3之间。

如图2和图3所示，红外灯阵1包括红外灯阵支架11、抛物面反射镜12及红外灯13，抛物面反射镜12数量与红外灯13数量相同，抛物面反射镜12的凹面正对于红外灯13的发光面进行安装。所述抛物面反射镜12的横截面符合抛物线方程，所述红外灯13发光点位于抛物面反射镜12的焦点处。

优选地，抛物面反射镜12的凹面表面喷涂或溅射一层金箔，抛物面反射镜12的长度与红外灯13的长度相匹配，此时抛物面反射镜12同时作为红外灯13的灯罩。所述红外灯阵1中的红外灯13为n×m阵列。当红外灯阵1长时间高温运行时，对抛物面反射镜12凸面进行水冷。

如图4所示，所述可移动式挡板子系统2包括可移动式挡板21、驱动机构22、链条23、导轨24、滑轮25。所述可移动式挡板21的板面为矩形，垂直且大于红外灯13的发光面，矩形的底边上设置有滑轮25，矩形底边的两侧通过连接板与链条23固定连接，所述滑轮25位于导轨24中，导轨24的两侧设置有驱动机构22，驱动机构22与链条23相连，用于驱动链条23的传动，带动挡板21在导轨24内移动。

优选地，所述可移动式挡板21上包裹至少一层绝热材料；所述驱动机构22为一台三相混合式步进电机，步进电机设置在导轨24的其中一侧，另一侧为链条23的支撑或传动结构。

当采用本实施方式的瞬态准直热流模拟系统进行模拟实验时，当受照目标放置于挡板矩形面的一侧，红外灯阵放置于挡板矩形面的另一侧，发光面垂直于挡板。为红外灯阵供电，红外灯阵中的红外灯发光，由于发光点位于抛物面反射镜的焦点处，红外光经反射镜反射，发出准直光线，形成准直热流。此时，如图5所示，挡板位于红外灯阵和受照目标之间，模拟航天器位于地球阴影中。

如图6所示，通过可移动式挡板子系统的驱动机构驱动链条传动，带动挡板的滑轮在导轨内滑动，挡板垂直于红外灯阵发光面移动，相对于受照目标而言，准直热流从遮挡状态逐渐变为暴露状态，模拟航天器在轨走出地球阴影，暴露于太阳的照射中。

如图7所示，当可移动挡板完全脱离红外灯阵的发光面，准直热流直接照射于受照目标，模拟航天器完全走出地球阴影，暴露于太阳的照射中。此时，再执行图6的驱动机构的反向驱动，挡板逐渐遮挡红外灯阵照射到受照目标的光线，模拟模航天器进地球阴影过程中的瞬态准直热流。

将上述各部件放置于真空罩中，并执行上述操作，完成模拟真空热环境下瞬态准直热流的实验过程。

本发明实施方式还提供了一种真空热环境下瞬态准直热流模拟方法，通过上述真空热环境下瞬态准直热流模拟系统实现。如图8所示，所述真空热环境下瞬态准直热流模拟方法包括如下步骤：

步骤s1，在真空罩内，将可移动式挡板设置于红外灯阵与受照目标之间，用于阻断热流的传输路径；

步骤s2，开启红外灯，待红外灯功率稳定后，模拟航天器处于地球阴影中的准直热流；

步骤s3，打开驱动机构使得挡板垂直于红外灯阵发光面移动，模拟航天器出地球阴影的瞬态准直热流照射航天器的变化过程；

步骤s4，红外灯阵发光面完全脱离可移动挡板，模拟航天器暴露于太阳光照射中；

步骤s5，通过驱动机构使挡板逐渐返回初始位置，模拟航天器进地球阴影的瞬态准直热流照射航天器的变化过程。

步骤s6，当可移动式挡板回至初始位置，再次阻断热流的传输路径，模拟航天器处于地球阴影中，关闭红外灯阵。

如上所述，通过调节驱动机构的输出功率，改变挡板的移动速度，从而达到模拟不同轨道高度时的热流变化速率。

需要说明的是，本实施方式中的真空热环境下瞬态准直热流模拟方法是基于真空热环境下瞬态准直热流模拟系统实现的，对所述真空热环境下瞬态准直热流模拟方法系统的描述和限定，同样适用于所述真空热环境下瞬态准直热流模拟方法，在此不再赘述。

以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。