本發(fā)明涉及一種用于航天器真空熱試驗(yàn)用的工裝加熱籠，此裝置適用于航天器地面熱真空試驗(yàn)。

背景技術(shù)：

加熱籠是航天器太空環(huán)境模擬試驗(yàn)中的關(guān)鍵工裝，主要作用是模擬衛(wèi)星在太空環(huán)境中的高溫和低溫變化，以實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星整體特性的評(píng)價(jià)。

傳統(tǒng)的紅外加熱籠采用鎳鉻合金金屬帶涂覆特種高半球發(fā)射率黑漆涂層作為加熱體，由于線性膨脹，必須在骨架上掛接彈簧，來(lái)抵消熱試驗(yàn)冷熱交變下的帶條長(zhǎng)度變化，因此，這類(lèi)加熱籠存在著手工工作量大，效率偏低的問(wèn)題。

航天器真空熱試驗(yàn)需要產(chǎn)生紅外輻射來(lái)模擬太空環(huán)境，目前有很多產(chǎn)生紅外輻射的裝置，如陶瓷紅外加熱器、石英加熱管、鹵素加熱管等，包括現(xiàn)有加熱籠涂覆黑漆的金屬帶，這些都可以考慮在真空熱試驗(yàn)中使用。

碳纖維是一種高發(fā)射率的柔性碳材料，具有高比強(qiáng)度、高比模量、電熱輻射效率高等突出的電熱性能優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于民用取暖行業(yè)，如地暖、浴霸、電加熱器等。在真空熱試驗(yàn)應(yīng)用領(lǐng)域，碳纖維材料的適用性是最佳的，這是因?yàn)椋?/p>

1在高低溫環(huán)境中的熱膨脹系數(shù)幾乎為零，這恰好能夠適應(yīng)真空環(huán)境中冷熱交變的條件，無(wú)需掛接彈簧，簡(jiǎn)化了裝配過(guò)程。

2可直接制成帶條狀，符合了加熱籠帶條可彎曲可裁剪易裝配的需要，因此相比鹵素加熱管等無(wú)法自由布局的情況，具有極大的裝配優(yōu)勢(shì)。

3電熱轉(zhuǎn)換效率高，遠(yuǎn)紅外輻射效率高達(dá)90％。

4再由于碳纖維的近黑體特性，光譜發(fā)射率在0.9以上，試驗(yàn)時(shí)可免于噴涂黑漆，節(jié)省了大量成本。

綜上所述，采用碳纖維材料作為加熱籠的輻射加熱體，無(wú)論從裝配便利性、熱輻射效率提高、降低成本以及復(fù)雜溫度環(huán)境的適應(yīng)性方面，都具有極大應(yīng)用潛力。但是，如何采用碳纖維材料支撐合適的加熱籠，特別是應(yīng)用于航天器地面真空熱試驗(yàn)中，對(duì)本領(lǐng)域來(lái)說(shuō)是急需解決的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于航天器真空熱試驗(yàn)用的工裝裝置，加熱效率高且穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工便捷，安裝輕便，免去黑漆噴涂環(huán)節(jié)，原料的可獲得性與經(jīng)濟(jì)性均佳，能完美替代目前所用的鎳鉻加熱籠。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：

碳纖維真空熱試驗(yàn)工裝加熱籠，包括相對(duì)平行豎立設(shè)置的兩連接桿，兩連接桿的上下端分別穿設(shè)有與連接桿垂直的鋁型材，豎立的兩連接桿外側(cè)也分別豎立設(shè)置鋁型材，連接桿之間的鋁型材與外側(cè)的鋁型材分別通過(guò)直角接頭固定形成鋁制骨架，以固定兩連接桿，兩連接桿上分別設(shè)置有若干異形件，一連接桿上部設(shè)置接線端口，另一連接桿下部同樣設(shè)置接線端口，異形件與連接桿表面形成彎折空間，起始端連接在接線端口上的碳纖維加熱帶通過(guò)繞制在異形件的彎折空間平行往返布置并終點(diǎn)連接在另一接線端口上，配備電源，將試驗(yàn)電纜與接線端口連接，形成試驗(yàn)電流回路，其中，碳纖維加熱帶由3K的碳纖維絲編織而成，為多向帶狀編織，單絲纖維形成自鎖式抱合結(jié)構(gòu)。

其中，連接桿上的異形件呈掛鉤狀，將碳纖維加熱帶直接掛裝到上下連接桿上，保證加熱帶的寬面與骨架平面同向，形成回路，回路的兩端預(yù)留接線端口，整體加熱帶呈平行均勻分布在一個(gè)平面。

其中，加熱帶為碳纖維材料，通過(guò)含量5％的高溫定型膠和電熱絲的復(fù)合，并進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，使碳纖維加熱帶既能夠適應(yīng)-180℃至+200℃的溫度變化，又能夠做到任意彎折而不折斷。

其中，骨架為方鋁管，將方鋁管插入直角接頭，接頭處打孔用螺釘緊固。

其中，連接桿為聚四氟乙烯板材，長(zhǎng)條形。

其中，連接桿通過(guò)螺釘直接固定到鋁骨架的上下兩側(cè)，平行分布。

其中，接線端口采用銅片壓接，穿螺釘與銅片上。

其中，碳纖維加熱帶采用了多向帶狀編織結(jié)構(gòu)，截面呈扁條狀，每米的電阻值在2歐至8歐之間。

其中，碳纖維加熱帶的光譜發(fā)射率在0.91以上。

其中，碳纖維的單絲直徑在5-7微米。

本發(fā)明與原有的工裝相比，無(wú)論是電熱材料、裝配工藝、骨架材料還是連接方式，均與目前所用鎳鉻合金加熱籠完全不同，碳纖維的電熱輻射效率高于鎳鉻合金，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定在3.5A的電流下鎳鉻合金帶自身溫度不高于280℃，而碳纖維帶則遠(yuǎn)高于300℃。在真空與高低溫環(huán)境下(氣壓低于10^-3帕，溫度在-180℃至+200℃變化)通斷電，碳纖維加熱帶沒(méi)有質(zhì)損。無(wú)論是在人力成本還是物力成本均大幅降低，同時(shí)具有極高的電熱紅外輻射效率。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的碳纖維真空熱試驗(yàn)工裝加熱籠中碳纖維加熱帶的生產(chǎn)流程圖。

圖2是本發(fā)明的碳纖維真空熱試驗(yàn)工裝加熱籠中碳纖維加熱帶的光譜發(fā)射率測(cè)試曲線圖。

圖3是本發(fā)明的碳纖維真空熱試驗(yàn)工裝加熱籠中碳纖維加熱帶負(fù)載電流與表面溫度變化關(guān)系圖。

圖4是本發(fā)明的碳纖維真空熱試驗(yàn)工裝加熱籠的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1、骨架直角接頭；2、連接桿；3、接線端口(壓接銅片與接線螺釘)；4、平行往返布置的碳纖維加熱帶；5、鋁制骨架；6、連接桿上的異形件。

圖5是實(shí)驗(yàn)時(shí)碳纖維真空熱試驗(yàn)工裝加熱籠通電電流與時(shí)間曲線圖(右側(cè)縱軸)

圖6是實(shí)驗(yàn)時(shí)碳纖維真空熱試驗(yàn)工裝加熱籠的三條加熱帶上的時(shí)間-溫度曲線圖

圖7是布置在鋁板上的四個(gè)熱流計(jì)的時(shí)間-溫度曲線圖。

具體實(shí)施方式

以下介紹的是作為本發(fā)明所述內(nèi)容的具體實(shí)施方式，下面通過(guò)具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的所述內(nèi)容作進(jìn)一步的闡明。當(dāng)然，描述下列具體實(shí)施方式只為示例本發(fā)明的不同方面的內(nèi)容，而不應(yīng)理解為限制本發(fā)明范圍。

本發(fā)明中碳纖維加熱帶的設(shè)計(jì)過(guò)程如下：

1.碳纖維加熱帶的外型設(shè)計(jì)

碳纖維的單絲直徑在5-7微米，成品碳纖維中的超細(xì)碳纖維單絲一般呈束狀集合，本發(fā)明采用了碳纖維多股絲束帶狀編織技術(shù)，通過(guò)特定的碳纖維編織設(shè)備對(duì)纖維絲束進(jìn)行多向帶狀編織，單絲纖維之間通過(guò)多向編織形成自鎖式抱合結(jié)構(gòu)，纖維絲束之間緊密牢固接觸，避免了單絲之間大概率的松散狀態(tài)，有效保證了碳纖維絲束的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，同時(shí)通過(guò)這種多股帶狀編織的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的同時(shí)最大限度保證其電阻在長(zhǎng)度方向上的穩(wěn)定均勻。

2.碳纖維加熱帶的電阻匹配設(shè)計(jì)

本發(fā)明采取的多股編織帶外型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在保證整體抱合力的同時(shí)又可以通過(guò)單股絲束量、合股數(shù)的靈活調(diào)整，靈活設(shè)計(jì)編織帶的整體電阻值，達(dá)到靈活調(diào)整電阻性能的目的，其中多股編織工藝及碳纖維柔性編織帶的電阻調(diào)整方案，如表1所示。由表1可見(jiàn)，通過(guò)不同K數(shù)碳纖維的編織方案優(yōu)選，可以靈活調(diào)整碳纖維柔性加熱帶的單位長(zhǎng)度電阻值，本發(fā)明選取了兩種編織方案，調(diào)整單股纖維量(K數(shù))和編織股數(shù)可以設(shè)計(jì)出7種不同的單位電阻指標(biāo)，最終的單位長(zhǎng)度電阻值可以在2歐姆/米到8歐姆/米之間調(diào)整，若需要單位長(zhǎng)度上更小的電阻值，也可采用碳纖維多股編織帶的并用方式，如此方案設(shè)計(jì)完全可以滿足加熱籠的不同輻射功率設(shè)計(jì)要求。

表1不同K數(shù)及編織股數(shù)的單位長(zhǎng)度電阻設(shè)計(jì)方案

3.碳纖維加熱帶的力學(xué)特性設(shè)計(jì)

根據(jù)加熱籠的裝配要求，需要加熱帶具備一定的韌性和彈性，以適應(yīng)不同溫度下的尺寸變化；同時(shí)該加熱帶需要抵抗裝配過(guò)程中拐角位置的彎折和扭曲，因此需要在加熱帶表面進(jìn)行一定的高溫定型處理，以達(dá)到保證碳纖維絲束柔性基礎(chǔ)的條件下，賦予其一定的力學(xué)剛性和韌性。選擇了兩種韌性不同的高溫定型膠、選擇涂覆1％、2％、3％、4％、5％、10％六種不同定型膠黏劑含量的碳纖維絲束進(jìn)行高溫處理，形成碳纖維復(fù)合加熱帶樣品，通過(guò)熱處理成型的復(fù)合加熱帶力學(xué)特性的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，膠黏劑種類(lèi)與含量的變化對(duì)于加熱帶的韌性和剛性有著重要的影響，如表2所示。

表2定型劑種類(lèi)與濃度對(duì)碳纖維多股編織柔性加熱帶的力學(xué)特性影響對(duì)比

從表2的數(shù)據(jù)對(duì)比可見(jiàn)，定型膠的類(lèi)型對(duì)碳纖維加熱帶的剛度有較大影響，復(fù)合定型膠1隨著濃度由低到高的調(diào)整整體均出現(xiàn)了毛絲、斷絲問(wèn)題，這對(duì)于加熱帶的裝配是不利的。而復(fù)合定型膠2隨著涂覆濃度的變化，有較大的敏感性，首先低濃度定型膠對(duì)于剛性提高的效果不明顯，而采用高濃度復(fù)合定型膠，尤其是濃度大于5％之后，加熱帶的剛性大幅度提高，在反復(fù)彎折過(guò)程中極易出現(xiàn)斷絲、毛絲甚至整體折斷現(xiàn)象。因此在反復(fù)優(yōu)選方案后，本發(fā)明選擇3-4％濃度適中的復(fù)合定型膠2(電阻絲復(fù)合高溫膠粘劑)作為復(fù)合定型膠黏劑對(duì)其進(jìn)行高溫定型，以保證其整體韌性與剛性兼?zhèn)涞牧W(xué)性能。

根據(jù)真空熱試驗(yàn)對(duì)于加熱帶條外形、電阻特性以及力學(xué)特性的設(shè)計(jì)，利用專用碳纖維多股編織設(shè)備及高溫定型設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)碳纖維加熱帶的連續(xù)化生產(chǎn)。其主要生產(chǎn)流程如圖2所示。

本發(fā)明中碳纖維加熱帶的測(cè)試過(guò)程如下：

1光譜發(fā)射率測(cè)試

鑒于加熱籠需要模擬真空環(huán)境下的熱交換過(guò)程，而在真空環(huán)境中主要以熱輻射作為主要的傳熱方式。為此，進(jìn)行了加熱帶的真空環(huán)境光譜發(fā)射率測(cè)試，其測(cè)試波段在2500-15000nm范圍內(nèi)，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。通過(guò)測(cè)試結(jié)果分析可見(jiàn)，碳纖維多股編織帶在8000nm以上波段范圍的單色發(fā)射率基本在0.9以上，而在8000-15000nm范圍內(nèi)的單色發(fā)射率也保持在0.85以上，最低單色發(fā)射率也高達(dá)0.84。通過(guò)計(jì)算在有效測(cè)試波段內(nèi)其總發(fā)射率可達(dá)到0.91。因此采用本發(fā)明的碳纖維加熱帶在真空測(cè)試條件下具有極高的紅外輻射效率，紅外輻射加熱效果可完全達(dá)到熱試驗(yàn)使用要求。

2電性能測(cè)試

加熱帶電性能是加熱籠主要性能指標(biāo)之一，為此，本發(fā)明進(jìn)行了負(fù)載電流變化條件下的輻射加熱帶表面溫度的變化考察測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，隨著碳纖維多股編織帶加載電流升高，其表面溫度也呈現(xiàn)線性升高趨勢(shì)，當(dāng)加載電流達(dá)4安培以上時(shí)，表面溫度可在300℃以上，這說(shuō)明碳纖維多股編織帶具有較高熱效率，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)空間環(huán)境的熱交換。

本發(fā)明中碳纖維加熱帶的關(guān)鍵性能指標(biāo)：

表3碳纖維多股編織輻射加熱帶關(guān)鍵性能指標(biāo)

碳纖維加熱籠的裝配：

本發(fā)明的碳纖維加熱籠結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，其中，碳纖維真空熱試驗(yàn)工裝加熱籠，包括相對(duì)平行豎立設(shè)置的兩連接桿2，兩連接桿2的上下端分別穿設(shè)有與連接桿2垂直的鋁型材，豎立的兩連接桿2外側(cè)也分別豎立設(shè)置鋁型材，連接桿之間的鋁型材與外側(cè)的鋁型材分別通過(guò)直角接頭1固定形成鋁制骨架5，以固定兩連接桿2，兩連接桿2上分別設(shè)置有若干異形件6，一連接桿2上部設(shè)置接線端口3，另一連接桿下部同樣設(shè)置接線端口3，異形件6與連接桿2表面形成彎折空間，起始端連接在接線端口3上的碳纖維加熱帶4通過(guò)繞制在異形件6的彎折空間平行往返布置并終點(diǎn)連接在另一接線端口3上，配備電源，將試驗(yàn)電纜與接線端口3連接，形成試驗(yàn)電流回路，其中，碳纖維加熱帶4由3K的碳纖維絲編織而成，為多向帶狀編織，單絲纖維形成自鎖式抱合結(jié)構(gòu)。

其裝配步驟如下：

1.根據(jù)熱設(shè)計(jì)輸入，確定帶間距，在連接桿2上加工相對(duì)應(yīng)的連接桿上的異型件6。

2.組裝骨架，將骨架直角接頭1與鋁制骨架5連接，再將連接桿2固定到鋁制骨架5上。

3.開(kāi)始手工掛接碳纖維加熱帶4，按照電源能力需求可布置多條電流回路，滿足各種尺寸的試驗(yàn)件加熱需求。

4.將4碳纖維加熱帶的兩端固定到接線端口3。

5.配備電源裝置，將試驗(yàn)電纜與接線端口3連接，形成試驗(yàn)電流回路。

6.待電裝完畢后，將碳纖維加熱籠置入真空容器內(nèi)，固定于指定位置，即就緒，等待試驗(yàn)開(kāi)始。

碳纖維加熱籠的使用：

1試制一片碳纖維加熱籠

劃分三條回路，其中最左側(cè)的分布較密，另外兩條分布較稀。在距離加熱籠150mm的位置放置一塊涂黑漆的鋁板作為試驗(yàn)件，鋁板上布置了測(cè)溫點(diǎn)和熱流計(jì)，碳纖維帶條上也布置了測(cè)溫點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)在真空容器內(nèi)進(jìn)行，電流從0.5A開(kāi)始，每隔一段時(shí)間增加電流0.5A，直至3.5A為止，采集這期間的測(cè)量數(shù)據(jù)用于分析，電流隨時(shí)間的變化曲線如圖5所示。整個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行順利，沒(méi)有出現(xiàn)短路或局部過(guò)熱等問(wèn)題。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

三條碳纖維帶上均布置了測(cè)溫點(diǎn)，測(cè)得溫度在不同電流下帶條溫度隨時(shí)間的曲線見(jiàn)圖6。由圖6可知，三條回路的帶條溫度隨電流呈線性變化，與圖5的電流曲線保持高度一致。由于熱試驗(yàn)所用的測(cè)溫傳感器量程有限，所以在電流變?yōu)?A時(shí)，帶條溫度高于300℃而超出量程，可判斷鑒于碳纖維優(yōu)良的電熱轉(zhuǎn)換效率，可在未來(lái)的400℃高溫實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域有應(yīng)用價(jià)值。

熱流計(jì)在鋁板上共布置了四個(gè)，其中第一個(gè)回路布置了三個(gè)，第二個(gè)回路布置了一個(gè)，測(cè)出的溫度曲線如圖7所示。

由于本次試驗(yàn)所用的鋁板較大，距離較遠(yuǎn)，同時(shí)帶間距過(guò)大，所以鋁板溫度不夠高，這里更多的考慮熱流計(jì)的溫度。將熱流計(jì)的數(shù)據(jù)使用斯忒潘-玻爾茲曼公式計(jì)算可得熱流密度，取最大電流3.5A時(shí)的結(jié)果，最大熱流密度達(dá)到了1040.91W/m²。由此可知，在帶間距30mm的情況下，通3.5A電流，熱流密度即達(dá)到了1千瓦以上，說(shuō)明碳纖維材質(zhì)作為電熱材料高效的紅外輻射能力，完全可以滿足熱試驗(yàn)的熱流密度要求。

盡管上文對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式給予了詳細(xì)描述和說(shuō)明，但是應(yīng)該指明的是，我們可以依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)想對(duì)上述實(shí)施方式進(jìn)行各種等效改變和修改，其所產(chǎn)生的功能作用仍未超出說(shuō)明書(shū)及附圖所涵蓋的精神時(shí)，均應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。