一种星载高温度均匀性面源黑体辐射源

技术领域

本发明涉及红外辐射测量技术领域，尤其涉及一种星载高温度均匀性面源黑体辐射源。

背景技术

近年来，红外技术广泛的应用于空间遥感探测和军事侦察等领域，红外探测系统往往会搭载在卫星上用以对地观测。为了满足探测器的高性能指标要求，需要对其进行在轨实时定标。黑体辐射源系统是标定红外仪器的关键装置。

面源黑体除了要求具有高发射率，由于其辐射面积大，对温度均匀性也提出了很高的要求。为了提高有效发射率，需增加槽深度，但温度均匀性就难以保证；定标精度对大口径的需求则更加剧了这种温度非均匀的程度。

为达到260K～320K的辐射定标温度范围要求，黑体既有加热需求又有冷却需求。加热可用电加热的加热膜实现，而冷却则可用星上应用广泛、可靠性高且不耗能的辐射散热板实现，黑体与散热板间通过热管连接。由于冷源与热源的安装位置分离，黑体背面的热流分布差异大，导致黑体温度均匀性差。另外，由于星上资源对黑体体积和重量的限制，星载黑体仅能采用温度均匀性较差的平面型，而无法采用温度均匀性更好但体积和重量较大的圆柱腔平面型。同样由于重量限制，星载黑体所用材料为密度和导热系数较低的铝合金，而无法使用地面常用的密度和导热系数较高的紫铜。

通过使用紫铜板和石墨片等高导热材料构成的均温结构，可将黑体的温度均匀性降低到±0.15K，仍然无法满足±0.1K的黑体温度均匀性指标。为解决上述问题，本发明提供一种星载高温度均匀性面源黑体辐射源，将低导热聚酰亚胺片加入均温结构中，大大提高了星载黑体的温度均匀性，对于地面应用的类似冷热源分离黑体也同样有很大的借鉴意义。

发明内容

本发明意在提供一种星载高温度均匀性面源黑体辐射源，以解决现有的星载黑体存在的温度均匀性差的问题，从而提高星上红外标定的准确性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种星载高温度均匀性面源黑体辐射源，包括黑体、均温结构、加热膜、热管和温度传感器，所述黑体正面的圆形有效区域为V型槽结构，所述温度传感器安装于黑体背面的凹槽内；所述均温结构正面与黑体背面导热安装并用螺钉固定，所述均温结构由紫铜板、高导热石墨片和低导热聚酰亚胺片按设计组合而成，各层之间采用胶粘；所述热管一端通过螺钉安装在均温结构背面，所述热管另一端安装在辐射散热板或其他冷源上；所述加热膜贴在均温结构背面。

进一步的，所述紫铜板厚度为3mm；所述高导热石墨片厚度为0.8mm，面内导热系数大于1000W/(m·K)；所述低导热聚酰亚胺片厚度为0.8mm，导热系数为0.3～0.5W/(m·K)。

进一步的，所述设计组合是：从黑体到加热膜中间的各层材料依次为2层石墨片、1块紫铜板和1层聚酰亚胺片。

进一步的，所述设计组合是：从黑体到加热膜中间的各层材料依次为3层石墨片、1块紫铜板和1层聚酰亚胺片。

进一步的，所述设计组合是：从黑体到加热膜中间的各层材料依次为2层石墨片、1块紫铜板、1层聚酰亚胺片、1层石墨片和1层聚酰亚胺片。

进一步的，所述黑体基底为正方形，基底正面的圆形有效区域为带有V型槽且喷涂有高发射率涂层的圆形辐射面，圆形辐射面的直径略大于基底的边长，且圆形辐射面垂直于热管轴向方向的两侧削平。

进一步的，所述黑体背面在不同位置加工有7个凹槽，用于粘贴温度传感器，所述温度传感器为标定后的PT1000铂电阻，且用4线制引出，数量为7个；所述黑体背面均布有M3的螺钉孔，用于安装均温结构和热管；所述黑体背面四角各设有2个Φ5mm的通孔，用于将黑体辐射源安装在卫星上。

进一步的，所述加热膜为由康铜箔片与聚酰亚胺薄膜制成的加热膜；所述热管为铝氨槽道热管。

进一步的，每片加热膜中有三个阻值通路，相互连接成三个阻值不同的加热回路，采用恒压电源供电，通过加热回路的组合实现不同的黑体温度。

进一步的，每片加热膜中有一个阻值通路，相互连接成一个加热回路，通过PID控制器调节加热功率来达到不同的黑体温度。

相比现有技术，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过均温结构中低导热聚酰亚胺片的引入以及结构设计，还有加热膜功率的设计分配，大大提高了星载黑体的温度均匀性。

(2)本发明所制备的星载高温度均匀性面源黑体辐射源具有高发射率、高温度均匀性、宽温度范围的特点，在真空低温条件下不存在污染，能够长时间稳定工作，能够用于卫星上红外探测设备的标定。

(3)可根据此发明将涉及的技术扩展到更大辐射面积、更宽温度范围的星载黑体辐射源，亦可应用于地面使用的类似冷热源分离黑体或其他需要高温度均匀性目标。

附图说明

图1为本发明的星载高温度均匀性面源黑体辐射源的整体结构示意图；

图2为黑体正面结构示意图；

图3为黑体背面结构示意图；

图4为实施例中黑体辐射源各层结构的局部示意图；

图5为黑体辐射源背面的加热膜和热管布局示意图。

其中，附图标记包括：1、黑体；2、均温结构；2-1、紫铜板；2-2、石墨片；2-3、聚酰亚胺片；3、加热膜；3-1、两边加热膜；3-2、中间加热膜；4、热管；5、温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

参见图1～图5，一种星载高温度均匀性面源黑体1辐射源，包括黑体1、均温结构2、加热膜3、热管4和温度传感器5。黑体1正面的圆形有效区域为V型槽结构，温度传感器5安装于黑体1背面的凹槽内；均温结构2正面与黑体1背面导热安装并用螺钉固定，均温结构2由紫铜板2-1、高导热石墨片2-2和低导热聚酰亚胺片2-3按设计组合而成，各层之间采用胶粘；热管4一端通过螺钉安装在均温结构2背面，另一端安装在辐射散热板或其他冷源上；加热膜3贴在均温结构2背面。

参考图2，黑体1材质为2A12铝合金，尺寸为220mm×220mm×27.5mm，正面的圆形有效区域为V型槽结构，V型槽结构喷涂有高发射率涂层形成圆形辐射面，V型槽深10mm，等效发射率在0.99以上；圆形辐射面的直径为240mm，垂直于热管4轴向方向的两侧削平。

参考图3，黑体1背面在不同位置加工有7个凹槽，槽深5mm，槽宽3mm，用于粘贴温度传感器5，温度传感器5为标定后的PT1000铂电阻，且用4线制引出，数量为7个，使用GD414C硅橡胶粘贴并填满凹槽，使得粘贴后黑体1背面平整；黑体1背面均布有M3的螺钉孔，用于安装均温结构2和热管4；黑体1背面四角各设有2个Φ5mm的通孔，用于将黑体1辐射源安装在卫星上。

参考图4，均温结构2安装在黑体1背面，中间垫0.1mm的铟片，并通过M3螺钉固定。按照从黑体1到加热膜3的方向，均温结构2的各层材料依次为2层石墨片2-2、1块紫铜板2-1、1层聚酰亚胺片2-3、1层石墨片2-2和1层聚酰亚胺片2-3。上部的石墨片2-2用RTV566胶粘，可以有较好的导热效果；下部与聚酰亚胺片2-3粘接的界面用GD414C硅橡胶，保证粘接强度。紫铜板2-1厚度为3mm，石墨片2-2和聚酰亚胺片2-3的厚度均为0.8mm；石墨片2-2的面内导热系数大于1000W/(m·K)，聚酰亚胺片2-3导热系数为0.3～0.5W/(m·K)。

参见图5，加热膜3由康铜箔片与聚酰亚胺薄膜制成，分为中间和边缘的两种。每片加热膜3中有三个阻值通路，相互连接成三个阻值不同的加热回路，通过恒压电源供电，三路加热功率分别为15W、20W和25W，通过加热回路的组合实现不同的黑体1温度。每个加热回路的中间4片的总加热功率与边缘2片的总加热功率之比为0.626:0.374。热管4为直径15mm的Ω型铝氨槽道热管4，翅片宽度为40mm。

最后，为了保证黑体1的高温度均匀性，需要严格控制其漏热。具体方案如下：

黑体1通过10mm厚的聚酰亚胺隔热垫和M4钛合金螺钉安装在卫星上，减小安装位置的导热漏热；黑体1侧面以及黑体1周围的安装框架内侧面均贴镀金膜，减小侧面的辐射漏热；黑体1底部以及其到辐射散热板的整个链路包裹多层，减小底部以及传热链路的漏热。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。