一种空间环境模拟器光学窗口的控温装置
技术领域
本实用新型涉及一种控温装置，尤其涉及一种空间环境模拟器光学窗口的控温装置，适用于空间环境模拟器内部热沉温度<100K下，空间相机地面热光学试验的光学指标测试。
背景技术
空间相机进行空间任务探测时，相机镜头和遮光罩会面临真空、冷黑背景、太阳辐射、行星反照和行星辐射等复杂的外热流空间环境。发射前，需要在地面采用空间环境模拟器进行充分的热光学试验，以考核空间相机在特定环境下的适应能力和光学指标是否满足设计要求。
热光学试验时，空间相机安装于空间环境模拟器内部的载物小车上，在真空下向空间环境模拟器内的热沉通入液氮，模拟太空冷黑背景，通过空间相机的热控措施来模拟外太空可能经历的不同工况。在空间环境模拟器外部放置光学测试设备，通过空间环境模拟器侧壁上的光学窗口进行空间相机的光学测试。
光学窗口上的光学玻璃通过橡胶圈与金属法兰工装连接，光学窗口外侧为大气室温环境。当空间环境模拟器抽真空时，光学玻璃因承受外侧大气压力而产生形变，可通过光学测试得到其形变量，从而对后期的光学相机测量结果进行补偿。
当空间环境模拟器内部的热沉内通入液氮时，光学玻璃会因容器(即空间环境模拟器)内低温背景影响，出现轴向温差和径向温差，造成光学材料折射率变化和表面面形变化，给空间相机的光学测试带来较大的影响，其温度变化的主要影响因素为真空容器内侧的真空低温背景。因此，有必要对光学窗口的温度进行控制。
目前已有一些与空间模拟试验设备光学玻璃相关的控温装置及方法的研究报道。
如图1和图2所示，公开号为CN207913789U的中国实用新型专利中，公开了一种具有光学窗口恒温装置的真空实验装置，包括筒状的真空实验箱体01、光学窗口02和恒温装置03，光学窗口02设置在真空实验箱体01的门组件04上，在门组件04上与光学窗口02同轴地设置一个截头圆锥筒体作为恒温装置03。该截头圆锥筒体直径较大的一侧与门组件04的内壁连接。截头圆锥筒体由外至内依次包括屏蔽保温层05、由铜质金属管06和加热丝07绕制的控温层、金属筒体08，金属管06内通入水作为控温工质，通过对金属管06内水流的大小以及加热丝07的功率控制，可以调节光学窗口02的温度。在截头圆锥筒体的直径较小一端还设置有用于遮蔽光学窗口02的窗口挡板09，窗口挡板09关闭状态下可保证光学窗口02的温度。但是其存在两个缺点，一是为了保证进光口径，该截头圆锥筒体占用空间大；二是测试中打开窗口挡板09时，因试验箱内背景温度不同，会造成光学窗口02温度的波动，控温效果差。
公开号为CN102262225A的中国实用新型专利中，公开了一种空间光学遥感器热光学试验用光学窗口，该光学窗口的玻璃控温方法为在玻璃表面粘贴加热膜。其缺点是对于有些光学测试，粘贴加热膜会改变玻璃表面透过率等特性，影响光学测试结果，因此不能作为一种通用方法。
发明内容
本实用新型的目的是解决现有空间环境模拟器光学窗口的控温装置存在体积大、控温效果差或者粘贴加热膜影响光学测试结果的技术问题，提供一种空间环境模拟器光学窗口的控温装置。
为解决上述技术问题，本实用新型提供的技术解决方案如下：
一种空间环境模拟器光学窗口的控温装置，其特殊之处在于：包括安装支架、控制单元、用于加热光学窗口的圆筒形加热单元；
所述安装支架设置于加热单元底部，用于将加热单元固定在空间环境模拟器的光学窗口和热沉之间，且加热单元预留与光学窗口间的间隙，加热单元靠近或部分伸入热沉；
所述加热单元由内至外依次包括加热圆筒、电加热层、多层隔热组件；
所述加热圆筒内表面喷涂航天黑漆；
所述电加热层由薄膜型电加热片沿加热圆筒外侧的圆周面粘贴而成；
所述薄膜型电加热片沿加热圆筒的轴向分为独立加热的多组。
进一步地，为了实现更好的控温效果，采用程控电源对多组薄膜型电加热片进行独立加热，所述控制单元包括温控仪、程控电源、以及粘贴于光学窗口内、外表面中心及其圆周边缘的多个温度传感器；
多个所述温度传感器的输出端连接所述温控仪的输入端；
所述温控仪的输出端连接所述程控电源的输入端；
所述程控电源的输出端与多组所述薄膜型电加热片分别电连接。
进一步地，为了将加热单元稳定地安装在空间环境模拟器的光学窗口和热沉之间，同时实现加热单元与空间环境模拟器的绝热安装，减小安装支架漏热对加热圆筒温度均匀性的影响，所述多层隔热组件上开设有通孔，螺钉穿过所述通孔将所述安装支架与所述加热圆筒相连接，所述螺钉与所述加热圆筒的接触面上设有隔热垫。
进一步地，为了实现更好的隔热效果，所述隔热垫为玻璃钢或聚四氟乙烯材质。
进一步地，为了尽可能减小加热单元的重量，所述加热圆筒为铝合金材质。
进一步地，所述薄膜型电加热片沿加热圆筒的轴向分为独立加热的两组。
进一步地，为了提升加热圆筒朝向光学窗口的热发射率，所述航天黑漆的发射率为0.9。
本实用新型相比现有技术具有的有益效果如下：
1、本实用新型针对安装有光学窗口的空间环境模拟器，提供了一种简单方便的光学窗口控温装置，不需要在光学窗口表面粘贴加热膜，利用可独立加热的多组薄膜型电加热片，对加热圆筒靠近或伸入热沉部分和靠近光学窗口一侧部分分别进行加热，使得加热圆筒靠近或伸入热沉部分的温度不低于靠近光学窗口一侧的温度，以达到更好的控温效果，实现简单，避免了热沉对加热圆筒的温度影响，从而更好地实现了对光学窗口的温度控制。
2、相比于现有的截头圆锥筒体恒温装置直径较大一侧与门组件内壁连接的安装方式，本实用新型提供的空间环境模拟器光学窗口的控温装置，其圆筒形加热单元体积比截头圆锥筒体小，且其安装支架是利用空间限位的方式放入空间环境模拟器内以固定加热单元，安装方便，不需要改变现有空间环境模拟器的结构。
3、在安装时，加热单元预留与光学窗口间的间隙，不需要采用现有技术中的直接连接方式，避免了加热圆筒与光学窗口的接触传热影响，使得光学窗口的加热温度仅仅来自于加热圆筒的热辐射，受热均匀且易于控制。
4、控制单元包括温控仪、程控电源、以及粘贴于光学窗口内、外表面中心及其圆周边缘的多个温度传感器，程控电源电连接薄膜型电加热片，温控仪控制程控电源从而驱动薄膜型电加热片对加热圆筒进行加热，进而加热光学窗口，温度传感器再将光学窗口温度反馈给温控仪，通过闭环控温的方式，可以达到良好的控温效果。
5、安装支架与加热圆筒绝热固连，使得加热单元稳定地安装在空间环境模拟器的光学窗口和热沉之间，绝热安装的方式减小安装支架漏热对加热圆筒温度均匀性的影响。
附图说明
图1为现有具有光学窗口恒温装置的真空实验装置的结构示意图；
图2为图1的A处局部示意图；
图3为本实用新型空间环境模拟器光学窗口控温装置的结构示意图；
图4为本实用新型空间环境模拟器光学窗口控温装置的加热单元结构示意图；
图5为本实用新型空间环境模拟器光学窗口控温方法的控制框图；
附图标记说明：
现有技术：
01-真空实验箱体；02-光学窗口；03-恒温装置；04-门组件；05-屏蔽保温层；06-金属管；07-加热丝；08-金属筒体；09-窗口挡板；
本实用新型：
1-安装支架；201-加热圆筒；202-电加热层；203-多层隔热组件；3-光学窗口；4-空间环境模拟器；5-热沉；6-空间相机。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步地说明。
如图3和图4所示，本实用新型提供的空间环境模拟器光学窗口的控温装置，该装置使用的前提是空间环境模拟器4内部热沉5温度<100K，一是满足热光学试验的条件要求，也保证控温装置所处的内部背景温度稳定。该装置包括安装支架1、控制单元、用于加热光学窗口3的圆筒形加热单元，加热单元的长度取决于光学窗口3的尺寸、光学窗口3与热沉5之间的间距。为保证光学窗口3温度均匀性，当光学窗口3尺寸较小时，加热单元的长度可以短一些；当光学窗口3尺寸较大时，加热单元部分结构需要伸入热沉5内部。
所述安装支架1设置于加热单元底部，用于将加热单元固定在空间环境模拟器4的光学窗口3和热沉5之间，且加热单元预留与光学窗口3间的间隙，加热单元靠近或部分伸入热沉5。
所述加热单元由内至外依次包括铝合金材质的加热圆筒201、电加热层202、多层隔热组件203；所述加热圆筒201内表面喷涂航天黑漆，航天黑漆的发射率为0.9，以提升朝向玻璃的发射率；所述电加热层202由薄膜型电加热片沿加热圆筒201外侧的圆周面粘贴而成，用于对加热圆筒201的均匀加热。因加热单元所处于热沉5内、外区域的温度环境不同，可将加热单元划分为多个部分进行单独控温，即将所述薄膜型电加热片沿加热圆筒201的轴向分为独立加热的多组，优选两组。所述，螺钉穿过多层隔热组件203上开设的通孔将所述安装支架1与所述加热圆筒201相连接，所述螺钉与所述加热圆筒201的接触面上设有隔热垫，所述隔热垫可以为玻璃钢或聚四氟乙烯材质。
所述控制单元包括温控仪、程控电源、以及粘贴于所述光学窗口3内、外表面中心及其圆周边缘的多个温度传感器；多个所述温度传感器的输出端连接所述温控仪的输入端；所述温控仪的输出端连接所述程控电源的输入端；所述程控电源的输出端与多组所述薄膜型电加热片分别电连接。温度传感器粘贴于光学窗口3玻璃表面，用来监控光学窗口3玻璃表面的温度，实现闭环控温的温度反馈。通过加热圆筒201内表面的热辐射，对光学窗口3的光学玻璃表面进行加热，所述控制单元与加热单元一起实现对于光学窗口3上光学玻璃的闭环控温。
如图5所示，利用上述空间环境模拟器光学窗口控温装置进行空间环境模拟器光学窗口控温的方法，包括以下步骤：
1)加热圆筒201的尺寸和加热温度确定
结合有限元仿真，选取合适的加热圆筒201尺寸，获取将光学窗口3温度保持在T0时所需的加热圆筒201温度，使得靠近或伸入热沉5内部的加热圆筒201温度不低于靠近光学窗口3一侧的加热圆筒201的温度；T0为空间环境模拟试验时，光学窗口3所需保持的温度；
2)加热光学窗口3
采用步骤1)确定的加热圆筒201温度对温控仪参数进行设置，通过温控仪控制程控电源，从而驱动多组薄膜型电加热片分别对加热圆筒201进行加热，进而加热光学窗口3；
3)不搭载空间相机6进行光学窗口3的控温验证(即在不搭载空间相机6的情况下，进行试验验证。)
待光学窗口3温度稳定后，利用光学窗口3表面粘贴的温度传感器获取其温度值，温控仪采集到该温度值并判断是否达到T0，且光学玻璃内外表面及径向温度是否满足(T0±1.0)℃的均匀性要求，若已达到，则确定加热圆筒201的温度，进行步骤4)；若否，则调整温控仪参数，直至光学窗口3的温度达到T0，并满足温度均匀性要求。光学窗口3的控温验证一是为了验证设计的加热圆筒201的设计足控温均匀性的要求，另一方面也是为了搭载空间相机6进行热光学试验时，提供加热圆筒201的温度参考值。
进一步地，为了获得更接近实际值的温控仪参数和热圆筒温度参数，使光学窗口3的温度更接近搭载空间相机6进行光学测试时的温度，且为了保障使用红外点温枪时，光学窗口3的温度和均匀性更加可信，步骤3)和步骤4)之间还包括步骤3-4)：
3-4)模拟试验件控温
在空间环境模拟器4内的载物小车上搭载与空间相机6外形、温度相近的模拟试验件，在空间环境模拟器4外部放置光学测试设备，采用上一步最后确定的温控仪参数对温控仪进行设置，利用温度传感器获取光学窗口3温度稳定后的温度值，温控仪采集到该温度值并判断其是否达到T0和温度均匀性要求，若是，则确定加热圆筒201的温度，进行步骤4)；若否，则继续调整温控仪参数，直至光学窗口3的温度达到T0和温度均匀性要求。
4)搭载相机后的光学窗口3控温
在空间环境模拟器4内的载物小车上搭载空间相机6，在空间环境模拟器4外部放置光学测试设备，采用上一步最后确定的加热圆筒201温度设置为加热圆筒201的目标温度，利用光学窗口3温度传感器获取光学窗口3温度稳定后的温度值，温控仪获取该温度值并判断其是否达到T0和温度均匀性要求，若已达到，则进行步骤5)；若否，则继续调整温控仪参数，直至光学窗口3的温度达到T0和温度均匀性要求。需要说明的是,当光学窗口3粘贴温度传感器影响光学测试时，可选用红外点温枪进行光学窗口3外表面的温度测试。
5)进行空间相机6的热光学测试。
空间相机6的安装一般会远离加热单元，这样加热单元对空间相机6进光口的影响可控，同时空间相机6外热流和温度的变化也可以减小空间相机6表面温度对光学窗口3温度的影响。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型所保护技术方案的范围。
