超低热膨胀系数

摘要：航天器用各种大尺寸构件都普遍要求超低膨胀系数以保证构件尺寸的稳定性，传统热膨胀系数测试只针对长度100mm以下的小试样，已无法满足大尺寸构件的超低热膨胀系数测量，需要精确测量整个构件的超低热膨胀系数。本文对国内在大尺寸构件热膨胀系数整体测量方面的研究工作进行了综述，以了解国内目前的发展状况，给今后开展此方面工作提供参考和借鉴。1. 前言 在太空运行的各种航天器，由于没有大气层的保护，其环境温度变化很大，受阳面温度可高达上百摄氏度，而被阳面温度却在零下几十摄氏度。因此，航天器在空间环境中，由于材料的热膨胀，会引起航天器结构的尺寸变化。但是从航天器的某些部件和仪器的技术要求考虑，希望航天器的某些结构的稳定性要好，这一点对通讯卫星天线结构及敏感元件、太空望远镜的镜筒支架等的使用和安装尤为重要。尤其是卫星和望远镜桁架结构更要求其在一定的环境温度变化范围内不因热应力产生变形或者变形极小，即所谓零膨胀。传统热膨胀系数测试只针对长度100mm以下的小试样，已无法满足大尺寸构件的超低热膨胀系数测量。为适应航天器制造的要求，特别是对于以m为长度单位的E-08/K量级材料热膨胀系数需要更加准确的测试。因此，研究航天器用复合材料工程构件的超低膨胀测试方法和相应的测试设备，具有重要的科学意义和实用价值。 本文将介绍国内在工程构件级热膨胀系数测试方法和测试设备方面所开展的工作。2. 光纤位移传感器测试方法（1） 针对卫星用低膨胀纤维增强复合材料杆件，上海复合材料科技有限公司与国防科技大学合作开展相应的热膨胀系数测试系统研究，具体的测试要求为： （1）测试件是碳纤维复合材料杆件，杆件形状为圆杆或矩形杆。长度尺寸1m，圆杆直径φ10～80mm，壁厚为2mm左右。矩形杆的截面不超过100mm×100mm，壁厚2mm左右。 （2）能测量在温度范围-70～+100℃的轴向伸缩量，并测量相应温度，从而得出工程试件的热膨胀曲线。测量误差不大于±3%。 （3）试验箱能按要求的程序升温，升温程序可调，并能实时控制。对设定点的温度控制精度优于±1℃，测量精度优于0.5℃。试件周边温度的均匀性优于±2℃。 上海复合材料科技有限公司研制的这套热膨胀测试系统主要由温度控制系统、机械系统、数据采集系统、计算机控制与分析系统四大部分构成。 （1）温度控制系统：采用高低温试验箱，满足温度范围和温度控制要求。 （2）机械系统：包括测试系统的基座、测试基准、试件支架。 （3）数据采集系统：包括光纤位移传感器。 （4）计算机控制与分析系统：主要用于控制整个测试过程，实现测试数据的自动采集、分析、存储与测试结果的显示。 位移采集采用MTI2000光纤位移传感器，其特点是非接触式，最大量程2mm，分辨率为0.25um。MTI2000光纤位移传感器包含一组发射光光纤和一组接收光光纤，如图 2 1所示，发射光光纤和接受光光纤以三种不同方式排列（不规则、半圆心及同心圆形状），卤钨灯提供光源，光传输到光纤中，光纤探头发出的光照射在被测物上，被测物反射回来的光进入接受光光纤并传入到MTI-2000中。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/10/201610221657_614789_3384_3.png图 2-1 光纤分布示意图 如图 2-2所示，当光纤与被测物接触时，没有光能传输给接收光光纤，输出信号为“零”。随着探头与被测物之间距离的增加，接收光纤接收的光也增加，并且增加的光和距离之间非常敏感，与信号输出也呈很好的线性。随着距离的继续增加，接收光光纤接收到的光达到峰值，如果探头和被测物之间的距离继续增加，接收到的光将会持续减少，结果是具有第二个很灵敏且具有大量程和标准距离的测量范围。 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/10/201610221657_614790_3384_3.png图 2-2 MTI2000光纤位移传感器输出信号与位移的变化关系 整个测量系统的测量基准利用低膨胀系数材料殷钢制作，测量基准包括殷钢连杆、传感器微调台和殷钢传感器夹具。测量基准至于试验箱外，因醋不受试验箱内温度变化影响，而且整个测量基准能够控制在0.5um/m℃以下。 被测件通过试件支架安装在试验箱内，试件支架包括殷钢V形架、低导率材料升降杆和剪式升降台，被测件水平置于V形架内，由V形架自动定心，从而保证被测件轴心与两个传感器侧头平行。被测件支架通过剪式升降台固定在大理石基础件上，不与试验箱体接触。 剪式升降台能够调整被测件在试验箱内高度，从而保证能够测量不同直径的被测件的热膨胀系数。在温度快速变化的情况下保证箱体和支架对称变形，同时减小支架的质量，以减小其热容，防止测量时受到支架变形影响而产生的缓慢漂移。 文献中并未报道此测试系统的结构，但根据分析可以大概此测试系统为双端面测试结构，即将两路光纤位移传感器对准被测件的两个端面，同时测量两个端面的位移，最终得到整个测试件的热膨胀长度变化。整个测试系统的结构如图2-3所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/10/201610221657_614791_3384_3.png图 2-3 低膨胀纤维增强复合材料杆件热膨胀系数测试系统结构示意图 从文献报道分析这套大尺寸构件热膨胀系数测试系统技术指标和测试结果，可以得出以下初步的结论： （1）位移传感器分辨率为0.25um，那么测量准确度基本也就在1um左右，这个测量准确度基本与千分表相同，所能测试的热膨胀系数最小也就在1E-06/K左右，还无法测试-7量级甚至-8量级的零膨胀系数材料。而目前的2m长构件热膨胀系数可以达到5E-08/K水平，由此可见采用这种测试方法无法满足目前零膨胀构件的测试需求。 （2）采用光纤式位移传感器所进行的位移测量，是一种相对测试方法，实际测量精度还需要采用更高级别仪器进行计量标定才能保证热膨胀系数测量准确性。 （3）采用已知热膨胀系数的铝材Ly12CZ（淬火状态）制成的测试件进行测量精度考核，测试件直径为φ20mm，常温下长度1m，壁厚为2.5的管型材。在-50?20℃测试温度范围内，测定的平均热膨胀系数为19.9E-6/K，20～100℃测试温度范围内，测定的平均热膨胀系数为21.4E-6/K。文中得出的结论是对于这种E-06/K量级的热膨胀系数测试偏差在7%以内。由此试验证明这套大尺寸只能测试E-06/K量级的热膨胀系数。 （4）文中报道了对直径?20mm、壁厚2mm、长度为1m的碳纤维复合材料圆杆热膨胀系数测试结果，测试温度范围为10～30℃。测试结果显示热膨胀长度变化量为-17.47um，线膨胀系数为-0.87E-06/K。文中仅报道了两次重复性测量，两次重复行测量重复精度为1.3%。由此可见这种碳纤维复合材料圆杆热膨胀系数很大，距离所需要的零膨胀系数差距很大。 （5）从文中报道可以看出，整个测试是以殷钢基座为基准，理论上这个测量基准能够控制在0.5um/m℃以下。但考虑到伸入试验箱内光纤长度的变化，以及并未采用同侧差分测量抵消光纤长度的技术手段，很大可能会出现碳纤维复合材料圆杆实际热膨胀系数很小，但此套装置并不能准确测试，测试结果反而是此装置的系统误差，即碳纤维复合材料圆杆很小的热膨胀以及完全淹没在测试系统误差内。 （6）尽管文中报道的碳纤维复合材料圆杆热膨胀系数测试结果在-0.87E-06/K左右，这表现出碳纤维复合材料圆杆生产工艺还未能实现整体圆杆的零膨胀，更表现出测试方法自身精度完全无法达到零膨胀测试需要，但这是目前国内对大尺寸管件低膨胀测试的首次尝试，尽管不成功但意义非常重大。从对1m长的圆杆测试结果可以看出，在10?30℃温度范围内，圆杆收缩了17.47um。那么如果采用取样方式进行热膨胀测试，取样尺寸如果为100mm，那么100mm小试样的受热收缩也仅仅为1.7um左右。对于这种不到2um的热膨胀，采用目前常规的热膨胀仪器都无法进行测量。文中所报道的1m长碳纤维复合材料圆杆热膨胀系数测试恰恰证明了低膨胀构件整体热膨胀系数测试的必要性，这点在超低热膨胀系数构件中显得更为突出。[color=#ff000

[align=center][b][color=#3333ff]太空望远镜复合材料桁架管件超低热膨胀系数测试系统技术方案[/color][/b][/align][align=center]Design Proposal of Ultralow Thermal Expansion Coefficient Measurement System for Composite Truss Used in Space Telescope[/align][b][/b]摘要：太空望远镜用各种大尺寸复合材料桁架管件和镜筒普遍要求超低热膨胀系数以保证太空望远镜的热稳定性，传统热膨胀系数测试中的小尺寸试样已无法满足大尺寸构件的超低热膨胀系数测量，需要精确测量整个构件的超低热膨胀系数。本文基于成熟的激光干涉法微位移测试技术，根据复合材料桁架管件工艺质量控制技术要求，提出了大尺寸构件超低热膨胀系数测试系统设计方案。[align=center][img=太空望远镜超低热膨胀系数桁架管件,483,400]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/08/201708220048_02_3384_3.png[/img][/align][align=center][color=#ff0000]上海依阳实业有限公司（www.eyoungindustry.com）[/color][/align][align=center][/align][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][b][color=#ff0000]1.需求背景[/color][/b] 在太空中运行的望远镜由于没有大气层保护，其工作温度变化很大，受阳面温度可高达上百摄氏度，而被阳面温度却在零下几十摄氏度。因此，太空望远镜在空间环境中，望远镜桁架材料的热膨胀，会引起太空望远镜光学结构的尺寸变化，从而造成望远镜观测精度下降。这样对太空望远镜的某些部件和仪器的技术要求就是热稳定性要好，要求太空望远镜的大尺寸桁架结构在一定的环境温度变化范围内不因热应力产生变形或者变形极小，热膨胀系数达到E-08/K量级，即所谓零膨胀。 传统热膨胀系数测试只针对长度100mm以下的小试样，无法满足大尺寸构件的超低热膨胀系数测量。为适应太空望远镜制造的要求，特别是对于以米为单位的大尺寸E-08/K量级部件的超低热膨胀系数，需要更加准确的测量。因此，研究太空望远镜用复合材料工程构件的超低热膨胀系数测试方法和相应的测试设备，具有重要的科学意义和实用价值。 本文基于成熟的激光干涉法微位移测试技术，根据复合材料桁架管件工艺质量控制技术要求，提出大尺寸构件超低热膨胀系数测试系统设计方案，为管件的设计、生产和质量评价提供技术支撑，并为今后整体桁架结构的尺寸稳定性测试评价奠定技术基础。[b][color=#ff0000]2.超低热膨胀系数测试系统技术要求[/color][/b][color=#ff0000]2.1. 样件形式和尺寸范围[/color] （1）刚性固体复合材料制成的横截面为圆柱形、矩形和T型等形式的管件； （2）样件外径范围为70mm～150mm； （3）样件长度范围为500mm～2000mm； （4）样件端面平整度小于0.05mm； （5）样件两端面平行度小于0.05mm。[color=#ff0000]2.2. 技术指标[/color] （1）测试温度范围：0℃～40℃； （2）测温精度：≤0.01℃； （3）样件温度均匀性：≤0.05℃； （4）变形测量分辨率：0.4nm； （5）变形测量不确定度：≤30nm； （6）测温点数：1个/2℃； （7）热膨胀系数测量不确定度：≤1×10-8/K。[color=#ff0000]2.3. 验收大纲[/color] （1）验收测量长度为1m的2等量块或同等制造精度的碳纤维复合材料管件（其直径为70mm～150mm，长度为1000mm～2000mm）。 （2）以1m的碳纤维复合材料管件为验收样品，在温场均匀度优于0.05℃、测温步长为2℃条件下，5次测量结果的长度变化量优于30nm，热膨胀系数标准偏差优于1×10-8/K。[b][color=#ff0000]3. 整体结构设计[/color][/b] 大尺寸样件超低热膨胀系数测试系统主要由真空系统、试验系统和测量系统三部分组成，整个测试系统放置在气浮隔振台上，如图3-1所示。[align=center][img=大尺寸管件超低热膨胀系数测试系统,690,269]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/08/201708220049_01_3384_3.png[/img] [/align][align=center][color=#6633ff]图3-1 整体结构示意图（侧视图）[/color][/align] 针对大尺寸样件，超低热膨胀系数测试系统可以根据激光干涉仪的分布位置设计为单端测量和双端测量布局两种形式。[color=#ff0000]3.1. 单端测量布局[/color] 单端测量布局形式如图3-2所示。[align=center][img=超低热膨胀系数测试系统单端结构,690,439]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/08/201708220050_01_3384_3.png[/img] [/align][align=center][color=#3333ff]图3-2 单端测量结构示意图（俯视图）[/color][/align] 单端测量布局的特点： （1）光程差大（试件长度），两反射镜平行度要求高，可能会带来一定误差。 （2）优点是便于今后多通道测量和扩展，一台激光器可带三台干涉仪进行三个试样测量。 （3）关键是可以进行空载测量，确定系统误差。[color=#ff0000]3.2. 双端测量布局形式[/color] 双端测量布局形式如图3-3所示。[align=center] [img=超低热膨胀系数测试系统双端结构,690,250]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/08/201708220050_02_3384_3.png[/img][/align][align=center][color=#3333ff]图3-3 双端测量结构示意图（侧视图）[/color][/align] 双端测量布局的特点： （1）光程差小，两端反射镜平行度要求不高，有利于保证测量精度。 （2）多通道测量和扩展成本高，两台干涉仪只能测量一个试样。[color=#ff0000][b]4. 分系统设计[/b]4.1. 真空系统[/color] 真空系统为大尺寸样件的热膨胀系统测量提供精确恒定的真空环境，避免激光干涉测量受到气体（气压）波动的影响。[color=#ff0000]4.1.1. 真空腔体及整体布局[/color] 真空腔体及整体布局如图4-1所示。[align=center] [img=,346,200]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/08/201708220043_02_3384_3.png[/img][/align][align=center][color=#3333ff]图4-1 真空腔体布局示意图[/color][/align] 真空腔体为矩形上开盖结构，因真空会使腔体变形不便做成大跨度的多试样整体结构，只能做到长矩形腔体并进行加固，减少腔体对测量影响。 今后扩展采用独立真空腔体形式，至少可在两个方向上扩展，甚至可能在三个方向上扩展。 设计中考虑了激光干涉测量系统光路扩展，留有扩展功能。[color=#ff0000]4.1.2. 光学窗口[/color] 光学窗口是实现真空条件下测量稳定性的关键，其功能是保证真空环境形成过程中对激光光路的影响最小。光学窗口的结构如图4-2所示。[align=center][img=,512,300]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/08/201708220044_01_3384_3.png[/img] [/align][align=center][color=#3333ff]图4-2 光学窗口结构示意图[/color][/align] 光学窗口设计有以下两个特点： （1）采用局部刚性密封避免石英片移动。 （2）采用弹性调节和固定方式，将光学窗口石英片水平面调节和固定在常用真空度恒定时的位置上，同时保证与激光光路垂直。[color=#ff0000]4.1.3. 真空度测量和控制系统[/color] 真空腔体内的真空度（气压）需要长时间的精确恒定控制，采用高精度薄膜电容规测量真空度，采用特制的控制器进行自动控制，真空度精确控制在100Pa，波动率小于±1%，气氛为干燥氮气。 选择真空度为100Pa是为了既能消除气体折射率波动对激光干涉测量的影响，同时还能最大限度利用气体传热能力便于试件温度快速达到热平衡。 采用干式真空泵抽取真空，降低真空泵对光学器件的污染。真空度控制系统结构如图4-3所示。[align=center] [img=,507,300]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/08/201708220045_01_3384_3.png[/img][/align][align=center][color=#3333ff]图4-3 真空度控制系统结构示意图[/color][/align][color=#ff0000]4.2. 试验系统[/color] 试验系统整体放置在真空腔内，用于放置被测试件、加热试件、保证试件受热膨胀形成单方向变形并将试件热变形转换为光程变化。[color=#ff0000]4.2.1. 支撑平台机构[/color] 热膨胀系数测试中，被测试件无论通过什么形式都要与真空腔体底部发生连接关系，真空腔体温度变化及其不均匀性都会造成这些连接关系发生二维形变。支撑平台机构除了给试件与真空腔底部提供连接关系之外，其重要功能是为试件提供一个基准平台，此基准平台只在光学测量方向上产生一维变形。支撑平台机构如图4-4所示。[align=center] [img=,690,234]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/08/201708220045_02_3384_3.png[/img][/align][align=center][color=#3333ff]图4-4 被测样件支撑结构示意图[/color][/align] 试件变形测量的基准为导轨板，导轨板水平方向上的变形必然是二维形式。通过固定在真空腔底板和导轨板一端的单向平移机构保证导轨板一维变形，通过导轨板另一端的轴承导轨结构消除掉另一个水平方向上的位移，保证导轨板单向水平移动。[color=#ff0000]4.2.2. 试件支架结构[/color] 试件支架结构如图4-5所示。[align=center][img=,526,400]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/08/201708220045_03_3384_3.png[/img] [/align][align=center][color=#3333ff]图4-5 试件支撑结构示意图[/color][/align] 为使试样尽量处于轴向自由移动状态，整个试样采用两个弧形支架支撑，尽可能减少试样与支架的接触面积。 支架采用铜材料，其中安装测温用热电阻测量试样温度。 采用氟塑料进行隔热，避免试样温度向下传递。 铜支架放置在可调节水平和高度的微调平台上，并能滑动以改变支点位置满足不同长度试件要求。[color=#ff0000]4.2.3. 试样绝对变形量传递装置[/color] 试样绝对变形量传递装置如图4-6所示[align=center] [img=,690,530]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/08/201708220046_01_3384_3.png[/img][/align][align=center][color=#3333ff]图4-6 绝对变形量传递装置示意图[/color][/align] 绝对变形量传递装置的核心是将两个平面反射镜设法固定在试件的两个端面上，试件长度方向上的受热变形会使得平面反射镜同步线性位移。 此设计方案并未采用简陋的胶粘方式将两个平面反射镜固定在试件两个端面上，这是因为胶粘后的两个平面反射镜并不能保证相互的平行度，会给激光干涉测量带来很大误差，甚至无法进行测量。 新型绝对变形量传递的基本原理是采用弹簧机构把贴附在试件两端面上的平面反射镜拉紧固定，并采用调整机构使得两个平面反射镜相互平行，从而保证两个平面反射镜随着试件尺寸变化进行单向移动，将试件变形转换成平面反射镜的单向位移。 单端测试时采用一个平移机构，另一端平面镜固定不动。双端测试时采用两个平移机构。[color=#ff0000]4.2.4. 试样加热装置[/color] 根据技术指标要求，在大尺寸试件上要保证温度测量精度达到0.01℃和均匀性达到0.05℃，采用普通电加热和油浴加热方式都很难实现，且实现所需时间非常漫长。试样加热装置如图4-7所示。 采用分段闭合筒式加热结构，便于安装和卸载试样，并满足不同长度试件的加热需要。 加热套外部采用半导体热电器件进行温度控制，0.01℃超高精度温度控制，并通水冷却，最外部覆盖隔热材料。 加热桶壁上开小孔导入铂电阻温度传感器，并粘贴在试件上测试试件温度分布。[align=center] [img=,518,380]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/08/201708220046_02_3384_3.png[/img][/align][align=center][color=#3333ff]图4-7 试件加热装置结构示意图[/color][/align][color=#ff0000]4.3. 测量系统[/color] 测量系统包括激光干涉仪测量装置、光路调整装置以及光学测量环境保障装置三部分。[color=#ff0000]4.3.1. 激光干涉仪测量装置[/color] 激光干涉仪测量装置是微位移测量的关键，在激光干涉仪选型中必须要满足以下三方面要求： （1）必须是外差式双频激光干涉仪，这样才能消除环境振动等因素对测量的影响，保证测试系统可以长时间连续运行而不受外界干扰，实现在普通实验室内的操作条件下进行微位移测量。 （2）激光干涉仪温度偏移小，否则很难实现高精度的微位移测量。 （3）外差式双频激光干涉仪抗偏移性能优良，就算测量光和参考光发射一定偏离造成干涉信号强度下降30%以上，照样可以进行测量。[color=#ff0000]4.3.2. 光路调整装置[/color] 在放入试件且抽真空后，整个光路将不能进行调整，再需调整还要充气并打开真空腔。 为了便于真空环境下的光路进一步精细调整，在真空腔内的相应位置上增加压电陶瓷驱动的微位移调节装置，从而保证起始温度下具有稳定的起始位置。[color=#ff0000]4.3.3. 激光干涉仪测量装置的密封和恒温[/color] 密封和恒温装置如图4-8所示。[align=center] [img=,467,250]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/08/201708220047_01_3384_3.png[/img][/align][align=center][color=#3333ff]图4-8 光学系统密封和恒温结构示意图[/color][/align] 采用半导体热电控温装置对干涉仪恒温套进行恒温控制和测量，始终使干涉仪处于恒温状态避免收到环境温度的影响，减小激光干涉仪温度漂移。 激光器和干涉仪全部放置在密封箱内，通过专门进出气口对激光器通风冷却。[b][color=#ff0000]5. 结论[/color][/b] 太空望远镜复合材料桁架管件超低热膨胀系数测试系统技术方案借鉴了国内外的成功经验，整个测试系统的硬件设计充分考虑了各个测量不确定度分量对应的工程内容，提出了切实可行的解决方案。 整个测试系统设计考虑了测量的准确性、可靠性、操作便利性和可扩展性，整个实施方案的技术成熟度较高、工程实现性强。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

摘要：航天器用各种大尺寸构件都普遍要求超低膨胀系数以保证构件尺寸的稳定性，传统热膨胀系数测试只针对长度100mm以下的小试样，已无法满足长度1m以上大尺寸构件的超低热膨胀系数测量，多数航天器用大尺寸构件需要精确测量整个构件的超低热膨胀系数。本文对美国波音公司在太空望远镜大尺寸桁架超低热膨胀系数整体测量方面的研究工作进行了综述，以了解国外技术发展状况，给今后开展此方面工作提供参考和借鉴。1. 前言 在太空运行的各种航天器，由于没有大气层的保护，其环境温度变化很大，受阳面温度可高达上百摄氏度，而被阳面温度却在零下几十摄氏度。因此，航天器在空间环境中，由于材料的热膨胀，会引起航天器结构的尺寸变化。但是从航天器的某些部件和仪器的技术要求考虑，希望航天器的某些结构的稳定性要好，这一点对通讯卫星天线结构及敏感元件、太空望远镜的镜筒支架等的使用和安装尤为重要。尤其是卫星和望远镜桁架结构更要求其在一定的环境温度变化范围内不因热应力产生变形或者变形极小，即所谓零膨胀。 传统热膨胀系数测试只针对长度100mm以下的小试样，已无法满足大尺寸构件的超低热膨胀系数测量。为适应航天器制造的要求，特别是对于以1m以上长度的E-08/K量级材料热膨胀系数需要更加准确的测试。因此，研究航天器用复合材料工程构件的超低膨胀测试方法和相应的测试设备，具有重要的科学意义和实用价值。 本文将介绍美国波音公司在太空望远镜桁架超低热膨胀系数测试方法和测试设备方面所开展的工作。2. 波音公司激光干涉法第一代热膨胀系数测试技术 早在1971年波音公司的Bond等人就开始研究一种用于监测大直径天线在空间模拟腔体内动态行为的多通道激光干涉法测试技术【1】，其中采用了可反转条纹计数技术来测量安装在试验箱体外测量装置与安装在腔体内天线上7个光学反射镜之间的距离。 试验腔外测试仪器距离腔体内部天线的距离将近5m，干涉仪采用了Twyman-Green干涉仪，其中参考光束的相位在13.5kHz频率处进行调节以便对每个通道进行可反转条纹计数，每根条纹计数对应的距离变化增量为7.9nm（0.125倍激光波长），整个光学系统结构如图 2-1所示。 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/10/201610252327_615105_3384_3.png图 2-1 多通道激光干涉仪光学系统结构示意图 基于上述技术，波音航空公司在1974年至1975年期间针对大型空间望远镜（LST）项目中的石墨环氧测量支架进行了热膨胀系数测试考核【2】。具体测试考核包括了两方面的内容，一方面是测试管状支架和H型支架的热膨胀系数，另一方面是对管状支架热膨胀系数进行了热循环效应考核。 热膨胀系数测试试件为91.44厘米长的截面分别为圆形和H型的管材，被测试件放置在真空腔内并稳定24小时后再进行测试，图 2-2所示为测试装置的结构示意图。如图所示，被测试件悬浮在含有加热套的真空腔内，激光干涉仪的光学部件放置在真空腔外的底部位置，形成立式结构热膨胀系数测量装置，用来测量试件长度变化的聚焦光束垂直进入真空腔底部的光学窗口，整个测量装置实物如图 2-3所示，激光干涉仪测量装置实物如图 2-4所示。 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/10/201610252327_615106_3384_3.png图 2-2 热膨胀系数测试系统结构示意图http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/10/201610252327_615107_3384_3.png图 2-3 热膨胀系数测试系统整体照片http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/10/201610252328_615108_3384_3.png图 2-4 热膨胀系数测试系统激光干涉仪测量装置 每个被测试件上安装了三只测温热电偶和四个角反射镜，如图 2-5所示。激光干涉仪测量得到四个角反射镜的位移变化，由此得到热变形量和监视试件的倾斜。在被测试件的顶部安置一个参考反射镜用来抵消被测试件和干涉仪之间相对运动所带来的影响。 测试中真空腔内部气压低于1Torr以下并使真空度稳定16个小时，然后使试件温度升到37.8℃（100℉）后在冷却下来，整个加热冷却过程中，每隔2.8℃（5℉）测试一次热变形量，每隔14℃（25℉）进行一次30分钟的恒温。整个温度变化过程直到试件冷却到-73.3℃（-100℉）停止。 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/10/201610252328_615109_3384_3.png图 2-5 热膨胀系数测试系统测温传感器和光学器件安装位置示意图 铺层方向为(02±50)s 的管状试件热变形量测试结果如图 2-6所示，整个过程的平均线膨胀系数为 7.2E-08/℃（4E-08/℉）。图 2-7所示为管状构件热膨胀系数测试与计算之间的比较结果，从比较结果可以看出板层方向的有效性，这种特性可以用来设计特殊性能的复合材料。 在进行管件热膨胀系数热循环考核试验中，先沿着试件长度方向上安装两只1英寸宽的电阻加热器以建立起与热真空试验相同的试件状态，在热真空试验中，电阻加热器是用来控制管件的温度，而在管件热膨胀系数热循环试验中，加热电阻器只是实现相同的结构状态，热循环试验的温度控制则是采用真空腔内的加热套来实现。 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/10/201610252328_615110_3384_3.png图 2-6 试件热变形量随温度变化的测试结果http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/10/201610252329_615111_3384_3.png图 2-7 测试与设计结果的比较 在热膨胀系数热循环考核试验中，反射镜和温度传感器的安装与热膨胀系数测试时完全相同。热循环测试时也是先抽真空使得试件进行一两天的除湿，然后进行+38℃～-78℃（+100℉～-100℉）温度范围内的208次的冷热循环，大约间隔50次循环进行一次测量，在最后一次循环时，测试将电阻加热器取出后的试件热膨胀系数。热循环过程中试件的热膨胀系数随温度变化测量结果如图 2-8所示。 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/10/201610252329_615112_3384_3.png图 2-8 热循环过程中试件热膨胀系数随温度变化的测量值[/