ISO 16378:2013
(Main)Space systems — Measurements of thermo-optical properties of thermal control materials
Space systems — Measurements of thermo-optical properties of thermal control materials
ISO 16378:2013 specifies the multiple measurement methods, instruments, equipment, and samples used to calculate the thermo-optical properties of thermal control materials. It compares their features, indicates their limitations and biases, and guides the applications. These measurements will be performed at ground test facilities with the purpose of obtaining material properties. The measured properties will be used for material selection, thermal design of spacecraft, process control, quality control, etc. Also, on-orbit temperature data in the beginning of life can be assessed using the data obtained by ground measurement. Requirements for calibration and reference materials to ensure data quality are also defined. The following test methods are detailed in the annexes of ISO 16378:2013 including the configuration of samples and calculations: Solar absorptance using a spectrophotometer: (αs); Solar absorptance using the comparative test method: (αp); Hemispherical infrared emittance using the thermal test method: (εh-t); Normal infrared emittance using an IR spectrometer: (εn-s); Normal infrared emittance using ellipsoid collector optics (εn-e); Normal infrared emittance using two rotating cavities: (εn-c).
Systèmes spatiaux — Mesures des propriétés thermo-optiques des matériaux de thermorégulation
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
МЕЖДУНАРОДНЫЙ ISO
СТАНДАРТ 16378
Первое издание
2013-12-15
Космические системы.
Измерения термооптических свойств
терморегулирующих материалов
Space systems — Measurements of thermo-optical properties of
thermal control materials
Ответственность за подготовку русской версии несёт GOST R
(Российская Федерация) в соответствии со статьёй 18.1 Устава ISO
Ссылочный номер
ISO 16378:2013(R)
©
ISO 2013
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 16378:2013(R)
ДОКУМЕНТ ЗАЩИЩЕН АВТОРСКИМ ПРАВОМ
© ISO 2013
Все права сохраняются. Если не указано иное, никакую часть настоящей публикации нельзя копировать или использовать в
какой-либо форме или каким-либо электронным или механическим способом, включая фотокопии и микрофильмы, без
предварительного письменного согласия ISO, которое должно быть получено после запроса о разрешении, направленного по
адресу, приведенному ниже, или в комитет-член ISO в стране запрашивающей стороны.
ISO copyright office
Case postale 56 • CH-1211 Geneva 20
Tel. + 41 22 749 01 11
Fax + 41 22 749 09 47
E-mail copyright@iso.org
Web www.iso.org
Опубликовано в Швейцарии
ii © ISO 2013 – Все права сохраняются
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 16378:2013(R)
Содержание Страница
Предисловие .iiv
Введение .v
1 Область применения .1
2 Нормативные ссылки .1
3 Термины и определения .2
4 Сокращения .5
5 Условия подготовки.5
5.1 Опасные и вредные факторы, меры по охране здоровья и обеспечению
безопасности .5
5.2 Подготовка образцов .6
5.3 Производственные помещения.7
5.4 Стандартные образцы .7
6 Методы измерения коэффициента поглощения солнечного излучения (α ).8
s
7 Метод измерения полусферического коэффициента излучения в ИК-диапазоне (ε ).8
h
8 Методы измерения нормального коэффициента излучения в ИК-диапазоне (ε ) .9
n
9 Отчет об измерениях .10
9.1 Стандартные измерения.10
9.2 Нестандартные измерения.11
10 Обеспечение качества.11
10.1 Прецизионность.11
10.2 Несоответствие .12
10.3 Калибровка.12
10.4 Прослеживаемость.12
11 Проверка измерительного оборудования.12
11.1 Общие положения.12
11.2 Первичная проверка системы (разрешение).12
11.3 Ежегодная систематическая проверка (актуализация) системы.13
11.4 Специальная проверка .13
Приложение A (нормативное) Измерение коэффициента поглощения солнечного излучения
с использованием спектрофотометра (α ).14
s
Приложение B (нормативное) Измерение коэффициента поглощения солнечного излучения
методом сравнения (α ).19
p
Приложение C (нормативное) Измерение полусферического коэффициента излучения в ИК-
диапазоне калориметрическим методом (ε ) .21
h-t
Приложение D (нормативное) Измерение нормального коэффициента излучения в ИК-
диапазоне с использованием ИК-спектрометра (ε ).25
n-s
Приложение E (нормативное) Измерение нормального коэффициента излучения в ИК-
диапазоне с использованием оптической системы эллипсоидального коллектора
(ε ) .28
n-e
Приложение F (нормативное) Измерение нормального коэффициента излучения в ИК-
диапазоне с использованием двух вращающихся полостей (ε ).33
n-c
Приложение G (информативное) Основные параметры при выполнении измерений.36
Приложение H (информативное) Теоретический направленный коэффициент излучения .37
Библиография.38
© ISO 2013 – Все права сохраняются iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 16378:2013(R)
Предисловие
Международная организация по стандартизации (ISO) представляет собой всемирную федерацию,
состоящую из национальных органов по стандартизации (комитеты-члены ISO). Работа по разработке
международных стандартов обычно ведется техническими комитетами ISO. Каждый комитет-член,
заинтересованный в теме, для решения которой образован данный технический комитет, имеет право
быть представленным в этом комитете. Международные организации, правительственные и
неправительственные, поддерживающие связь с ISO, также принимают участие в работе. ISO тесно
сотрудничает с Международной электротехнической комиссией (IEC) по всем вопросам
стандартизации в области электротехники.
Процедуры, использованные для разработки данного документа, и процедуры его дальнейшей
актуализации описаны в Директивах ISO/IEC Directives, Часть 1. В частности, следует отметить
различные критерии утверждения, необходимые для различных типов документов ISO. Настоящий
документ был разработан в соответствии с редакционными правилами Директив ISO/IEC Directives,
Часть 2. www.iso.org/directives
Следует обратить внимание на тот факт, что отдельные элементы данного документа могут являться
объектами патентного права. ISO не несет ответственности за идентификацию любых или всех
подобных патентных прав. Сведения о всех патентных правах, идентифицированных при разработке
данного документа, содержатся в разделе Введение и/или в перечне ISO полученных патентных
деклараций. www.iso.org/patents
Любой торговый знак, использованный в данном документе, является информацией, приводимой для
удобства пользователей, и не является свидетельством в пользу того или иного товара.
Для пояснения значений конкретных терминов и выражений ISO, относящихся к оценке соответствия, а
также информация о соблюдении Международной организацией ISO принципов ВТО по техническим
барьерам в торговле (TБT), см. следующий унифицированный локатор ресурса (URL): Foreword -
Supplementary information
Комитетом, несущим ответственность за данный документ, является Технический комитет ISO/TC 20
Авиационные и космические аппараты, Подкомитет SC 14, Космические системы и их эксплуатация.
iv © ISO 2013 – Все права сохраняются
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 16378:2013(R)
Введение
В данном международном стандарте для обозначения минимально необходимых критериев является
использование повелительного наклонения или ключевого слова “shall”. Отличительным признаком
рекомендованных критериев служит ключевое слово “should”, и хотя они и не являются
обязательными, но считаются имеющими первостепенное значение при выполнении надежных,
экономичных и практичных проектов. Отступать от рекомендованных критериев можно только после
того, как тщательное рассмотрение, всесторонняя проверка и исчерпывающая эксплуатационная
оценка покажут удовлетворительность альтернативного метода.
Коэффициент поглощения солнечного излучения и коэффициент излучения в ИК-диапазоне являются
основными характеристиками при проведении тепловых расчетов активной и пассивной систем
космической техники.
В данном международном стандарте описывается методология, приборы, оборудование и образцы,
используемые для определения основных характеристик терморегулирующих материалов:
коэффициента поглощения солнечного излучения [α или α ] и коэффициента излучения в ИК-
s p
диапазоне [ε или ε ].
h n
Следует обратить внимание на возможность того, что некоторые из элементов данного документа
могут оказаться объектами патентных прав, помимо уже установленных. ISO не несет ответственности
за выявление частично или полностью указанных патентных прав.
© ISO 2013 – Все права сохраняются v
---------------------- Page: 5 ----------------------
МЕЖДУНАРОДНЫЙ СТАНДАРТ ISO 16378:2013(R)
Космические системы. Измерения термооптических
свойств терморегулирующих материалов
1 Область применения
В настоящем международном стандарте устанавливаются различные методы измерений, приборы,
оборудование и образцы, используемые для определения термооптических свойств
терморегулирующих материалов. В стандарте сравниваются их особенности, указываются пределы их
возможностей и систематические погрешности, дается руководство по их применению. Данные
измерения будут выполняться на наземном испытательном оборудовании с целью определения
свойств материалов. Измеренные свойства будут использованы для отбора материалов, выполнения
тепловых расчетов космических аппаратов, контроля технологического процесса, контроля качества и
т.п. Помимо этого, на основании данных, полученных при наземных измерениях, можно оценить
температуру КА на орбите в начале эксплуатации. Кроме того, с целью гарантирования качества
данных установлены также требования к калибровке и эталонным материалам.
В приложениях к данному международному стандарту подробно изложены следующие методы
измерений, в том числе требования к форме и размерам образцов и выполнение вычислений.
a) Измерение коэффициента поглощения солнечного излучения с использованием
спектрофотометра: (α ). Приложение A
s
b) Измерение коэффициента поглощения солнечного излучения методом сравнения: (α ).
p
Приложение B
c) Измерение полусферического коэффициента излучения в ИК-диапазоне калориметрическим
методом: (ε ). Приложение C
h-t
d) Измерение нормального коэффициента излучения в ИК-диапазоне с использованием ИК-
спектрометра: (ε ). Приложение D
n-s
e) Измерение нормального коэффициента излучения в ИК-диапазоне с использованием оптической
системы эллипсоидального коллектора (ε ). Приложение E
n-e
f) Измерение нормального коэффициента излучения в ИК-диапазоне с использованием двух
вращающихся полостей: (ε ). Приложение F
n-c
2 Нормативные ссылки
Ссылка на следующий документ обязательна при использовании данного документа. Для
датированных ссылок применяется только указанное по тексту издание. Для недатированных ссылок
необходимо использовать самое последнее издание нормативного ссылочного документа (включая
любые изменения).
ISO 9288:1989, Теплоизоляция. Теплопередача посредством излучения. Физические величины и
определения
ISO 21348:2007, Космическое пространство (естественное и искусственное). Определение
энергетической освещённости солнечного излучения
© ISO 2013 – Все права сохраняются 1
---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 16378:2013(R)
ASTM E490-00a:2006, Таблицы стандартной солнечной постоянной и спектрального распределения
солнечного излучения при нулевой воздушной массе
3 Термины и определения
В настоящем стандарте используются следующие термины и определения.
3.1
коэффициент поглощения (α)
absorptance (α)
α = Φa/Φm
где Φa – поглощенный поток излучения или поглощенный световой поток, а Φm – падающий поток
излучения или световой поток падающего излучения
[ИСТОЧНИК: ISO 80000-7]
3.2
излучательная способность, коэффициент излучения (ε)
emissivity, emittance (ε)
ε = M/Mb
где M – энергетическая светимость теплового излучателя, а Mb – энергетическая светимость
абсолютно черного тела при той же температуре
[ИСТОЧНИК: ISO 80000-7]
ПРИМЕЧАНИЕ 1 к статье: Для указания условий необходимо добавлять следующие прилагательные.
— Полный: Если они относятся ко всему спектру теплового излучения (данное определение можно считать
неявно подразумеваемым) [ISO 9288:1989]
— Спектральный или монохроматический: Если они относятся к спектральному диапазону с центром на длине
волны λ [ISO 9288:1989]
— Полусферический: Если они относятся ко всем направлениям, по которым элемент поверхности может
излучать или по которым излучение может попадать на элемент поверхности [ISO 9288:1989]
— Направленный: Если они относятся к направлениям распространения, задаваемым телесным углом вокруг
определенного направления [ISO 9288:1989]
— Нормальный: Если они относятся к распространению или падению по нормали к поверхности
ПРИМЕР Полный полусферический коэффициент излучения/полная полусферическая излучательная
способность.
Полная полусферическая светимость M рассматриваемой поверхности, деленная на полную
полусферическую светимость M0 абсолютно черного тела при той же температуре.
[ИСТОЧНИК : ISO 9288:1989]
ПРИМЕЧАНИЕ 2 к статье: Когда возникает необходимость провести различие между свойством материала и
свойством реального объекта, можно использовать термин “излучательная способность”. Излучательная
способность – это характеристика материала, определяемая как коэффициент излучения идеального материала,
который полностью непрозрачен и имеет оптически гладкую поверхность.
Излучательная способность зависит от температуры, при которой она измерялась, и от диапазона
длин волн.
Коэффициент излучения – это свойство конкретного объекта. Он определяется излучательной
способностью материала, шероховатостью поверхности, окисленностью, предысторией образца в
2 © ISO 2013 – Все права сохраняются
---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO 16378:2013(R)
отношении тепловых и механических воздействий, качеством обработки поверхности и измеренным
диапазоном длин волн. Несмотря на то, что излучательная способность является основной
составляющей коэффициента излучения, однако при измерении в лабораторных условиях она редко
совпадает с реальным коэффициентом излучения конкретного образца.
∞∞
ε = LT(,λε) (λ)dλ/ L(λ,T)dλ
bb
∫∫
00
где
-
L (λ,T) Спектральное распределение излучения абсолютно черного тела Планка, cλ
b 1
5 (c2/λT) -1
(e -1) ;
–16 2
C 3,74177 × 10 Вт·м ;
1
–2
C 1,4388 × 10 м·K;
2
T абсолютная температура, K;
λ длина волны, м;
-1 4
∞
σπ T ;
LT(,λ )dλ
b
∫
0
–8 -2 -4
σ постоянная Стефана-Больцмана, 5,670400 (40) × 10 [Вт·м ·K ].
3.3
диффузный
diffuse
указывает, что поток распространяется в различных направлениях, в отличие от прямого пучка,
который соответствует коллимированному потоку. Что касается коэффициента отражения, то
направленно-полусферический коэффициент отражения меньше коэффициента зеркального
отражения
3.4
коэффициент излучения в ИК-диапазоне
infrared emittance
коэффициент излучения в ИК-диапазоне минимум от 5 мкм до 25 мкм
3.5
интегрирующая сфера
integrating sphere
оптическое устройство, использующееся либо для того, чтобы собрать поток, отраженный от образца
или переданный образцом в полусферу, либо для того, чтобы обеспечить изотропное облучение
образца из всей полусферы. Интегрирующая сфера представляет собой замкнутую полость
практически сферической формы с отверстиями для ввода и регистрации потока и обычно имеет
дополнительные отверстия, в которых размещаются измеряемый и эталонный образцы
3.6
облученность
irradiance
-2
в точке на поверхности, E = dΦ/dA [Вт·м ], где dΦ – поток излучения, падающий на элемент
поверхности площадью dA
[ИСТОЧНИК ^ISO 80000-7]
© ISO 2013 – Все права сохраняются 3
---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO 16378:2013(R)
3.7
близкий к нормали – полусферический
near-normal-hemispherical
указывает, что направление падающего излучения близко к нормали к поверхности образца, а поток,
выходящий с поверхности или из среды, собирается для регистрации со всей полусферы
3.8
поток излучения
radiant flux
Φ = dQ/dt [Вт]
где dQ – лучистая энергия, излученная, переданная или полученная за промежуток времени
длительностью dt
[ИСТОЧНИК: ISO 80000-7]
3.9
коэффициент отражения (ρ)
reflectance (ρ)
ρ = Φr/Φm
где Φr – отраженный поток излучения или отраженный световой поток, а Φm – поток излучения или
световой поток падающего излучения
[ИСТОЧНИК: ISO 80000-7]
3.10
солнечный
solar
<радиометрический> показывающий, что источником потока излучения является Солнце, или что поток
излучения имеет спектральное распределение, близкое к солнечному
3.11
солнечный
solar
<оптический> показывающий средневзвешенную величину спектральной характеристики со
стандартным спектральным распределением солнечного излучения в качестве весовой функции
3.12
коэффициент поглощения солнечного излучения (α )
s
solar absorptance (α )
s
отношение потока солнечного излучения, поглощенного материалом (или телом), к потоку падающего
излучения
ПРИМЕЧАНИЕ 1 к статье: Различают два метода:
a) Метод спектральных измерений с использованием спектрофотометра, перекрывающего диапазон от 250 нм
до 2 500 нм, для определения α .
s
b) Использование портативного оборудования, в котором применяется ксеноновая лампа, для выполнения
относительных измерений (α ).
p
3.13
солнечная облученность
solar irradiance
солнечное излучение, проинтегрированное по полному диску и выраженное в единицах системы СИ
-2
мощности, падающей на единичную площадку, Вт·м
[ИСТОЧНИК: ISO 21348 (Примечания в исходном стандарте опущены)]
4 © ISO 2013 – Все права сохраняются
---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO 16378:2013(R)
3.14
спектральный
spectral
<оптический> указывающее, что свойство оценивалось на определенной длине волны λ, в малом
интервале длин волн Δλ, включающих λ, при этом значение длины волны указывается в скобках как
L(350 нм) или приводится как функция длины волны L(λ)
ПРИМЕЧАНИЕ 1 к статье: В данном определении параметры частоты ν, волнового числа κ или энергии фотонов
могут быть заменены длиной волны λ.
3.15
спектральный
spectral
<радиометрический> концентрация количества в единичном интервале длин волн (или частоты),
указанном нижним индексом лямбда как Lλ = dL/dλ
ПРИМЕЧАНИЕ 1 к статье: В данном определении параметры частоты ν, волнового числа κ или энергии фотонов
могут быть заменены длиной волны λ.
ПРИМЕЧАНИЕ 2 к статье: Для конкретного интервала длин волн, длина волны, для которой оценивалась
спектральное распределение, может быть указана в скобках после обозначения Lλ (350 нм).
3.16
зеркальный
specular
указывает, что поток отражается от поверхности или выходит из среды под углом, численно равным
углу падения, лежит в той же плоскости, что и падающий луч с нормалью, но находится на
противоположной стороне от нормали к поверхности
ПРИМЕЧАНИЕ 1 к статье: Изменение порядка следования терминов в определении на обратное меняет
соответственно геометрию падающего и отраженного потока.
3.17
коэффициент пропускания (τ)
transmittance (τ)
τ=Φt/Φm
где Φt – прошедший поток излучения или световой поток, а Φm – поток излучения или световой поток
падающего излучения
[ИСТОЧНИК: ISO 80000-7]
4 Сокращения
В настоящем стандарте используются следующие сокращения.
ИК инфрокрасная
5 Условия подготовки
5.1 Опасные и вредные факторы, меры по охране здоровья и обеспечению
безопасности
Следует уделять внимание мерам по охране здоровья и обеспечению безопасности. Необходимо
контролировать и минимизировать факторы, представляющие опасность для персонала,
оборудования и материалов.
© ISO 2013 – Все права сохраняются 5
---------------------- Page: 10 ----------------------
ISO 16378:2013(R)
5.2 Подготовка образцов
5.2.1 Свойства образцов
Настоящий международный стандарт применим к материалам, обладающим как зеркальными, так и
диффузными оптическими свойствами.
5.2.2 Конфигурация
Образцы материала должны изготавливаться согласно действующей технологической документации
или в соответствии с данными изготовителя и должны отражать отклонения показателей в партии.
Образцы должны как можно более точно воспроизводить рабочую деталь. В тепловых расчетах
следует учитывать предполагаемые изменения термооптических свойств при переходе от образцов к
материалам бортового оборудования.
К примеру, операция по нанесению лакокрасочного материала может дать различные
термооптические свойства в зависимости от того, кто проводит окраску и какой тип краскораспылителя
используется; поэтому образцы должны изготавливаться одновременно с рабочей деталью или на них
должно одновременно с деталью наноситься покрытие.
Шероховатость поверхности существенно влияет на результаты измерений. Чистота поверхности
образцов без покрытия после завершающей технологической операции должна быть такой же, как и у
рабочей детали.
5.2.3 Очистка
Способ очистки и иная обработка образцов всегда должны быть точно такими же, как и для
материалов бортового оборудования. Дополнительная очистка или обработка образца не допускается.
В частности, коэффициент поглощения солнечного излучения исключительно чувствителен к
загрязнению, и если образец или материал бортового оборудования загрязнен (пусть даже пото-
жировыми выделениями рук), результаты измерений могут оказаться в немалой степени ошибочными.
5.2.4 Обращение с образцами и их хранение
Образцы следует брать только в чистых нейлоновых или не оставляющих ворса перчатках, а хранить
их необходимо в помещении с контролем чистоты, при комнатной температуре от 15 °C до 30 °C и
относительной влажности от 20 % до 65 %.
a) Поверхности с нанесенным покрытием следует предохранять от касаний, используя для этого
мягкий и инертный материал, например, полиэтиленовые или полипропиленовые пакеты или
листы.
b) Следует предупреждать нанесение механических повреждений стандартным образом, упаковывая
завернутые образцы в чистый, не оставляющий пыльных следов и ворса материал.
c) Материалы с ограниченным сроком годности должны быть снабжены этикетками или
промаркированы с указанием их сроков хранения на складе и датами изготовления.
5.2.5 Идентификация
a) К образцам, передаваемым для измерений, должен прилагаться заполненный “Лист
идентификации материала”.
b) К опасным образцам должен прилагаться заполненный “Паспорт безопасности материала”.
6 © ISO 2013 – Все права сохраняются
---------------------- Page: 11 ----------------------
ISO 16378:2013(R)
c) Следует явным образом указывать поверхность образцов, на которой предстоит проводить
измерения, за исключением случаев, когда на обеих поверхностях образцов свойства полностью
идентичны.
5.3 Производственные помещения
5.3.1 Чистота
a) Рабочее место должно быть чистым и свободным от пыли.
b) Используемый для вентиляции воздух следует фильтровать, чтобы предупредить загрязнение
образцов.
5.3.2 Условия окружающей среды
Температура в технологических помещениях и на рабочих местах должна быть от 15 °C до 30 °C, а
относительная влажность – от 20 % до 65 %, если не оговорено иное.
5.3.3 Оборудование
Оборудование является индивидуальным для каждого измерения и приводится в Приложениях.
5.4 Стандартные образцы
5.4.1 Общие положения
Необходимы как контрольные, так и рабочие эталоны (образцы сравнения). Предпочтительнее
пользоваться износостойкими и долговечными материалами. Со стандартными образцами следует
обращаться и хранить их согласно соответствующим инструкциям и правилам. Старайтесь не касаться
оптических поверхностей даже перчатками.
5.4.2 Контрольный эталон
Контрольные эталоны – это первичный эталонный образец для калибровки приборов и рабочих
эталонов. Контрольные эталоны должны быть поверены национальным или международным органом,
уполномоченным на проведение подобного рода действий.
5.4.3 Рабочий эталон
Рабочие эталоны применяются при повседневной работе с приборами для получения кривых
сравнения с целью преобразования данных. Рабочий эталон должен поверяться ежегодно путем
измерения его термооптических свойств относительно свойств соответствующего контрольного
эталона. При наличии заметной деградации рабочий эталон следует очистить, обновить или заменить.
5.4.4 Коэффициент поглощения солнечного излучения
Для пропускающих свет образцов материалов в качестве эталона следует использовать падающее
излучение, относительно которого оценивается прошедший свет. Для некоторых областей применения
существуют калиброванные эталоны коэффициентов пропускания.
Для диффузных образцов с высоким коэффициентом отражения требуется рабочий эталон, который
имеет высокий коэффициент отражения и является сильно диффузным в области солнечного спектра.
ПРИМЕЧАНИЕ 1 В качестве диффузного эталона с высоким коэффициентом отражения обычно используется
белый светорассеивающий материал. Различные белые светорассеивающие материалы предоставляются
национальными и международными органами, к примеру, Национальным институтом стандартов и технологий
© ISO 2013 – Все права сохраняются 7
---------------------- Page: 12 ----------------------
ISO 16378:2013(R)
1
(NIST). В продаже имеется материал Spectralon® , который обладает высоким коэффициентом диффузного
отражения в диапазоне от 250 нм до 2 500 нм. Ранее широко использовались BaSO и окись магния, но теперь их
4
не рекомендуют к применению в качестве эталонов, поскольку они не стабильны в течение длительного времени.
Для зеркально отражающих образцов необходим рабочий эталон, который является в высокой степени
зеркальным. Применяемые рабочие эталоны представляют собой осажденные в вакууме тонкие
непрозрачные пленки металлов. Все рабочие эталоны с металлизацией на лицевой стороне должны
регулярно калиброваться с помощью абсолютного рефлектометра или относительно национальных
или международных контрольных эталонов, прежде чем их разрешат использовать в этом методе
измерений.
ПРИМЕЧАНИЕ 2 Стеклянное зеркало с алюминиевым покрытием широко применяется благодаря своему
высокому коэффициенту отражения и простоте нанесения. Хотя алюминиевая поверхность без покрытия легко
повреждается, защитное покрытие способно сохранить оптические свойства.
Для поглощающих материалов необходим рабочий эталон, который имеет низкий коэффициент
отражения в области солнечного спектра, чтобы обеспечить точную коррекцию нулевой линии.
5.4.5 Коэффициент излучения в ИК-диапазоне
В качестве эталонных образцов изготовители приборов часто поставляют набор материалов с
высокими и низкими коэффициентами излучения. Стандартными эталонами с высоким и низким
коэффициентами излучения могут служить, соответственно, черная краска (или, что более
предпочтительно, полость абсолютно черного тела) и полированный высокочистый алюминий.
6 Методы измерения коэффициента поглощения солнечного излучения (α )
s
В данном разделе описываются два метода измерения.
Хотя α имеет немного большее среднеквадратичное отклонение, чем α , оба метода дают хорошо
p s
воспроизводимые результаты для использования в тепловых расчетах. Необходимо четко различать
коэффициенты поглощения солнечного излучения, полученные этими двумя методами: α и α .
s p
a) Измерение коэффициента поглощения солнечного излучения с использованием
спектрофотометра (α )
s
В данном методе выполняются измерения спектрального коэффициента поглощения (α ),
s
коэффициента отражения и коэффициента пропускания материалов с помощью спектрофотометров,
оснащенных интегрирующими сферами.
b) Измерение коэффициента поглощения солнечного излучения методом сравнения (α )
p
В методе сравнения (α ) сравнивается излучение ксеноновой лампы, отраженное известным
p
эталонным материалом и отраженное неизвестным образцом. Данный метод имеет ограничения из-за
отличия спектра ксеноновой лампы от солнечного спектра.
7 Метод измерения полусферического коэффициента излучения в ИК-
диапазоне (ε )
h
В данном разделе описывается метод измерения.
1
Данная информация приведена для удобства пользователей настоящего документа и не является поддержкой
IS
...
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 16378
First edition
2013-12-15
Space systems — Measurements of
thermo-optical properties of thermal
control materials
Systèmes spatiaux — Mesures des propriétés thermo-optiques des
matériaux de thermorégulation
Reference number
ISO 16378:2013(E)
©
ISO 2013
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 16378:2013(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2013
All rights reserved. Unless otherwise specified, no part of this publication may be reproduced or utilized otherwise in any form
or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting on the internet or an intranet, without prior
written permission. Permission can be requested from either ISO at the address below or ISO’s member body in the country of
the requester.
ISO copyright office
Case postale 56 • CH-1211 Geneva 20
Tel. + 41 22 749 01 11
Fax + 41 22 749 09 47
E-mail copyright@iso.org
Web www.iso.org
Published in Switzerland
ii © ISO 2013 – All rights reserved
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 16378:2013(E)
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Abbreviated terms . 4
5 Preparatory conditions . 4
5.1 Hazards, health, and safety precautions . 4
5.2 Preparation of samples . 5
5.3 Facilities . 5
5.4 Standard Materials . 6
6 Solar absorptance (α ) test methods .7
s
7 Hemispherical infrared emittance (ε ) test method . 7
h
8 Normal infrared emittance (ε ) test methods . 7
n
9 Test report . 8
9.1 Standard tests . 8
9.2 Non-standard tests . 9
10 Quality assurance . 9
10.1 Precision . 9
10.2 Non-conformance .10
10.3 Calibration .10
10.4 Traceability .10
11 Audit of measurement equipment .10
11.1 General .10
11.2 Initial audit of the system (acceptance) .10
11.3 Annual regular review (maintenance) of the system .10
11.4 Special review .11
Annex A (normative) Solar absorptance using a spectrophotometer (α ) .12
s
Annex B (normative) Solar absorptance using the comparative test method (α ) .17
p
Annex C (normative) Hemispherical infrared emittance using the thermal test method (ε ) .19
h-t
Annex D (normative) Normal infrared emittance using an IR spectrometer (ε ) .23
n-s
Annex E (normative) Normal infrared emittance using ellipsoid collector optics (ε ) .26
n-e
Annex F (normative) Normal infrared emittance using two rotating cavities (ε ) .31
n-c
Annex G (informative) Key parameters for measurement .34
Annex H (informative) Theoretical directional emittance .35
Bibliography .36
© ISO 2013 – All rights reserved iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 16378:2013(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation on the meaning of ISO specific terms and expressions related to conformity
assessment, as well as information about ISO’s adherence to the WTO principles in the Technical Barriers
to Trade (TBT) see the following URL: Foreword - Supplementary information
The committee responsible for this document is ISO/TC 20, Aircraft and space vehicles, Subcommittee
SC 14, Space systems and operations.
iv © ISO 2013 – All rights reserved
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 16378:2013(E)
Introduction
Throughout this International Standard, the minimum essential criteria are identified by the use of
the imperative or the keyword “shall”. Recommended criteria are identified by the use of the keyword
“should” and, while not mandatory, are considered to be of primary importance in providing serviceable,
economical, and practical designs. Deviations from the recommended criteria can be made only after
careful consideration, extensive testing, and thorough service evaluation have shown an alternative
method to be satisfactory.
Solar absorptance and infrared emittance are the key parameters of materials for both active and
passive thermal design of space systems.
This International Standard describes the methodology, instruments, equipment, and samples used
to calculate the key parameters of thermal-control materials, i.e. solar absorptance [α or α ] and the
s p
infrared emittance [ε or ε ].
h n
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document can be the subject of
patent rights other than those identified. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such
patent rights.
© ISO 2013 – All rights reserved v
---------------------- Page: 5 ----------------------
INTERNATIONAL STANDARD ISO 16378:2013(E)
Space systems — Measurements of thermo-optical
properties of thermal control materials
1 Scope
This International Standard specifies the multiple measurement methods, instruments, equipment, and
samples used to calculate the thermo-optical properties of thermal control materials. This International
Standard compares their features, indicates their limitations and biases, and guides the applications.
These measurements will be performed at ground test facilities with the purpose of obtaining material
properties. The measured properties will be used for material selection, thermal design of spacecraft,
process control, quality control, etc. Also, on-orbit temperature data in the beginning of life can be
assessed using the data obtained by ground measurement. Requirements for calibration and reference
materials to ensure data quality are also defined.
The following test methods are detailed in the Annexes of this International Standard including the
configuration of samples and calculations.
a) Solar absorptance using a spectrophotometer: (α ) — Annex A
s
b) Solar absorptance using the comparative test method: (α ) — Annex B
p
c) Hemispherical infrared emittance using the thermal test method: (ε ) — Annex C
h-t
d) Normal infrared emittance using an IR spectrometer: (ε ) — Annex D
n-s
e) Normal infrared emittance using ellipsoid collector optics (ε ) — Annex E
n-e
f) Normal infrared emittance using two rotating cavities: (ε ) — Annex F
n-c
2 Normative references
The following documents, in whole or in part, are normatively referenced in this document and are
indispensable for its application. For dated references, only the edition cited applies. For undated
references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 9288:1989, Thermal insulation — Heat transfer by radiation — Physical quantities and definitions
ISO 21348:2007, Space environment (natural and artificial) — Process for determining solar irradiances
ASTM E490-00a:2006, Standard Solar Constant and Zero Air Mass Solar Spectral Irradiance Tables
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
3.1
absorptance (α)
α = Φa/Φm
where Φa is the absorbed radiant flux or the absorbed luminous flux and Φm is the radiant flux or
luminous flux of the incident radiation
[SOURCE: ISO 80000-7]
© ISO 2013 – All rights reserved 1
---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 16378:2013(E)
3.2
emissivity, emittance (ε)
ε = M/Mb
where M is the radiant exitance of a thermal radiator and Mb is the radiant exitance of a blackbody at
the same temperature
[SOURCE: ISO 80000-7]
Note 1 to entry: The following adjectives should be added to define the conditions.
— Total: If they are related to the entire spectrum of thermal radiation (this designation can be considered as
implicit) [ISO 9288:1989]
— Spectral or monochromatic: If they are related to a spectral interval centered on the wavelength λ
[ISO 9288:1989]
— Hemispherical: If they are related to all directions along which a surface element can emit or receive
radiation [ISO 9288:1989]
— Directional: If they are related to the directions of propagation defined by a solid angle around the defined
direction [ISO 9288:1989]
— Normal: If they are related to the normal direction of propagation or incidence to the surface
EXAMPLE Total hemispherical emittance/emissivity.
Total hemispherical exitance M of the considered surface divided by the total hemispherical exitance M0
of the blackbody at the same temperature.
[SOURCE: ISO 9288:1989]
Note 2 to entry: When there is a certain need to distinguish a property of a material from a property of a real
object, the word “emissivity” could be used. Emissivity is a property of a material measured as the emittance of
an ideal material that is completely opaque and has an optically smooth surface.
Emissivity depends on the temperature at which it is determined and wavelength range.
Emittance is a property of a particular object. It is determined by material emissivity, surface roughness, oxidation,
the sample’s thermal and mechanical history, surface finish, and measured wavelength range. Although emissivity
is a major component in determining emittance, the emissivity determined under laboratory conditions seldom
agrees with actual emittance of a certain sample.
∞∞
ελ= LT(, )(ελ)/dLλλ(,Td) λ
bb
∫∫
00
where
-5 (c2/λT) -1
L (λ,T) Spectral Planck distribution of blackbody radiation, c λ (e -1) ;
b 1
–16 2
C 3,741 77 × 10 W·m ;
1
–2
C 1,438 8 × 10 m·K;
2
T absolute temperature, K;
λ wavelength, m;
∞ -1 4
σπ T ;
LT(,λλ)d
b
∫
0
–8 -2 -4
σ Stefan-Boltzmann constant, 5,670 400 (40) × 10 [W·m ·K ].
2 © ISO 2013 – All rights reserved
---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO 16378:2013(E)
3.3
diffuse
indicates that flux propagates in many directions, as opposed to direct beam, which refers to collimated flux.
When referring to reflectance, it is the directional-hemispherical reflectance less the specular reflectance
3.4
infrared emittance
emittance in the infrared range at least from 5 μm to 25 μm
3.5
integrating sphere
an optical device used to either collect flux reflected or transmitted from a sample into a hemisphere
or to provide isotropic irradiation of a sample from a complete hemisphere. It consists of a cavity that
is approximately spherical in shape with apertures for admitting and detecting flux and usually having
additional apertures over which sample and reference specimens are placed
3.6
irradiance
-2
at a point on a surface, E = dΦ/dA [W·m ], where dΦ is the radiant flux incident on an element of the
surface with area dA
[SOURCE: ISO 80000-7]
3.7
near-normal-hemispherical
indicates irradiance to be directional near-normal to the specimen surface and the flux leaving the
surface or medium is collected over an entire hemisphere for detection
3.8
radiant flux
Φ = dQ/dt [W]
where dQ is the radiant energy emitted, transferred, or received during a time interval of the duration dt
[SOURCE: ISO 80000-7]
3.9
reflectance (ρ)
ρ = Φr/Φm
where Φr is the reflected radiant flux or the reflected luminous flux and Φm is the radiant flux or
luminous flux of the incident radiation
[SOURCE: ISO 80000-7]
3.10
solar
indicating that the radiant flux involved has the sun as its source or has the relative
spectral distribution of solar flux
3.11
solar
indicating a weighted average of the spectral property, with a standard solar spectral
irradiance distribution as the weighting function
3.12
solar absorptance (α )
s
ratio of the solar radiant flux absorbed by a material (or body) to the radiant flux of the incident radiation
Note 1 to entry: Differentiation is made between two methods:
a) Method of spectral measurements using a spectrophotometer covering the range from 250 nm to 2 500 nm
for the determination of α .
s
© ISO 2013 – All rights reserved 3
---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO 16378:2013(E)
b) Portable equipment using a xenon flash for relative measurements (α ).
p
3.13
solar irradiance
radiation of the sun integrated over the full disk and expressed in SI units of power through a unit
-2
of area, W·m
[SOURCE: ISO 21348 (Notes in the original standard is omitted)]
3.14
spectral
indicating that the property was evaluated at a specific wavelength, λ, within a small
wavelength interval, Δλ about λ, symbol wavelength in parentheses as L(350 nm), or as a function of
wavelength, symbol L(λ)
Note 1 to entry: The parameters of frequency, ν, wave-number, κ, or photon energy can be substituted for
wavelength, λ, in this definition.
3.15
spectral
the concentration of the quantity per unit wavelength (or frequency), indicated by the
subscript lambda, as Lλ = dL/dλ
Note 1 to entry: The parameters of frequency, ν, wave-number, κ, or photon energy can be substituted for
wavelength, λ, in this definition.
Note 2 to entry: At a specific wavelength, the wavelength at which the spectral concentration was evaluated can
be indicated by the wavelength in parentheses following the symbol, Lλ (350 nm).
3.16
specular
indicates that the flux leaves a surface or medium at an angle that is numerically equal to the angle of
incidence, lies in the same plane as the incident ray and the perpendicular, but is on the opposite side of
the perpendicular to the surface
Note 1 to entry: Reversing the order of terms in an adjective reverses the geometry of the incident and collected
flux, respectively.
3.17
transmittance (τ)
τ=Φt/Φm
where Φt is the transmitted radiant flux or luminous flux and Φm is the radiant flux or luminous flux of
the incident radiation
[SOURCE: ISO 80000-7]
4 Abbreviated terms
For the purposes of this document, the following abbreviations are used.
RT Room Temperature
5 Preparatory conditions
5.1 Hazards, health, and safety precautions
Attention shall be given to health and safety precautions. Hazards to personnel, equipment, and materials
shall be controlled and minimized.
4 © ISO 2013 – All rights reserved
---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO 16378:2013(E)
5.2 Preparation of samples
5.2.1 Sample property
This International Standard is applicable to materials having both specular and diffuse optical properties.
5.2.2 Configuration
The material samples shall be prepared according to the relevant process specification or manufacturer’s
data and shall be representative of batch variance.
The samples shall represent the work piece as exactly as possible. Expected changes in thermo-optical
properties from the measured sample to the flight equipment shall be considered in thermal design.
For instance, the application procedure for paint can result in different thermo-optical properties
depending on the painter and the type of spray gun used; therefore, the samples should be coated or
made at the same time as the work piece.
The surface roughness strongly affects on the measurement results. Bare (uncoated) samples shall be
finished to the same surface condition as the work piece.
5.2.3 Cleaning
The cleaning method and other treatment of the sample shall always be the same as for the flight
hardware. Further cleaning or treatment of the sample is not allowed.
In particular, solar absorptance properties are very sensitive to contamination and if the sample or the
flight hardware is contaminated (even by hand grease), the test results can be significantly in error.
5.2.4 Handling and storage
Samples shall only be handled with clean nylon or lint-free gloves and shall be stored in a cleanliness-
controlled area, with a room temperature of 15 °C to 30 °C and a relative humidity of 20 % to 65 %.
a) Coated surfaces shall be shielded from contact by using soft and inert material such as polyethylene
or polypropylene bags or sheets.
b) Mechanical damage shall be avoided in the standard way by packing the wrapped samples in clean
and dust and lint-free material.
c) Limited-life materials shall be labelled with their relative shelf lives and dates of manufacture.
5.2.5 Identification
a) Samples submitted for testing shall be accompanied by a completed “Material identification card”.
b) Hazardous samples shall be accompanied by a completed “Safety data sheet”.
c) The surface of the samples which is to be measured shall be clearly indicated unless the samples
have completely even properties on both surfaces.
5.3 Facilities
5.3.1 Cleanliness
a) The work area shall be clean and free of dust.
b) Air used for ventilation should be filtered to prevent contamination of the sample.
© ISO 2013 – All rights reserved 5
---------------------- Page: 10 ----------------------
ISO 16378:2013(E)
5.3.2 Environmental conditions
The ambient conditions for the process and work areas shall be from 15 °C to 30 °C with a relative
humidity of 20 % to 65 % unless otherwise stated.
5.3.3 Equipment
The equipment is specific for each test and defined in the Annexes.
5.4 Standard Materials
5.4.1 General
Both reference and working (comparison) standards are required. Highly durable materials are preferred.
Standard materials shall be handled and stored in accordance with the associated specification. Avoid
touching the optical surfaces even with gloves.
5.4.2 Reference standard material
Reference standards are the primary standard material for the calibration of instruments and working
standards. Reference standards shall be traceable to a national or an international authority having
jurisdiction.
5.4.3 Working standard material
Working standards are used in the daily operation of the instrument to provide comparison curves
for data reduction. A working standard shall be calibrated annually by measuring its thermo-optical
properties relative to the properties of the appropriate reference standard. If degradation is noticeable,
the working standard shall be cleaned, renewed, or replaced.
5.4.4 Solar absorptance
For transmitting samples, incident radiation shall be used as the standard relative to which the
transmitted light is evaluated. For some applications, calibrated transmittance standards are available.
For diffuse high-reflectance samples, a working standard that has high reflectance and is highly diffusing
over the range of the solar spectrum is required.
NOTE 1 White diffuser is commonly used as a diffuse high-reflectance standard material. Various white diffusers
1)
are provided by a national or an international authority such as NIST. Spectralon® is a commercially available
material that provides high-diffuse reflectance for 250 nm to 2 500 nm. BaSO and magnesium oxide have been
4
widely utilized but are no longer recommended for use as a standard since they are not stable for longer periods.
For specularly reflecting samples, a working standard that is highly specular is required. Identified
suitable working standards are vacuum-deposited thin opaque films of metals. All front surface
metalized working standards shall be calibrated frequently with an absolute reflectometer or relative
to a national or an international standard reference material before being acceptable in this test method.
NOTE 2 Aluminium-coated glass mirror is widely used because of its high reflectance and ease of deposition.
Although bare aluminium surface is highly vulnerable, protective coating could maintain the optical property.
For absorber materials, a working standard that has low reflectance over the range of the solar spectrum
is required in order to obtain an accurate zero line correction.
1) This information is given for the convenience of users of this document and does not constitute an endorsement
by ISO TC 20/SC 14 of the product named. Equivalent products may be used if they can be shown to lead to the same
results.
6 © ISO 2013 – All rights reserved
---------------------- Page: 11 ----------------------
ISO 16378:2013(E)
5.4.5 Infrared Emittance
A set of high- and low-emittance materials are often provided by the instrument manufacturer as
standard materials. Typical high- and low-emittance standards can consist of black paint (or preferably
a blackbody cavity) and polished high-purity aluminium, respectively.
6 Solar absorptance (α ) test methods
s
Two test methods are described in this clause.
Though α have slightly bigger standard deviations than α , both two methods provide well-repeatable
p s
data to use in thermal design. Solar absorptance obtained by these two methods shall be clearly
distinguished by the terms α and α .
s p
a) Solar absorptance using a spectrophotometer (α )
s
This method covers the measurement of spectral absorptance (α ), reflectance, and transmittance of
s
materials using spectrophotometers equipped with integrating spheres.
b) Solar absorptance using the comparative test method (α )
p
The comparative method (α ) compares the reflection of a Xenon flash by a known reference material
p
to the reflection of an unknown sample. This method has limitations due to the difference between a
Xenon flash spectrum and the solar spectrum.
7 Hemispherical infrared emittance (ε ) test method
h
A test method is described in this clause.
Hemispherical infrared emittance obtained by the thermal test method shall be clearly defined by
the term ε .
h-t
a) Hemispherical infrared emittance using the thermal test method (ε )
h-t
Only the thermal test method enables direct measurement. Although the thermal method requires more
time and effort, it is the fundamentally correct method to obtain total hemispherical infrared emittance.
ε of wider temperature samples are obtained solely by the thermal method.
h
NOTE The method that measures total hemispherical reflectance as absorptance of materials using infrared
spectrophotometers equipped with integrating spheres is still under study. ASTM E1392–96 could be referred to
for the measurement method development.
8 Normal infrared emittance (ε ) test methods
n
Three test methods are described in this clause.
a) Normal infrared emittance using an IR spectrometer (ε )
n-s
The IR spectrometer method measures the normal reflectance as residue from unity minus emittance
of materials using infrared spectrophotometers equipped with integrating spheres. Normal infrared
emittance obtained using an IR spectrometer shall be identified by the term ε .
n-s
b) Normal infrared emittance using ellipsoid collector optics (ε )
n-e
The test method using ellipsoid collector enables direct measurement without knowing the exact
sample temperature. The source beam is provided to the sample with a near-normal incident angle. The
ellipsoid collector focuses over 99 % of the hemispherical reflected energy onto the detector. Normal
infrared emittance obtained using an ellipsoid collector shall be identified by the term ε .
n-e
c) Normal infrared emittance using two rotating cavities (ε )
n-c
© ISO 2013 – All rights reserved 7
---------------------- Page: 12 ----------------------
ISO 16378:2013(E)
This method measures reflected energy of the sample using two rotating cavities that are maintained
at different temperatures. Sample temperature is not necessarily measured. Suitable calibration
with known reflectance standards is required to obtain reflectance values on samples. Total normal
emittance is calculated by subtracting the calibrated reflectance from unity.
Measured data with two rotating cavities is limited in accuracy by the degree to which the emittance
properties of calibrating standards are known and by the angular emittance characteristics of the
su
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.