CN104535289B - 针对真空舱内发动机羽流场气动热流测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种针对真空舱内发动机羽流场气动热流测量装置，将支架固定安装于四轴运动机构的安装平台上；热流传感器后端穿过支架后侧安装热流传感器；并套有绝缘端盖；同时在热流传感器与支架间设置绝缘套。热流传感器的信号线置于信号线保护件内部，并由支架前侧面穿出，连接到信号转换器上，随后通过穿舱法兰引出至真空舱外的信号采集设备上；通过热流传感器测得的电压信号，经过信号转换器转换为电流信号后，经信号采集设备采集，根据热流传感器的系数换算得到热流值，实现真空舱内发动机羽流场气动热流测量。本发明的优点为：配合三维移动装置，实现了全流场的测量，完全解决了多个传感器之间互相干扰，影响流场形态导致的测量不准确问题。

Description

针对真空舱内发动机羽流场气动热流测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及机械设计和气动领域，具体来说，是一套针对真空舱内发动机羽流场气动热流测量装置及测量方法，适用于所有地面条件下的真空羽流场。

背景技术

姿轨控发动机是航天器上的动力装置，是航天器实现位置保持、姿态控制和轨道转移等功能所必需的核心部件。发动机工作时产生的喷流向外部真空环境膨胀形成的羽毛状流场，称为真空羽流，真空羽流会对航天器产生气动热效应，造成航天器表面温度升高和材料损坏，使得航天器整体或某些部件因此受损，轻则降低工作元件的性能，重则导致飞行任务的失败，这是始终困扰航天设计部门的重要问题。为了解决这个问题，必须在地面条件下对羽流气动热进行分析，开展羽流气动热测量。然而在地面真空实验系统中测量时，不可避免地会遇到以下四个难题：

第一，羽流场本身温度很高，其总温可达3000K，一般材料难以承受如此高温，试验时热流传感器测量件极其信号线容易损坏；

第二，地面真空实验系统都伴随有深冷环境，一般温度在-190℃，在如此低温环境下，普通热流传感器测量件极其信号线容易损坏；

第三，羽流场温度很高，为保证热流传感器的固定支架在高温环境下工作时具有足够的强度，从经济角度，一般选用不锈钢等金属材料，但金属优良的导电性会干扰热流传感器的输出信号，导致测量噪声很大，甚至无法获得有效测量数据；

第四，羽流场主流区域大小一般是Φ1m×2m，测量如此大区域的热流分布一般方法是大量布置热流传感器，然而由于流场是超声速流，传感器之间会彼此影响，干扰流场的测量。

发明内容

为了解决真空羽流场气动热难以测量的问题，本发明提出一套针对真空舱内发动机羽流场气动热流测量装置及测量方法，可有效解决以上难题，实现羽流场气动热流的大范围、精确测量。

针对真空舱内发动机羽流场气动热流测量装置，包括支架、热流传感器、三维移动装置、信号转换器和信号采集设备。

其中，支架包括安装底座、连杆、传感器固定板与连杆；所述安装底座具有水平固定面与竖直连接面，固定安装于四轴运动机构的安装平台上。连杆具有两根，两根连杆的前端与竖直连接面固连，后端与传感器固定板固连，且两根连杆左右对称水平设置；所述传感器固定板上加工有传感器安装孔。

所述热流传感器采用圆箔式；热流传感器后端部伸入传感器安装板上的传感器安装孔；绝缘套为后端周向具有凸台的圆筒；绝缘套的圆柱部分位于热流传感器外壁与传感器安装孔侧壁间，使凸台与传感器固定板贴合；热流传感器后端周向上设计有安装法兰与绝缘套上的凸台贴合，通过固定螺栓穿过安装法兰与绝缘套上的凸台，将绝缘套与热流传感器固定于传感器安装板上。热流传感器后端上罩有绝缘端盖，绝缘端盖为内凹的平板；使绝缘端盖的内凹面与热流传感器后端完全接触；绝缘端盖与传感器固定板固定。热流传感器的信号线依次穿过绝缘端盖以及支架的竖直连接面，连接到信号转换器上，随后通过穿舱法兰引出至真空舱外的信号采集设备上；通过热流传感器测得的电压信号，经过信号转换器转换为电流信号后，经信号采集设备采集，根据热流传感器的系数换算得到热流值，实现真空舱内发动机羽流场气动热流测量。

上述信号线完全置于信号线保护件内部；信号线保护件为一端具有外螺纹的圆管，通过螺纹与传感器固定支板上的螺纹孔配合螺纹固连。

本发明的优点在于：

1、本发明通过传感器选型、线路保护、点火时间控制等措施，完全避免了传感器遭受损坏的可能；

2、本发明通过控制热流传感器的表面温度，大大降低热流传感器的零漂；

3、本发明将舱内所有线路均选择为聚四氟乙烯材料，避免了材料在舱内低温环境下损坏，同时限制了信号转换器的电容种类，保证了信号转换器可以在真空舱内使用，使mV信号传输距离很短，极大减少了信号遭受干扰的可能性，提高了测量精度；

4、本发明通过巧妙的绝缘套设计，将热流传感器与舱体等金属隔绝，保证传感器不受外界设备电信号的干扰；

5、本发明实现了只用一个热流传感器，配合三维移动装置，实现了全流场的测量，完全解决了多个传感器之间互相干扰，影响流场形态导致的测量不准确问题。

附图说明

图1为本发明羽流场气动热测量装置整体结构示意图；

图2为本发明羽流场气动热流测量装置中支架与热流传感器结构及安装方式示意图；

图3为本发明羽流场气动热流测量装置中支架与热流传感器连接结构剖视图；

图中：

1-支架热流传感器 2-热流传感器 3-三维移动装置 4-信号转换器

5-信号采集设备 6-绝缘套 7-绝缘端盖 8-信号线保护件

101-安装底座 102-连杆 103-传感器固定板

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步说明。

本发明针对真空舱内发动机羽流场气动热流测量装置，包括支架1、热流传感器2、三维移动装置3、信号转换器4和信号采集设备5，如图1所示。

其中，支架1包括安装底座101、连杆102与传感器固定板103。所述安装底座101采用不锈钢制成，具有水平固定面与竖直连接面。连杆102具有两根，采用不锈钢制作，两端加工有通孔，用于连接安装底座101与传感器固定板103。两根连杆102的前端与竖直连接面固连，后端与传感器固定板103固连，且两根连杆102左右对称水平设置。所述传感器固定板103采用不锈钢制成，厚度5～8mm之间，宽度4～6mm之间，略大于热流传感器2外径，长度大于两根连杆102间距，满足固定要求。传感器固定板103上加工有传感器安装孔，传感器安装孔直径在3～4mm之间，大于热流传感器2直径，用于放置热流传感器2；在传感器安装孔外围加工有四个固定螺纹孔，四个固定螺纹孔中心连线为长方形，且长方形的长度方向与传感器安装板103长度方向一致，长度大于热流传感器2后端周向上设计的安装法兰直径，宽度视热流传感器2上安装法兰直径而定。传感器固定板103上左右两端加工有连杆安装孔，用于连接两根连接102。

所述热流传感器2采用圆箔式，外壳为不锈钢材料，量程试发动机而定；热流传感器2端面有效测量区域表面要求无吸收涂层，以减少热流传感器2对辐射热的吸收。热流传感器2后端部伸入传感器安装板103上的传感器安装孔。热流传感器2上套有采用聚四氟乙烯材料制成的绝缘套6，绝缘套6为后端周向具有凸台的圆筒，内径比热流传感器2外径略大(不超过0.2mm)，外径比传感器安装孔直径略小(不超过0.2mm)；其圆柱部分(不包括凸台)长度与传感器安装板103厚度相同；凸台直径与热流传感器的安装法兰外径相同。绝缘套6的圆柱部分位于热流传感器2外壁与传感器安装孔侧壁间，使凸台与传感器固定板103贴合，实现绝缘套6的定位。热流传感器2的安装法兰与绝缘套6上的凸台贴合，通过固定螺栓穿过安装法兰与绝缘套6上的凸台，将绝缘套6与热流传感器2固定于传感器安装板103上。热流传感器2后端上罩有采用聚四氟材料制成的绝缘端盖7，绝缘端盖7为内凹的平板，宽度比热流传感器2的信号线直径大(至少6mm)，但比热流传感器2的安装法兰直径小(至少6mm)；内凹部分长度比热流传感器2的安装法兰外径略大(不超过0.2mm)，高度略小于热流传感器2的安装法兰厚度(0.2～0.5mm之间)；绝缘端盖7上的内凹部分罩住热流传感器2后端部，使绝缘端盖7的内凹面与热流传感器2后端完全接触。绝缘端盖7通过固定螺栓与传感器固定板103固定，使固定螺栓的螺帽与热流传感器2测量端面位于传感器固定板103同侧，进而实现热流传感器2的固定。上述热流传感器2上的安装法兰端面与热流传感器2测量端面间的距离不少于30mm，传感器安装板103厚度不超过8mm，保证热流传感器2相对传感器固定板103有足够的伸出量，减少支架1对流场的破坏。本发明测量装置中，在支架1上背对羽流的位置粘贴有加热片和热电偶，用于控制固定支架1的温度，进而通过支架1的辐射和热传导维持热流传感器2温度在可接受范围内，降低热流传感器2因温度过低而出现的零漂。

热流传感器2的信号线依次穿过绝缘端盖7以及支架1的竖直连接面，连接到信号转换器4上，随后通过穿舱法兰引出至真空舱外的信号采集设备5上。热流传感器2的信号线外皮是聚四氟乙烯材料。本发明中通过信号线保护件8对热流传感器2引出的信号线进行保护。信号线保护件8为端部具有外螺纹的圆管，材料为不锈钢，其内径比热流传感器2信号线最粗处略大，长度视连杆102确定，需要使信号线完全置于信号线保护件8内部，信号线保护件8通过螺纹与传感器固定支板103上的螺纹孔配合螺纹固连。

上述整体结构中，将支架1中的安装底座101固定安装于四轴运动机构3的安装平台上，使热流传感器2测量端面平行于发动机出口平面，通过四轴运动机构3带动本发明测量装置进行三个互相垂直方向的平移和一个绕竖轴的转动，实现真空舱内发动机羽流场气动热流的大范围测量。

所述信号转换器4用来将0～20mV信号转换为4～20mA。信号转换器4的外壳及线路外皮均由聚四氟乙烯制作，内部使用固态电容，不包含电解电容；信号转换器4的外壳包裹有温控装置，从而可保证信号转换器在真空环境和低温环境工作。所述信号采集设备5为标准的电信号采集卡，可采集4～20mA信号。由此通过热流传感器2测得的电压信号，经过信号转换器4转换为电流信号后，经信号采集设备5采集，根据热流传感器2的系数换算得到热流值，实现真空舱内发动机羽流场气动热流测量。

通过以上结构，解决了普通热流传感器在测量真空羽流气动热时出现的零漂、易被烧坏、测量干扰大、测量不准确等问题，实现真空舱内发动机羽流场气动热流的大范围、精确测量。

在本发明测量装置应用时，按下述方式进行：

a、确定热流传感器2信号是否正常；

可通过判断采集卡信号是否为4mA，若相差超过5％，传感器零漂严重，不可使用，更换热流传感器2直到满足要求；

b、检查信号线保护件8是否包裹热流传感器2的信号线(是否有破损情况)，确保热流传感器的信号线不会被发动机羽流直接作用；

c、使用万用表测量热流传感器2与支架1间的电阻，若电阻不为无穷，检测绝缘套6有无破损，固定热流传感器2的固定螺栓是否与热流传感器2的安装法兰接触，以及信号线保护件8是否与热流传感器2的金属部分接触，找到问题后调整(使热流传感器2的固定螺栓与热流传感器2的安装法兰不接触，信号线保护件8与热流传感器的金属部分不接触)；

d、以发动机出口平面为基准，利用四轴运动机构3，确定热流传感器2相对发动机出口平面的位置；

e、真空环境准备就绪后，通过四轴运动机构3将热流传感器2移动到距离发动机中心最远的测点(或热流最小的测点)，点火进行第一个测点测量(点火时间控制在10s以内)；然后从远到近的原则，对流场进行全面测量，记录试验数据。

Claims (9)

1.针对真空舱内发动机羽流场气动热流测量装置，其特征在于：包括支架、热流传感器、三维移动装置、信号转换器和信号采集设备；

其中，支架包括安装底座、连杆、传感器固定板与连杆；所述安装底座具有水平固定面与竖直连接面，固定安装于三维移动装置的安装平台上；连杆具有两根，两根连杆的前端与竖直连接面固连，后端与传感器固定板固连，且两根连杆左右对称水平设置；所述传感器固定板上加工有传感器安装孔；

所述热流传感器采用圆箔式；热流传感器后端部伸入传感器安装板上的传感器安装孔；绝缘套为后端周向具有凸台的圆筒；绝缘套的圆柱部分位于热流传感器外壁与传感器安装孔侧壁间，使凸台与传感器固定板贴合；热流传感器后端周向上设计有安装法兰与绝缘套上的凸台贴合，通过固定螺栓穿过安装法兰与绝缘套上的凸台，将绝缘套与热流传感器固定于传感器安装板上；热流传感器后端上罩有绝缘端盖，绝缘端盖为内凹的平板；使绝缘端盖的内凹面与热流传感器后端完全接触；绝缘端盖与传感器固定板固定；热流传感器的信号线依次穿过绝缘端盖以及支架的竖直连接面，连接到信号转换器上，随后通过穿舱法兰引出至真空舱外的信号采集设备上；通过热流传感器测得的电压信号，经过信号转换器转换为电流信号后，经信号采集设备采集，根据热流传感器的系数换算得到热流值，实现真空舱内发动机羽流场气动热流测量；

上述信号线完全置于信号线保护件内部；信号线保护件为一端具有外螺纹的圆管，通过螺纹与传感器固定支板上的螺纹孔配合螺纹固连。

2.如权利要求1所述针对真空舱内发动机羽流场气动热流测量装置，其特征在于：所述绝缘套、绝缘端盖采用聚四氟乙烯材料；热流传感器的信号线外皮是聚四氟乙烯材料；信号转换器（4）的外壳及线路外皮均由聚四氟乙烯制作。

3.如权利要求1所述针对真空舱内发动机羽流场气动热流测量装置，其特征在于：所述热流传感器的端面有效测量区域表面无吸收涂层。

4.如权利要求1所述针对真空舱内发动机羽流场气动热流测量装置，其特征在于：上述热流传感器上的安装法兰端面与热流传感器测量端面间的距离不少于30mm，传感器安装板厚度不超过8mm。

5.如权利要求1所述针对真空舱内发动机羽流场气动热流测量装置，其特征在于：在支架上背对羽流的位置粘贴有加热片和热电偶。

6.如权利要求1所述针对真空舱内发动机羽流场气动热流测量装置，其特征在于：所述热流传感器测量端面平行于发动机出口平面。

7.如权利要求1所述针对真空舱内发动机羽流场气动热流测量装置，其特征在于：所述信号转换器的外壳包裹有温控装置。

8.如权利要求1所述针对真空舱内发动机羽流场气动热流测量装置，其特征在于：所述信号采集设备采集4～20mA信号。

9.如权利要求1所述针对真空舱内发动机羽流场气动热流测量装置的测量方法，其特征在：按下述方式进行：

a、确定热流传感器信号是否正常；

判断采集卡信号是否为4mA，若相差超过5％，更换热流传感器直到满足要求；

b、确保热流传感器的信号线不会被发动机羽流直接作用；

c、使用万用表测量热流传感器与支架间的电阻，若电阻不为无穷，检测绝缘套有无破损，固定热流传感器的固定螺栓是否与热流传感器的安装法兰接触，以及信号线保护件是否与热流传感器的金属部分接触，使热流传感器的固定螺栓与热流传感器的安装法兰不接触，信号线保护件与热流传感器的金属部分不接触；

d、以发动机出口平面为基准，利用四轴运动机构，确定热流传感器相对发动机出口平面的位置；

e、真空环境准备就绪后，通过四轴运动机构将热流传感器移动到距离发动机中心最远的测点，点火进行第一个测点测量；然后从远到近，对流场进行测量，记录试验数据。