CN109374062A - 一种脱落插座热流密度和压力测量装置 - Google Patents

Abstract

一种脱落插座热流密度和压力测量装置，包括：弧面探头、支架、底板、热流传感器、压力传感器；弧面探头上表面的弧面与设置脱落插座的飞行器弧面保持一致，弧面探头的下表面固定外部脱落插座中的套筒；支架固定安装在外部喷管上，气流方向平行于弧面探头的上表面；弧面探头、支架、底板依次连接形成密闭壳体；底板开有走线孔，多个热流传感器和压力传感器安装在弧面探头下表面，多个热流传感器和压力传感器的尾线穿过走线孔连接外部测试设备。本发明解决了风洞试验中脱落插座表面和底部冷壁热流密度和压力测量问题，结构合理，安装和拆卸简单，测量精度高，测量范围广，可重复使用。

Description

一种脱落插座热流密度和压力测量装置

技术领域

本发明涉及一种脱落插座热流密度和压力测量装置，属于航天飞行器地面气动热试验技术领域。

背景技术

为了解决飞行器脱落插座的防热问题，需要对脱落插座防热材料在飞行过程中的隔热性能和抗烧蚀冲刷性能进行考核,考核通常在地面热环境模拟设备即电弧风洞中进行。脱落插座防热材料考核试验通常模拟的高温气流参数主要有表面冷壁热流密度、表面压力、恢复焓等，因此在状态调试中准确的测出脱落插座表面冷壁热流密度和压力具有十分重要的意义。

现有的测量装置主要是针对平板模型和驻点模型，如图1和图2所示，目前还没有专门针对脱落插座外形的测量装置，因此需要在平板模型和驻点模型测量装置的基础上设计出新的适用于脱落插座外形的测量装置。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种脱落插座热流密度和压力测量装置，解决了脱落插座防热材料考核试验中脱落插座表面和底部冷壁热流密度和压力测量问题。

本发明的技术方案是：

一种脱落插座热流密度和压力测量装置，包括：弧面探头、支架、底板、热流传感器、压力传感器、安装部、连接部；

所述弧面探头上表面的弧面与设置脱落插座的飞行器弧面保持一致，所述弧面探头的下表面固定有外部脱落插座中的套筒；所述弧面探头开有多个用于连接热流传感器或压力传感器的连接孔；所述弧面探头开有适配孔，所述适配孔和所述套筒的通孔配合；

所述支架固定安装在外部喷管上，使喷管的气流方向平行于所述弧面探头的上表面；所述弧面探头、支架、底板依次连接形成密闭壳体；所述底板开有走线孔，多个热流传感器和压力传感器安装在弧面探头上，所述多个热流传感器和压力传感器的尾线穿过所述走线孔连接外部测试设备。

所述连接孔包括多个用于安装热流传感器的热流测量孔和多个用于连接压力传感器的压力测量孔。

所述多个热流传感器的热流测量孔在所述弧面探头上均布。

所述多个的热流测量孔在所述弧面探头排列成三排三列的矩阵，其中，第二排和第二列中热流测量孔的数量均为二。

所述弧面探头上的多个压力测量孔沿所述适配孔轴线周向均布。

所述弧面探头开有两个压力测量孔，所述两个压力测量孔轴线关于所述适配孔的轴线对称。

所述两个压力测量孔的轴线距离与所述适配孔孔径的比值范围为1.5～1.9。

所述弧面探头通过连接部固定连接所述底板。

所述连接部包括4个螺杆，所述螺杆的一端连接弧面探头的下表面，另一端连接底板。

所述支架通过安装部固定在外部喷管上。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明解决了飞行器脱落插座表面和底部冷壁热流密度和压力测量问题，解决了现有技术无法解决的问题。

(2)本发明对插座孔采用套筒加插座探头组合设计，方便底部冷壁热流密度传感器和测压紫铜管的安装。

(3)本发明采用四个螺杆穿过底板后带螺帽的方式对探头进行固定，将测量过程中探头掉落的风险降为零，避免损坏脱落插座。

附图说明

图1为现有测量装置平板模型结构示意图；

图2为现有测量装置驻点模型结构示意图；

图3为脱落插座表面和底部冷壁热流密度曲线；

图4为脱落插座表面和底部压力曲线；

图5为本发明测量装置结构示意图；

图6为本发明测量装置使用示意图；

图7为本发明测量装置装配示意图。

具体实施方式

本发明采用与飞行器脱落插座防热结构件外形相同的探头设计，结合塞式量热计技术和动态测压技术，将热流密度参数和压力参数转化成电压信号传输给采集箱和测试电脑。测量前将装置固定在喷管出口前，然后开车至流场稳定后停车，测得的温度随时间的变化率可直接换算出冷壁热流密度，表面压力通过压力传感器15直接测得。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。

如图5所示，脱落插座热流密度和压力测量装置，包括圆弧探头1、插座探头3、支架4、底板5、热流测量孔6、压力测量孔7、螺杆8、安装部、热流传感器14、压力传感器15；

弧面探头1上表面的弧面与设置脱落插座的飞行器弧面保持一致，所述弧面探头1的下表面用于固定外部脱落插座中的套筒2；所述弧面探头1开有多个连接孔，所述连接孔用于连接热流传感器14或压力传感器15；所述弧面探头1开有适配孔，所述适配孔和所述套筒2的通孔配合；

如图6所示，支架4固定安装在外部喷管上，使喷管的气流方向平行于所述弧面探头1的上表面；所述弧面探头1、支架4、底板5依次连接形成密闭壳体；所述底板5开有走线孔11，多个热流传感器14和压力传感器15安装在弧面探头1上，所述多个热流传感器14和压力传感器15的尾线穿过所述走线孔11连接外部测试设备。连接孔包括多个用于安装热流传感器14的热流测量孔6和多个用于连接压力传感器15的压力测量孔7。弧面探头1上均布有多个热流传感器14的热流测量孔6，多个的热流测量孔6在所述弧面探头1排列成三排三列的矩阵，其中，第二排和第二列中热流测量孔6的数量均为二。弧面探头1上的多个压力测量孔7沿所述适配孔轴线周向均布。弧面探头1开有两个压力测量孔7，所述两个压力测量孔7轴线关于所述适配孔的轴线对称。两个压力测量孔7的轴线距离与所述适配孔孔径的比值范围为1.5～1.9，优选的为1.78。

弧面探头1通过连接部固定连接所述底板5。连接部包括4个螺杆8，所述螺杆的一端连接弧面探头1的下表面，另一端连接底板5。

所述支架4通过安装部固定在外部喷管上。安装部包括：固定轴9、固定块10。固定轴9和固定块10数量均为2个，两者配对安装在支架4上，整个测量装置通过两者固定喷管上。

热流传感器14选用塞式量热计，量热块材料为紫铜，形状为圆柱形，量热块底面连接量程为0-1300℃的K型热电偶。压力测量孔7焊接紫铜管并连接压力传感器15。热流传感器14的热电偶线和压力传感器15的尾线从底板5 中间的走线孔11引出，连接外部采集箱和测试电脑。

安装过程如下：

如图7所示，插座探头3安装在套筒2下面，套筒2安装在圆弧探头1下面，圆弧探头1安装在支架4内，底板5通过16个螺钉和底板固定孔13安装在支架4下面，圆弧探头1下面的螺杆8穿过底板5上的螺杆固定孔12后带上螺帽对圆弧探头1进行固定，固定轴9和固定块10配对安装在支架4上；8 个热流传感器14安装在上圆弧探头1上，呈“3-2-3”分布，1个热流传感器 14安装在插座探头3中心；3个压力传感器15中2个布置在圆弧探头1中间圆孔两侧，1个压力传感器15布置在插座探头3上中心处的热流传感器14附近。

实施例

脱落插座热流密度和压力测量装置长度323mm，宽度320mm，高度 95mm。圆弧探头1长260mm，宽260mm，高30mm，外表面曲率半径为371mm，中间大孔直径为60mm，材料选用20号钢。圆弧探头1下面连接4 个螺杆8，螺杆8穿过底板5后带螺帽，以防止圆弧探头1在测量过程中掉落。

圆弧探头1上呈“3-2-3”分布安置8个热流传感器14。热流传感器14选用塞式量热计，这种量热计由紫铜柱塞量热块和热电偶组成。由于量热响应只与量热块的几何尺寸和物理特性有关，不受其它因素影响，所以该量热计测量精度较高。量热快形状为圆柱形，尺寸为Φ5mm×5mm，每个量热块底面连接一个量程为0-1300℃的K型热电偶。被测气流单位时间内给紫铜块底面带来的温升由这5个热电偶测得，并通过计算得到脱落插座表面和底部测点上的冷壁热流密度。

圆弧探头1上安置2个压力测量孔7，两者布置在中间圆孔的两侧；压力测量孔7后面焊接紫铜管并连接压力传感器15，圆弧探头1中压力传感器15 选用量程为0-100KPa的压电传感器。

套筒2长80mm，宽80mm，高46mm，中间有1个直径为60mm的通孔，材料选用20号钢，套筒2上端通过2个螺钉与圆弧探头1连接。

插座探头3为双层圆柱形结构，上层圆柱直径为40.8mm，下层圆柱直径为70mm，探头高37mm，通过4个螺钉与套筒2下端进行连接；插座探头3 中心安装一个热流传感器14，热流传感器14与圆弧探头1上的相同，探头中心偏离10mm的位置布置1个压力测量孔7，孔后面焊接紫铜管并连接压力传感器15，压力传感器15选用量程为0-50KPa的压电传感器。

支架4长323mm，宽320mm，高95mm，材料选用20号钢，支架4后侧板表面弧面与圆弧探头1表面弧面保持一致，支架4两侧各开1个用于安装固定轴9的螺纹孔，支架4下面开16个用于固定底板3的螺纹孔。

底板5长308mm，宽320mm，高15mm，材料选用玻璃钢，底板5上有 1个直径为20mm的走线孔11，还有4个直径为8mm的螺杆固定孔12和16 个直径为8mm的底板固定孔13。

固定轴9长36mm，直径为10mm，材料选用304钢，数量为2个，分别安装在支架4两侧。

固定块10长40mm，宽16mm，高20mm，材料选用20号钢，开有1个直径为10mm和2个直径为20mm的孔，固定块10数量为2个，与固定轴9 配对安装在支架4两侧。

测量原理如下：将9个热流传感器14的热电偶线与风洞温度采集箱连接，将3条测压紫铜管连接压力传感器15后与压力采集箱连接，温度采集箱和压力采集箱同时与PC主机连接。状态调试时，首先测量出9个热流测点△t时间内量热块底部温升△T，然后根据热流传感器14中量热块冷壁热流密度表达式，即可由主机上采集软件计算出脱落插座9个测点的冷壁热流密度并在显示器上读出。其中，冷壁热流密度表达式如下：

式中：q_cw为冷壁热流密度，单位：W/m²；C_p为紫铜比热，单位：J/(Kg·K)； m为量热块质量，单位：Kg；A为量热块受热面积，单位：m²；ΔT/Δt为量热块温升速率，单位：K/s。

脱落插座2个表面压力测点和1个底部压力测点的数值可由PC主机上采集软件进行电压-压力转换后直接在显示器上读出。

本发明已成功应用于某型号脱落插座防热考核试验，通过该测量装置测到的脱落插座表面和底部冷壁热流密度如图3所示，其中热流5为插座探头上测点的热流值，热流1至4和热流6至9为圆弧探头1上8个测点的热流值，图中横坐标为采集时间，单位为s，纵坐标为冷壁热流密度，单位为Kw/m²，取热流值稳定段(4.1s至4.9s)的平均值即可得到稳态时每个测点的热流值；测到的脱落插座表面和底部压力如图4所示，其中表压1为弧面探头1上靠近气流上游测点的表压值，表压2为弧面探头1上靠近气流下游测点的表压值，表压3为插座探头1上测点的表压值，图中横坐标为采集时间，单位为s，纵坐标为表面压力，单位为kPa，取表压平稳时刻(5.5s)的数值即可得到稳态时每个测点的压力值。

本发明解决了脱落插座防热考核试验中脱落插座表面和底部冷壁热流密度和压力测量问题，具有结构合理，安装和拆卸简单，测量精度高，测量范围广，可重复使用等优点。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种脱落插座热流密度和压力测量装置，其特征在于，包括：弧面探头(1)、支架(4)、底板(5)、热流传感器(14)、压力传感器(15)；

所述弧面探头(1)上表面的弧面与设置脱落插座的飞行器弧面保持一致，所述弧面探头(1)的下表面固定有外部脱落插座中的套筒(2)；所述弧面探头(1)开有多个用于连接热流传感器(14)或压力传感器(15)的连接孔；所述弧面探头(1)开有适配孔，所述适配孔和所述套筒(2)的通孔配合；

所述支架(4)固定安装在外部喷管上，使喷管的气流方向平行于所述弧面探头(1)的上表面；所述弧面探头(1)、支架(4)、底板(5)依次连接形成密闭壳体；所述底板(5)开有走线孔(11)，多个热流传感器(14)和压力传感器(15)安装在弧面探头(1)上，所述多个热流传感器(14)和压力传感器(15)的尾线穿过所述走线孔(11)连接外部测试设备。

2.根据权利要求1所述的一种脱落插座热流密度和压力测量装置，其特征在于，所述连接孔包括多个用于安装热流传感器(14)的热流测量孔(6)和多个用于连接压力传感器(15)的压力测量孔(7)。

3.根据权利要求2所述的一种脱落插座热流密度和压力测量装置，其特征在于，所述多个热流传感器(14)的热流测量孔(6)在所述弧面探头(1)上均布。

4.根据权利要求3所述的一种脱落插座热流密度和压力测量装置，其特征在于，所述多个的热流测量孔(6)在所述弧面探头(1)排列成三排三列的矩阵，其中，第二排和第二列中热流测量孔(6)的数量均为二。

5.根据权利要求2所述的一种脱落插座热流密度和压力测量装置，其特征在于，所述弧面探头(1)上的多个压力测量孔(7)沿所述适配孔轴线周向均布。

6.根据权利要求5所述的一种脱落插座热流密度和压力测量装置，其特征在于，所述弧面探头(1)开有两个压力测量孔(7)，所述两个压力测量孔(7)轴线关于所述适配孔的轴线对称。

7.根据权利要求6所述的一种脱落插座热流密度和压力测量装置，其特征在于，所述两个压力测量孔(7)的轴线距离与所述适配孔孔径的比值范围为1.5～1.9。

8.根据权利要求1～7所述的一种脱落插座热流密度和压力测量装置，其特征在于，还包括连接部，所述弧面探头(1)通过连接部固定连接所述底板(5)。

9.根据权利要求8所述的一种脱落插座热流密度和压力测量装置，其特征在于，所述连接部包括4个螺杆(8)，所述螺杆的一端连接弧面探头(1)的下表面，另一端连接底板(5)。

10.根据权利要求9所述的一种脱落插座热流密度和压力测量装置，其特征在于，还包括安装部，所述支架(4)通过安装部固定在外部喷管上。