CN109556762A - 一种用于测量凹腔热流分布的探头 - Google Patents

一种用于测量凹腔热流分布的探头 Download PDF

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Abstract

一种用于测量凹腔热流分布的探头，主要由支架系统、探头基体和组合腔体构成。探头基体与支架系统连接，内部安有组合腔体，塞式量热计安装等角螺线的分布方式安装在组合腔体的底面。试验时通过支架系统进入由电弧风洞加热空气产生的高温高速流场进行试验，其中支架系统中的攻角机构可以改变凹腔试验姿态，组合腔体的升降器可以改变凹腔径深比，电弧风洞可以改变当地气流参数，通过组合不同类型的参数可以模拟各类凹腔的热流，并且为预估其他参数下凹腔内热流分布提供数据。本发明可以应用于航天飞行器凹腔结构气动热地面模拟试验中。

Description

一种用于测量凹腔热流分布的探头
技术领域
本发明涉及一种用于测量凹腔热流分布的探头，特别是一种应用于航天飞行器热防护材料地面模拟试验中针对凹腔类型结构的热流分布测量的探头，可以在高温高速气流中使用。
背景技术
航天飞行器外形结构由于测试、组装等原因，经常在外部设置有电缆接口，吊装口等凹腔类型的结构，该类结构在飞行高速过程中受到气流作用会由于局部过热导致结构损坏，因此设计者需要了解其热流分布，然后进行保护。
影响凹腔结构热流分布的主要因素有很多，大致可以分为内部结构因素是指凹腔的直径、深度，通常用径深比来体现；外部环境因素：飞行器飞行方向、气流的恢复焓和表面压力，通常用飞行姿态和当地气流参数来表示。目前常见的测量探头仅针对一组参数确定的外形结构进行考虑，一旦个别参数发生改动，只能重新测试，无法预估。
发明内容
本发明的技术解决问题：提供一种测量凹腔热流分布的探头，可测量不同参数组合下凹腔内热流分布，获取变化趋势，用以预估不同参数下凹腔内热流分布，以满足当前国内航天飞行器热防护地面模拟试验要求。
本发明的技术方案：
一种用于测量凹腔热流分布的探头，包括：支架系统、探头基体和组合腔体；
圆筒状组合腔体设置在探头基体内，探头基体与支架系统固定连接，且通过支架系统与外部连接；组合腔体内设置有凹腔，内设热流测量传感器，用于测量凹腔内的热流分布。
支架系统包括平板支架和攻角机构，平板支架与探头基体连接，攻角机构带动平板支架实现转动和滚转，进而带动组合腔体转动和滚转。
组合腔体包括腔壁、腔底和升降器；升降器与腔底连接，调节组合腔体内凹腔的深度，从而改变径深比；腔壁和腔底上均安装有多个热流测量传感器。
组合腔体可更换，以改变凹腔的直径大小。
热流测量传感器采用塞式量热计。
热流测量传感器在腔壁内壁面按照周向均匀布置的方式安装，热流测量传感器在腔底按照等角螺线规律布置。
组合腔体内凹腔中测量的热流为电弧风洞或者电弧加热器产生的气流在凹腔内绕流。
电弧风洞或者电弧加热器产生的气流速度在1000～2000m/s，温度在500～3000k之间。探头基体为150mm×150mm×100mm钢结构件，中心处设置有直径120mm通孔，用于安装组合腔体。组合腔体内凹腔的直径为100mm。
本发明与现有技术相比的优点如下：
(1)探头采用分体式结构，探头基体可以更换不同直径的组合腔体，构建不同直径的凹腔环境，可以研究高温高速气流流过不同直径腔体对腔底以及腔壁的热流分布的影响；
(2)组合腔体内设置一升降器，调节腔底平面距离顶面的深度，达到调节径深比的目的，可以研究高温高速气流流过不同径深比腔体对腔底以及腔壁的热流分布的影响；
(3)支架系统可以带动探头俯仰和滚转，改变腔体相对高温高速气流的姿态，可以研究高温高速气流流过不同姿态位置的腔体对腔底以及腔壁的热流分布的影响。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明腔底分布的传感器示意图。
具体实施方式
本发明提出的一种测量凹腔热流分布探头主要由支架系统、探头基体和组合腔体构成。探头基体通过支架系统进入由电弧风洞加热空气产生的高温高速流场，利用组合腔体内部安装的塞式量热计进行测试。改变电弧风洞运行参数改变当地气流参数，支架系统可以俯仰和滚转达到改变飞行姿态的目的，更换不同类型的组合腔体可以模拟凹腔的径深比，组合腔体底面和内壁面安装塞式热流传感，其中底面传感器按照等角螺线分布。这样进过不同参数的组合试验达到获取各参数对凹腔热流分布的影响，以预估不同参数下凹腔内热流分布。
具体的，如图1所示，本发明提出的用于测量凹腔热流分布的探头，包括：支架系统1、探头基体2和组合腔体3；
圆筒状组合腔体3设置在探头基体2内，探头基体2与支架系统1固定连接，且通过支架系统1与外部连接；组合腔体3内设置有凹腔，内设热流测量传感器，用于测量凹腔内的热流分布。热流测量传感器采用塞式量热计。组合腔体3内凹腔中测量的热流为电弧风洞或者电弧加热器产生的气流在凹腔内绕流。电弧风洞或者电弧加热器产生的气流速度在1000～2000m/s，温度在500～3000k之间。
支架系统1包括平板支架11和攻角机构12，平板支架11与探头基体2连接，攻角机构12带动平板支架11实现转动和滚转，进而带动组合腔体3转动和滚转。
组合腔体3包括腔壁31、腔底32和升降器33；升降器33与腔底32连接，调节组合腔体3内凹腔的深度，从而改变径深比；腔壁31和腔底32上均安装有多个热流测量传感器。组合腔体3可更换，以改变凹腔的直径大小。
热流测量传感器在腔壁31内壁面按照周向均匀布置的方式安装，热流测量传感器在腔底32按照等角螺线规律布置，如图2所示。等角螺线具有自我相似特点，放大或者缩小总是能和原来的部分重合，因此通过一个典型的直径(本例为直径100mm)就可以合理推导其他直径的热流分布。
探头基体2为150mm×150mm×100mm钢结构件，中心处设置有直径120mm通孔，用于安装组合腔体3。组合腔体3内凹腔的直径为100mm。
进行测量试验时，将组合腔体安装在支架系统的平板支架通孔处，顶面保持齐平，升降器33调节腔底距离顶面的深度，通过攻角机构将平板支架以一定俯仰和滚转角送入由电弧风洞产生的高温高速流场中，测量此时的热流密度，完成测试后，攻角机构退回至出发位置，升降器改变深度，得到不同的深径比，由攻角机构以相同姿态送入流场，完成测试。完成多个深径比的测试后，由攻角机构改变试验姿态，继续经行下一轮不同深径比的测试，进而获得该气流参数下的热流分布。
下表为在相同气流参数下，直径100组合腔体在攻角为2°，滚转为0°情况下，通过调整升降器，将深度由0mm降至5mm、10mm、30mm、100mm腔底22个传感器测量数值。
表一 不同影响参数下热流分布(单位kW/m2)
直径 100 100 100 100 100 100 100 50
深度 0 5 10 30 100 5 5 5
攻角 2 2 2 2 2 2 12 2
滚转角 0 0 0 0 0 10 0 0
Q1 200.00 150.00 108.00 60.00 10.00 148.00 280.00 103.00
Q2 202.00 151.50 109.08 60.60 10.00 137.64 285.60 104.03
Q3 200.00 151.50 108.00 60.60 10.00 136.16 277.20 101.97
Q4 198.00 147.00 106.92 59.40 10.00 131.72 277.20 100.94
Q5 196.00 148.50 106.92 60.00 10.00 149.48 235.20 99.91
Q6 198.00 153.00 109.08 60.00 10.00 152.44 260.40 101.97
Q7 202.00 157.50 109.08 61.20 20.00 156.88 277.20 105.06
Q8 212.00 159.00 114.48 72.00 22.00 156.88 291.20 110.21
Q9 210.00 159.90 109.08 67.80 25.00 150.96 330.40 106.09
Q10 206.00 157.50 106.92 66.00 23.00 142.08 313.60 105.06
Q11 202.00 156.00 99.36 65.40 15.00 133.20 308.00 101.97
Q12 198.00 153.00 96.12 61.20 3.00 130.24 296.80 90.64
Q13 198.00 138.00 95.04 48.60 3.00 108.04 260.40 84.46
Q14 198.00 117.00 68.04 37.80 3.00 100.64 210.00 54.59
Q15 196.00 108.00 39.96 24.00 1.00 106.56 179.20 39.14
Q16 196.00 112.50 69.12 38.40 3.00 115.44 148.40 59.74
Q17 198.00 124.50 71.28 51.00 3.00 125.80 215.60 63.86
Q18 198.00 148.50 76.68 52.80 3.00 152.44 260.40 71.07
Q19 202.00 154.50 89.64 67.20 20.00 158.36 322.00 80.34
Q20 206.00 157.50 111.24 69.00 20.00 159.84 341.60 105.06
Q21 212.00 169.50 116.64 72.60 30.00 174.64 383.60 110.21
Q22 216.00 180.00 120.96 78.00 50.00 177.60 397.60 116.39
改变攻角为12°，滚转角为0°，通过调整升降器，将深度调整为5mm情况下腔底22个传感器测量数值。
然后改变攻角为2°，滚转角为10°，通过调整升降器，将深度调整为5mm情况下腔底22个传感器测量数值。
然后更换直径50组合腔体在攻角为2°，滚转为0°情况下，通过调整升降器，将深度调整为10mm情况下腔底22个传感器测量数值。
数据表明，随着深度增加，气流对腔底热流迅速较小，随着攻角增加，气流对腔底后段热流高于前段，随着滚转角增加，气流对腔底一侧热流高于另一侧，径深比相同情况下，改变组合腔体的直径，气流对腔底产生的热流相似。
本发明的具体结构说明证明了本发明具有的特点，能够实现不同设计参数下的凹腔热流分布测量要求。

Claims (10)

1.一种用于测量凹腔热流分布的探头，其特征在于包括：支架系统(1)、探头基体(2)和组合腔体(3)；
圆筒状组合腔体(3)设置在探头基体(2)内，探头基体(2)与支架系统(1)固定连接，且通过支架系统(1)与外部连接；组合腔体(3)内设置有凹腔，内设热流测量传感器，用于测量凹腔内的热流分布。
2.根据权利要求1所述的探头，其特征在于：支架系统(1)包括平板支架(11)和攻角机构(12)，平板支架(11)与探头基体(2)连接，攻角机构(12)带动平板支架(11)实现转动和滚转，进而带动组合腔体(3)转动和滚转。
3.根据权利要求1所述的探头，其特征在于：组合腔体(3)包括腔壁(31)、腔底(32)和升降器(33)；升降器(33)与腔底(32)连接，调节组合腔体(3)内凹腔的深度，从而改变径深比；腔壁(31)和腔底(32)上均安装有多个热流测量传感器。
4.根据权利要求3所述的探头，其特征在于：组合腔体(3)可更换，以改变凹腔的直径大小。
5.根据权利要求3所述的探头，其特征在于：热流测量传感器采用塞式量热计。
6.根据权利要求4所述的探头，其特征在于：热流测量传感器在腔壁(31)内壁面按照周向均匀布置的方式安装，热流测量传感器在腔底(32)按照等角螺线规律布置。
7.根据权利要求1所述的探头，其特征在于：组合腔体(3)内凹腔中测量的热流为电弧风洞或者电弧加热器产生的气流在凹腔内绕流。
8.根据权利要求7所述的探头，其特征在于：电弧风洞或者电弧加热器产生的气流速度在1000～2000m/s，温度在500～3000k之间。
9.根据权利要求1所述的探头，其特征在于：探头基体(2)为150mm×150mm×100mm钢结构件，中心处设置有直径120mm通孔，用于安装组合腔体(3)。
10.根据权利要求1所述的探头，其特征在于：组合腔体(3)内凹腔的直径为100mm。
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