CN112649148A - 一种高超声速飞行试验高频脉动压力测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高超声速飞行试验高频脉动压力测试装置，包括：飞行器，其上设置有飞行器防热层，飞行器防热层中开设有第一安装腔；温控热沉体，其前端固定设置在第一安装腔中，温控热沉体中开设有第二安装腔；压力传感器，其安装在温控热沉体的第二安装腔中；温控热沉体上固定设置有高导热率保护屏，高导热率保护屏与压力传感器的感应面之间预留有间隙；高导热率保护屏上开设有多个引压孔。本发明公开的高超声速飞行试验高频脉动压力测试装置通过设置与压力传感器感应面不接触的高导热率保护屏，并在高导热率保护屏上开设引压孔，高导热率保护屏连接有温控热沉体，提高了高导热率保护屏的散热能力和压力传感器的耐高温能力。
Description
技术领域
本发明属于高超声速飞行测试技术领域，更具体地说，本发明涉及一种高超声速飞行试验高频脉动压力测试装置。
背景技术
目前能够用于高频脉动压力测试的传感器适用最高温度从几十摄氏度至四五百摄氏度不等，最高频响从几十kHz至几百kHz不等。目前能够实现300千赫兹以上高频压力测试的压力传感器，其耐温往往不超过150摄氏度。
在高超声速地面试验的高频脉动压力测试中，往往将测试时间限定在很短的时间(毫秒级)，气流的高温效应不足以造成传感器损坏，因此可以将传感器感应面与模型平齐，从而实现高频脉动压力测试。但是，在高超声速飞行试验中，试验时间会持续至少几十秒，甚至几千秒，如果将高频压力传感器平齐安装在飞行器表面，很可能会由于长时间高温加热，造成传感器超温失效，甚至可能由于烧损在局部造成干扰加热，威胁飞行器安全。
在高超声速飞行试验中，由于空气与飞行器表面的摩擦作用，飞行器表面附近气流温度会急剧上升，对飞行器表面及其参数测量产生不利影响。目前常见的脉动压力传感器要么频响高但耐温温度不足，要么耐温高但频响不够。在高超声速飞行试验中，利用常规压力传感器，在保护传感器不被高温损坏的前提下，实现高频响的测试，是高超声速飞行试验高频脉动压力测试的一个关键问题。
如果将压力传感器后退一定距离，即在飞行器表面下安装传感器，使传感器感应面距离飞行器表面有一定距离，在飞行器表面设置引压孔、引压腔，将表面压力测试位置与传感器感应面连通，可以有效保护传感器不至于超温损坏。但是，这种测试结构在保护传感器同时，引压孔、引压腔的存在会引入附加的谐振频率，这种谐振频率一般低于传感器自身谐振频率，使得脉动压力有效测试频响进一步降低。改变传感器感应面距离飞行器表面距离(为有效保护传感器，距离一般不小于1mm)，可获得最高约30kHz的脉动压力测试能力。
目前，国内外的压阻式压力传感器一般在感应元件上端设计一个薄金属片，上面开多个小孔，将测试环境与感应元件隔离，主要是为了防止机械损伤和减少杂波的作用。保护屏往往采用极薄的合金材料，横向的热阻大，在表面安装时，保护屏的温度会迅速上升造成超温甚至损坏。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种高超声速飞行试验高频脉动压力测试装置，包括：
飞行器，其上设置有飞行器防热层，所述飞行器防热层中开设有第一安装腔；
温控热沉体，其前端固定设置在所述第一安装腔中，所述温控热沉体中开设有第二安装腔；
压力传感器，其安装在所述温控热沉体的第二安装腔中；所述温控热沉体上固定设置有高导热率保护屏，所述高导热率保护屏与压力传感器的感应面之间预留有间隙；所述高导热率保护屏上开设有多个引压孔。
优选的是，其中，所述高导热率保护屏的材质为铜、银、镍、铝、金高导热率金属中的一种，或石墨、石墨烯高导热率非金属中的一种；所述温控热沉体的材质为铜、铝、银、镍、金高导热率金属中的一种。
优选的是，其中，所述高导热率保护屏的材质为铜、银、镍、铝、金中的一种，且在高导热率保护屏表面设置有一层石墨薄膜或石墨烯薄膜。
优选的是，其中，所述温控热沉体表面与飞行器防热层之间设置有隔热层，所述隔热层为热障涂层或隔热材料层。
优选的是，其中，所述压力传感器通过螺纹连接或胶水粘接的方式固定设置在温控热沉体的第二安装腔中。
优选的是，其中，所述引压孔环绕高导热率保护屏的中心设置，或在高导热率保护屏表面均匀设置。
优选的是，其中，所述隔热层与飞行器防热层之间预留有装配间隙。
优选的是，其中，所述高导热率保护屏可通过整体加工一体成型设置在温控热沉体上，也可通过焊接或螺纹连接与温控热沉体实现固定连接。
本发明至少包括以下有益效果：本发明提供的高超声速飞行试验高频脉动压力测试装置通过采用高导热率保护屏，并在高导热率保护屏上开设多个引压孔，同时高导热率保护屏连接有用于热量存储的温控热沉体，通过这种方式提高了高导热率保护屏的散热能力和压力传感器的耐高温能力，有效避免了高导热率保护屏和压力传感器因温度过高损坏，使得压力传感器可以在较高的环境温度下进行测试，便于获得较高的压力频响。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明：
图1为本发明提供的高超声速飞行试验高频脉动压力测试装置的压力传感器为压阻式压力传感器的剖面结构示意图；
图2为本发明提供的高超声速飞行试验高频脉动压力测试装置的压力传感器为压电式压力传感器的剖面结构示意图；
图3为对本发明提供的高超声速飞行试验高频脉动压力测试装置的防热效果进行分析的结果图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
如图1-2所示：本发明的一种高超声速飞行试验高频脉动压力测试装置，包括：
飞行器，其上设置有飞行器防热层1，所述飞行器防热层1中开设有第一安装腔101；
温控热沉体2，其前端固定设置在所述第一安装腔101中，所述温控热沉体2中开设有第二安装腔201；
压力传感器3，其安装在所述温控热沉体2的第二安装腔201中；所述温控热沉体2上固定设置有高导热率保护屏4，所述高导热率保护屏4与压力传感器3的感应面301之间预留有间隙；所述高导热率保护屏4上开设有多个引压孔401。
工作原理：如图1和图2所示，图中箭头所示为当地脉动压力，压力传感器3的感应面301受到脉动压力作用，能够获得相应的电信号输出，通过相关引出导线可以将电信号引出，利用标定所得变换系数，换算得到脉动压力测试值；如图1和图2所示的高超声速飞行试验高频脉动压力测试装置，图1中的压力传感器为压阻式压力传感器，图2所示的压力传感器为压电式压力传感器，本具体实施方式列举了压阻式压力传感器和压电式压力传感器可采用本测试装置的方案设计，本发明测试装置的方案同样适用于其它种类的压力传感器；高导热率保护屏4用于将测试环境与压力传感器3的感应面301隔离，防止机械损伤和减少杂波；同时本发明采用高导热率保护屏4可以有效增强保护屏的散热能力，有效保护压力传感器3不至于超温损坏；这是由于高导热率保护屏4具有很好的导热能力，再结合温控热沉体2的设置使得高导热率保护屏4的热量可以传递至温控热沉体2，进一步增强了高导热率保护屏4的散热能力，在外界热载荷很大时，高导热率保护屏4仍能维持正常的工作温度，进而使测试装置和压力传感器3不超过适用温度；测试装置处于较高的温度情况时，且温度在适用范围内，由于谐振腔的谐振频率与当地音速成正比，即当地音速会提高压力传感器脉动压力测试的有效测试频响，而温度越高当地音速也越高，因此本发明通过设置高导热率保护屏和温控热沉体更利于获得较高的压力频响，谐振腔是指高导热率保护屏与压力传感器感应面之间预留的间隙以及引压孔401所构成的空间。引压孔401用于将高导热率保护屏1外表面测试位置与压力传感器3的感应面连通，使得压力传感器3的感应面301所测压力与高导热率保护屏4外表面测试位置的压力一致。高导热率保护屏4与压力传感器3的感应面301不接触，避免影响压力传感器3的脉动压力测试结果。高导热率保护屏4、温控热沉体2、压力传感器3之间的连接尺寸，具体位置关系可以根据飞行试验热载荷进行优化，使测试装置和压力传感器不超过适用温度。通过改变高导热率保护屏厚度，引压孔数量、尺寸与位置，以及压力传感器与高导热率保护屏之间的距离，可以对测试装置的使用压力频响进行调整。一般可以通过谐振频响分析进行优化，通过校准激波管等动态压力校准装置验证优化设计的结果。
在上述技术方案中，所述高导热率保护屏4的材质为铜、银、镍、铝、金高导热率金属中的一种，或石墨、石墨烯高导热率非金属中的一种；所述温控热沉体2的材质为铜、铝、银、镍、金中的一种。
在上述技术方案中，所述高导热率保护屏4的材质为铜、银、镍、铝、金中的一种，且在高导热率保护屏4表面设置有一层石墨薄膜或石墨烯薄膜。在铜、银、镍或铝质的高导热率保护屏表面设置石墨薄膜或石墨烯薄膜，进一步提高了高导热率保护屏4的散热能力，高导热率保护屏4对压力传感器的温控保护效果更好。
在上述技术方案中，所述温控热沉体2表面与飞行器防热层1之间设置有隔热层5，所述隔热层5为热障涂层或隔热材料层。隔热层5用于防止飞行器防热层1向测试装置、压力传感器3传递热量，避免影响压力传感器3的测试结果。
在上述技术方案中，所述压力传感器3通过螺纹连接或胶水粘接的方式固定设置在温控热沉体2的第二安装腔201中。
在上述技术方案中，所述引压孔401环绕高导热率保护屏4的中心设置，或在高导热率保护屏4表面均匀设置。
在上述技术方案中，所述隔热层5与飞行器防热层1之间预留有装配间隙，便于将温控热沉体2装配在飞行器防热层1中，飞行器防热层1与温控热沉体2的连接方式可为螺纹连接、胶水粘接或者两种连接方式相结合。
在上述技术方案中，所述高导热率保护屏4可通过整体加工一体成型设置在温控热沉体2上，也可通过焊接或螺纹连接与温控热沉体实现固定连接，图1和图2所示的高导热率保护屏4与温控热沉体2为整体加工。
利用有限元分析对本发明提供的高超声速飞行试验高频脉动压力测试装置的防热效果进行了分析，分析结果见图3；图3中横坐标为测试时间，纵坐标为保护屏的上升温度，其中曲线a为原设计使用不锈钢材质作为保护屏的测试温度变化曲线，曲线b为本发明高导热率保护屏采用紫铜材质的测试温度变化曲线，曲线c为本发明高导热率保护屏采用银材质的测试温度变化曲线；从模拟结果可以看出：在相同的热载荷输入下，原设计保护屏的温升最高，超过了450℃；而本发明改进的高导热率保护屏的温升有了明显下降，最高温度只有约150℃。
利用校准激波管对本发明的压力频响特性进行了标定，所测结果表明本发明适用其频响能力与带保护屏的压力传感器频响相似，本发明提供的高超声速飞行试验脉动压力测试装置能够获得超过100kHz的脉动压力测试能力。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (8)
1.一种高超声速飞行试验高频脉动压力测试装置，其特征在于，包括：
飞行器，其上设置有飞行器防热层，所述飞行器防热层中开设有第一安装腔；
温控热沉体，其前端固定设置在所述第一安装腔中，所述温控热沉体中开设有第二安装腔；
压力传感器，其安装在所述温控热沉体的第二安装腔中；所述温控热沉体上固定设置有高导热率保护屏，所述高导热率保护屏与压力传感器的感应面之间预留有间隙；所述高导热率保护屏上开设有多个引压孔。
2.如权利要求1所述的高超声速飞行试验高频脉动压力测试装置，其特征在于，所述高导热率保护屏的材质为铜、银、镍、铝、金高导热率金属中的一种，或石墨、石墨烯高导热率非金属中的一种；所述温控热沉体的材质为铜、铝、银、镍、金高导热率金属中的一种。
3.如权利要求1所述的高超声速飞行试验高频脉动压力测试装置，其特征在于，所述高导热率保护屏的材质为铜、银、镍、铝、金中的一种，且在高导热率保护屏表面设置有一层石墨薄膜或石墨烯薄膜。
4.如权利要求1所述的高超声速飞行试验高频脉动压力测试装置，其特征在于，所述温控热沉体表面与飞行器防热层之间设置有隔热层，所述隔热层为热障涂层或隔热材料层。
5.如权利要求1所述的高超声速飞行试验高频脉动压力测试装置，其特征在于，所述压力传感器通过螺纹连接或胶水粘接的方式固定设置在温控热沉体的第二安装腔中。
6.如权利要求1所述的高超声速飞行试验高频脉动压力测试装置，其特征在于，所述引压孔环绕高导热率保护屏的中心设置，或在高导热率保护屏表面均匀设置。
7.如权利要求4所述的高超声速飞行试验高频脉动压力测试装置，其特征在于，所述隔热层与飞行器防热层之间预留有装配间隙。
8.如权利要求1所述的高超声速飞行试验高频脉动压力测试装置，其特征在于，所述高导热率保护屏可通过整体加工一体成型设置在温控热沉体上，也可通过焊接或螺纹连接与温控热沉体实现固定连接。
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