CN113640203B - 一种多参数复杂极端环境模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多参数复杂极端环境模拟装置，包括环境模拟装置底座，底座上设有外壳，外壳顶部通过上盖密封，上盖中央设有内部压力、气流速控制端口；外壳下部周向均布有一圈热防护表面模拟轮盘旋转控制器，每个轮盘旋转控制器驱动位于外壳内壁上的驱动轮旋转，则位于一圈的驱动轮上支撑有可替换的热防护表面模拟旋转轮盘，旋转轮盘的表面均布有若干可调节火焰喷枪出射孔，每个火焰喷枪出射孔连接有火焰喷枪；外壳底部位于热防护表面模拟旋转轮盘上方设有内部气体组分控制端口。本发明结构简单且易操作，实现在实验室环境等有限环境中构建一个满足不同场景需求、多参数可控的小型复杂极端环境，为复杂极端环境提供具有一定置信度的被测实验对象。

Description

一种多参数复杂极端环境模拟装置

技术领域

本发明涉及复杂环境模拟与电气控制领域，尤其涉及多参数极端环境模拟技术，具体为一种多参数复杂极端环境模拟装置。

背景技术

高超声速飞行器在航空航天、军事国防领域极为重要的战略意义与应用价值，使其成为各国“空天领域”研究、军备武器制造与国防力量竞争的焦点。高超声速飞行器热防护表面在服役过程中长期处于高热流影响下的极端高温、高压、高冲击等复杂环境，对其热防护表面性能、可靠性与健康状况测试提出了更高要求。高效、高置信度、无损、经济的高超声速热防护表面温度、压力、流速、气体组分与表面形貌等多参数的测试方法，将大大推动高超声速飞行器表面热防护技术的发展，为我国航空事业的发展助力。但目前，现有测试方法中多通过计算流体力学等计算手段进行前期数值模拟仿真，仿真结果趋于理想化，很难准确描述多物理场影响下的复杂极端环境中各参数的具体变化，对各参数信息要求过于苛刻，难以在真实场景中复现；而实场景测试环境中，有大量环境干扰因素，极大的影响测试结果的准确性，且将耗费巨大的人力、物力成本，很大程度上降低了研究效率，限制了诸如高超声速飞行器表面等多物理场共同作用下的极端环境中多参数信息的探测，制约了高超声速飞行器表面热防护技术的发展。

基于上述背景，亟需一种能够模拟、重建如高超声速飞行热防护表面等多参数复杂极端环境的模拟装置。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明目的是提供一种多参数复杂极端环境模拟装置，装置结构简单、操作方便，且系统具有经济成本低、测试效率高等特点，能够在实验室场景下实现对多参数相互影响下的复杂极端环境进行模拟重构。

本发明采用如下的技术方案实现：

一种多参数复杂极端环境模拟装置，包括环境模拟装置底座，所述环境模拟装置底座上设有外壳，所述外壳顶部通过上盖密封，所述上盖中央设有内部压力、气流速控制端口；所述外壳下部周向均布有一圈热防护表面模拟轮盘旋转控制器，每个热防护表面模拟轮盘旋转控制器驱动位于外壳内壁上的驱动轮旋转，则位于一圈的驱动轮上支撑有可替换的热防护表面模拟旋转轮盘，所述热防护表面模拟旋转轮盘的表面均布有若干可调节火焰喷枪出射孔，每个可调节火焰喷枪出射孔连接有火焰喷枪；所述外壳底部位于热防护表面模拟旋转轮盘上方设有内部气体组分控制端口；所述外壳上部同一横截面上呈120度布置三组透镜和面阵光电探测器，每组透镜和面阵光电探测器对应构成一路光路探测；每个透镜的入射光来自于相应的可调谐半导体激光控制终端。

所述环境模拟装置底座上设有终端控制器，所述面阵光电探测器输出信息至终端控制器，所述终端控制器内设有多参数控制模块和探测与控制模块，所述多参数控制模块包括温度控制模块、压力控制模块、流速控制模块、气体组分控制模块、表面形貌控制模块，所述探测与控制模块包括数据处理模块、数据存储模块、对抗学习模块、模拟转盘控制模块、激光器探测器控制模块。

所述终端控制器连接上位机。

本发明具体工作如下：

第一方面，多参数复杂极端环境模拟装置的机械结构由如下方式组成：

环境模拟装置底座预设有可供环境模拟装置外壳固定的插槽，热防护表面模拟轮盘旋转控制器固定在环境模拟装置外壳外壁上，外壁上预设配套线槽，能够固定、排布热防护表面模拟轮盘旋转控制器与多参数复杂极端环境模拟装置终端控制器控制连接线，减小干扰；可替换的热防护表面模拟旋转轮盘搭载在环境模拟装置外壳内壁的支撑架上，通过底部的驱动轮驱动进行往复旋转运动，驱动轮通过外壁上的热防护表面模拟轮盘旋转控制器进行驱动；环境模拟装置外壳边沿上设有排气、排压控制端口与环境模拟装置内部气体组分控制端口，通过与上方固定的环境模拟装置上盖上设有的环境模拟装置内部压力、气流速控制端口进行配合，能够改变模拟装置内部的压力、气流速、气体组分等环境因子；特别地，为实现表面形貌的探测，通过管控可调节火焰喷枪出射孔开合(即火焰喷枪喷出火焰的大小及开关)改变模拟装置内部温度场分布模拟不同表面形貌。

第二方面，应用于该多参数复杂极端环境模拟装置的环境模拟方法如下：首先通过火焰喷枪提供高温极端环境，通过热防护表面模拟轮盘旋转，提供不同的高温极端环境；通过内部压力、气流速控制端口通入不同的气体组分；通过内部压力、气流速控制端口抽出高温气体，改变流速；通过不同的火焰喷枪的火焰大小及是否喷出火焰，调节不同的温度环境。最后，可调谐半导体激光控制终端发射激光后通过透镜经过该高温复杂环境后由面阵光电探测器吸收，转换成图像后输入终端控制器，然后利用多参数控制模块基于现有的分子吸收光谱中的TDLAS技术，通过测量模拟多参数复杂极端环境中气体特性吸收谱线反演气体温度、压力、流速与组分等重要参数信息；探测与控制模块进行数据处理，并控制可调谐半导体激光控制终端和热防护表面模拟轮盘旋转控制器。

结合第一方面，本发明针对多参数复杂极端环境模拟装置提供了两种环境模拟方法，方法一为手动环境模拟，通过手动调整复杂极端环境中的各项参数，包括温度、压力、流速、气体组分以及形貌等，用以实现不同复杂极端环境的模拟；方法二为对抗环境模拟，通过所述的多参数复杂极端环境模拟装置与多参数复杂极端环境探测装置之间构建对抗网络进行博弈，用以训练、优化多参数复杂极端环境探测装置针对不同环境的适应能力。

结合方法一，依据实际需求场景，如高超声速飞行器热防护表面、航空航天发动机燃烧室等，调整模拟环境中的温度范围、压力指标、流体特性与形貌特征等，形成一个满足实验需求尺寸的三维多参数复杂极端环境区域，探索多参数复杂极端环境的稳定控制方法，构建并优化多物理场影响下的模拟环境；依据所述的相关模型，搭建多参数复杂极端环境模拟装置。

结合方法二，基于多参数复杂极端环境模拟装置与多参数复杂环境探测装置相互博弈的思想，生成对抗网络。其中，多参数复杂极端环境模拟装置能够进行参数动态调整，模拟生成不同种类的复杂极端环境，驱动多参数复杂极端环境探测装置进行探测诊断，通过环境探测装置的信号反馈，调整环境模拟装置相关模拟参数，用以训练所述多参数极端环境探测装置学习、适应不同情景下的复杂极端环境。

本发明所述的多参数复杂极端环境模拟装置，其有益效果主要体现在以下几个方面：

1、本发明提供的多参数复杂极端环境模拟装置，能够在实验室场景下构建多种满足实际复杂极端环境需要、具有一定规模的多参数复杂极端物理场，为多参数影响下的复杂极端环境测试提供具有一定置信度的被测实验对象。

2、本发明提供的多参数复杂极端环境模拟方法考虑手动调整与自动对抗两种方式，能够实现灵活、方便的模拟多种不同的复杂极端环境，也能够有针对性自动调整环境参数信息，优化探测模型。

3、本发明提供的多参数复杂极端环境模拟装置，在实验室条件下搭建了类实际高温极端环境，同时考虑多种影响复杂极端环境因子，如温度、压力、气流速、气体组分与表面形貌等，为实现实验室场景下进行高超声速飞行器热防护表面高温场探测提供了硬件条件，降低了测试诊断成本、提升了技术研究效率。相较于现有的计算机数值模拟技术与实地测试技术，本发明不局限于理论计算，更加贴近真实场景。

本发明设计合理、结构简单且易操作，实现在实验室环境等有限环境中构建一个满足不同场景需求、多参数可控的小型复杂极端环境，为复杂极端环境提供具有一定置信度的被测实验对象，具有很好的实际应用价值。

附图说明

图1表本发明所述的多参数复杂极端环境模拟装置中终端控制器结构示意图。

图2表示本发明所述的多参数复杂极端环境模拟装置整体示意图。

图2a表示本发明所述的多参数复杂极端环境模拟装置中表面形貌转盘结构示意图。

图3表示本发明所述的多参数复杂极端环境模拟装置中光路探测示意图。

图4表示应用于本发明所述装置的多参数复杂极端环境模拟手动控制方法流程图。

图5表示应用于本发明所述装置的多参数复杂极端环境模拟对抗学习方法流程图。

图中：1-可调谐半导体激光控制终端，2-透镜(锥形光)，3-(环境模拟装置)上盖，4-(环境模拟装置)内部压力、气流速控制端口，5-(环境模拟装置)外壳，6-面阵光电探测器，7-热防护表面模拟轮盘旋转控制器，8-(多参数复杂极端环境模拟装置)终端控制器，9-环境模拟装置底座，10-可替换的热防护表面模拟旋转轮盘，11-(环境模拟装置)内部气体组分控制端口，12-可调节火焰喷枪出射孔。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加清晰易懂，下文特选取较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

一种多参数复杂极端环境模拟装置，主要部件包括环境模拟装置上盖3，环境模拟装置内部压力、气流速控制端口4，环境模拟装置外壳5，热防护表面模拟轮盘旋转控制器7，多参数复杂极端环境模拟装置终端控制器8，环境模拟装置底座9，可替换的热防护表面模拟旋转轮盘10，环境模拟装置内部气体组分控制端口11，可调节火焰喷枪出射孔12。

如图2所示，包括环境模拟装置底座9，环境模拟装置底座9上设有外壳5，外壳5顶部通过上盖3密封，上盖3中央设有内部压力、气流速控制端口4；外壳5下部周向均布有一圈热防护表面模拟轮盘旋转控制器7，每个热防护表面模拟轮盘旋转控制器7驱动位于外壳5内壁上的驱动轮旋转，则位于一圈的驱动轮上支撑有可替换的热防护表面模拟旋转轮盘10，热防护表面模拟旋转轮盘10的表面均布有若干可调节火焰喷枪出射孔12(如图2a所示)，每个可调节火焰喷枪出射孔12连接有火焰喷枪；外壳5底部位于热防护表面模拟旋转轮盘10上方设有内部气体组分控制端口11；如图3所示，外壳5上部同一横截面上呈120度布置三组透镜2和面阵光电探测器6，每组透镜2和面阵光电探测器6对应构成一路光路探测；每个透镜2的入射光来自于相应的可调谐半导体激光控制终端1。

如图2所示，环境模拟装置底座9上设有终端控制器8，面阵光电探测器6输出信息至终端控制器8，终端控制器8内设有多参数控制模块和探测与控制模块，所述多参数控制模块包括温度控制模块、压力控制模块、流速控制模块、气体组分控制模块、表面形貌控制模块，所述探测与控制模块包括数据处理模块、数据存储模块、对抗学习模块、模拟转盘控制模块、激光器探测器控制模块。终端控制器8连接上位机，模拟装置终端控制器可以采用ZYNQ主控制器。

上述多参数复杂极端环境模拟装置，系统结构简单、易于操作，具有低耦合、高可移植性与高可拓展性等特点，能够实现多种不同参数影响下的复杂极端环境模拟，为超高声速飞行器热防护表面、航空航天发动机燃烧室以及高温锅炉等复杂极端环境探测提供了一种低成本、高效率的环境模拟方式，为实现此类复杂极端环境中温度、压力、流速、气体组分与表征形貌等重要参数的探测提供了技术支撑与环境基础。

具体实施时，首先操作人员通过上位机与装置所搭载的终端控制器进行信息交互，控制装置的多参数控制模块，进行温度、压力、流速、气体组分与表面形貌的调整，实现多种不同复杂极端环境的模拟；另一方面，终端控制器通过和探测与控制模块进行交互，实现复杂极端环境中多参数的缓存与处理，利用激光器控制器控制模块对激光器、探测器进行控制，实现可变步频的波长优化调制，对探测场进行优化探测，并将参数设置信息与探测信息进行对抗博弈，建立能够应用于真实场景环境-探测优化模型。

具体实施时，多参数复杂极端环境模拟装置中，环境模拟装置底座9预设有可供环境模拟装置外壳5固定的插槽，热防护表面模拟轮盘旋转控制器7固定在环境模拟装置外壳5外壁上，外壁上预设配套线槽，能够固定、排布所述的热防护表面模拟轮盘旋转控制器7与多参数复杂极端环境模拟装置终端控制器8控制连接线，减小干扰；可替换的热防护表面模拟旋转轮盘10搭载在所述的环境模拟装置外壳5内壁的支撑架上，通过底部的驱动轮进行往复旋转运动，驱动轮通过外壁上的热防护表面模拟轮盘旋转控制器7进行驱动，控制转盘往复旋转，需要说明的是，本发明主要针对静态与准静态环境进行模拟，待测场内各参数时间不敏感，通过控制热防护表面模拟旋转轮盘10进行低速往复旋转获取不同角度的探测数据，可以认为是同一状态信息，从而进行多参数场的反演与重建；环境模拟装置外壳5边沿上设有环境模拟装置内部气体组分控制端口11，通过与上方固定的所述的环境模拟装置上盖3上设有的所述的环境模拟装置内部压力、气流速控制端口4进行配合，能够改变模拟装置内部的压力、气流速、气体组分等环境因子；另外，为实现表面形貌的探测，通过将多个外部火焰喷射装置固定在模拟装置上，通过管控可调节火焰喷枪出射孔12开合，用以改变模拟装置内部多参数温度场分布以及模拟不同表面形貌。

应用于本发明装置的方法则是基于分子吸收光谱中的TDLAS技术，通过测量模拟多参数复杂极端环境中气体特性吸收谱线反演气体温度、压力、流速与组分等重要参数信息，其理论基础是朗博-比尔定律(Lambert-Beer Law)。

当激光穿过气体分子时，若激光频率与气体吸收谱线频率相重合，则气体会吸收一部分光强，导致出射光强发生衰减。将激光频率记为v，入射光强记为I₀，出射光强记为I_t，则两者之前的关系遵循朗博-比尔定律：

其中为频率τ(v)为频率v(cm^-1)下激光透射系数，L(cm)为吸收光程，P(atm)为气体压强，X为吸收组分摩尔浓度，P(x)则为吸收组分的组分分压，T(x)为待测气体温度，α(v)为吸收系数。φ(v)为吸收谱线线型函数，其满足归一化条件：∫φ(v)dv＝1。

式中，S[T(x)](cm^-2atm^-1)为吸收谱线强度，它是吸收谱线的特有参数，同时也是温度的单值函数，任意温度下吸收线强度可以表示为：

其中，S(T₀)是参考温度T₀下吸收谱线强度，h为普朗克常量，c为光速，k为玻尔兹曼常数，E″为吸收谱线低能级能量。Q(T)是气体分子的配分函数，它反映了温度T下处于吸收低能级上粒子总数占总粒子数的比例，可由相应的光谱数据库获取。

为了便于对本发明装置采用的TDLAS吸收光谱法进行理解，以直接吸收光谱法与温度测量方法为例，对所述的吸收光谱极端复杂环境多参数采集方法进行详细解释。

本发明实例中，通过调节所述的可调谐半导体激光控制终端，生成周期性的锯齿波加载在激光器上，同时调节激光器工作温度使得产生的激光波长在所选择吸收谱线附近，穿过由所述的环境模拟装置外壳构成的待测环境，通过基线拟合、吸收线性拟合后能够直接得到吸收强度，即可通过该方法获取所述的各参数信息。

根据朗博-比尔定律，将公式(1)带入，穿过待测场后吸收谱线的积分吸收率为：

式中，α_i为积分吸收系数。当待测场为均匀流场时，上式可简化为：

A_i＝P·X·S(T)·L (4)

由式(4)可知，通过直接吸收光谱法获得的积分吸收率是流场温度及吸收组分、压力的函数，可通过测量的积分吸收率强度求取上述流场信息。以双线测量法为例，即通过同一吸收组分的两条不同吸收谱线来计算待测场温度、组分等信息。由式(1)可知，两条吸收谱线的积分吸收率之比是温度的单值函数，因此根据测量到的两条吸收谱线积分吸收率即计算流场温度：

得到待测场温度后，将温度带入式(4)即可求得待测组分的组分分压：

当流场压力已知或使用其他方式测量后，即可实现对复杂极端环境中多种参数信息进行获取。

进一步的，为便于对本实施例所提供的两种方法进行理解，本发明提供了一种多参数复杂极端环境模拟手动控制方法的控制流程图，参见图4；本发明还提供了一种多参数复杂极端环境模拟对抗学习方法的对抗学习示意图，参见图5。

其中，一种多参数复杂极端环境模拟手动控制方法的过程包括：首先，针对多参数复杂极端环境需要，对温度、压力、气流速、气体组分以及表面形貌等环境模拟因子进行初始化，判断是否进行多通道采样，若不进行多通道数据采集，则驱动模拟转盘转动，实现多角度探测，反之不驱动；其次，判断是否针对模拟环境场景下多种参数进行调节，通过控制环境关键模拟因子，实现多种环境的模拟；接着，通过调整模拟转盘上出射孔的开合，调整环境表面形貌，为环境表面形貌探测与探伤诊断提供技术支撑；最后，由上位机控制是否进行多册模拟测试，若不进行，则结束。

一种多参数复杂极端环境模拟对抗学习方法，将现有的深度学习方法与激光吸收光谱探测技术进行结合，其详细过程包括：首先，与手动模式一致，针对多参数复杂极端环境需要，对温度、压力、气流速、气体组分以及表面形貌等环境模拟因子进行初始化，判断是否进行多通道采样，若不进行多通道数据采集，则驱动模拟转盘转动，实现多角度探测，反之不驱动；接着，在预设值的基础上，进行随机动态调制，随机调整环境参数信息；接着，针对所述的光电探测系统，进行动态可调激光波长宽幅调制，将获取到的光电探测信号与所设阈值进行比较，若探测信号灵敏度低于阈值，则表明可调谐激光波长调制范围需要进一步提高，再次进行波长调制，直至探测信号超出阈值信号，随即将模拟环境多参数信息进行记录与缓存，当数据缓冲器缓存一定数据时，将数据传输至上位机，结合已有的深度学习生成对抗网络进行数据处理，生成多参数复杂极端环境与光电探测系统的对抗模型；通过多次学习，进行模型优化，能够针对不同种环境，自动预设出动态探测的优化参数信息，并应用于真实场景的探测。

总之，通过环境模拟装置实现温度、压力、气流速、气体组分以及表面形貌等复杂极端环境关键参数的模拟，配合提供的手动控制与自动对抗两种环境模拟方法，满足手动调整复杂极端环境中的各项参数模拟多种复杂极端环境与生成复杂极端环境探测对抗学习模型的需要。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明专利的具体实施方式，用以说明本发明专利的技术方案，而非对其限制，本发明专利的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明专利进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使响应技术方案的本质脱离本发明专利实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。因此，本发明专利的保护范围以所述权利要求的范围为准。

Claims (1)

1.一种多参数复杂极端环境模拟装置，其特征在于：包括环境模拟装置底座（9），所述环境模拟装置底座（9）上设有外壳（5），所述外壳（5）顶部通过上盖（3）密封，所述上盖（3）中央设有内部压力、气流速控制端口（4）；所述外壳（5）下部周向均布有一圈热防护表面模拟轮盘旋转控制器（7），每个热防护表面模拟轮盘旋转控制器（7）驱动位于外壳（5）内壁上的驱动轮旋转，位于一圈的驱动轮上支撑有可替换的热防护表面模拟旋转轮盘（10），所述热防护表面模拟旋转轮盘（10）的表面均布有若干可调节火焰喷枪出射孔（12），每个可调节火焰喷枪出射孔（12）连接有火焰喷枪，通过管控可调节火焰喷枪出射孔（12）开合，用以改变模拟装置内部多参数温度场分布以及模拟不同表面形貌；所述外壳（5）底部位于热防护表面模拟旋转轮盘（10）上方设有内部气体组分控制端口（11）；所述外壳（5）上部同一横截面上呈120度布置三组透镜（2）和面阵光电探测器（6），每组透镜（2）和面阵光电探测器（6）对应构成一路光路探测，基于分子吸收光谱中的TDLAS技术，通过测量模拟多参数复杂极端环境中气体特性吸收谱线反演气体温度、压力、流速与组分；每个透镜（2）的入射光来自于相应的可调谐半导体激光控制终端（1）；

所述环境模拟装置底座（9）上设有终端控制器（8），所述面阵光电探测器（6）输出信息至终端控制器（8），所述终端控制器（8）内设有多参数控制模块和探测与控制模块，所述多参数控制模块包括温度控制模块、压力控制模块、流速控制模块、气体组分控制模块、表面形貌控制模块，所述探测与控制模块包括数据处理模块、数据存储模块、对抗学习模块、模拟转盘控制模块、激光器探测器控制模块；

所述终端控制器（8）连接上位机；终端控制器通过和探测与控制模块进行交互，实现复杂极端环境中多参数的缓存与处理，利用激光器探测器控制模块对激光器、探测器进行控制，实现可变步频的波长优化调制，对探测场进行优化探测，并将参数设置信息与探测信息进行对抗博弈，建立能够应用于真实场景环境-探测优化模型。