CN114235220A - 一种电缆罩表面热流密度和压力测量装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电缆罩表面热流密度和压力测量装置及其使用方法，其结构包括弧面凸起探头、支架和底板，所述弧面凸起探头、所述支架和所述底板依次连接形成密闭壳体；所述弧面凸起探头上表面的弧面与设置电缆罩的飞行器弧面一致，所述弧面凸起探头上开设有多个用于连接热流传感器或压力传感器的连接孔；所述底板开有走线孔，所述热流传感器和所述压力传感器的尾线穿过所述走线孔连接外部测试设备。本发明解决了风洞试验中电缆罩表面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
技术领域
本发明涉及航天飞行器地面气动热试验技术领域，尤其是涉及一种电缆罩表面热流密度和压力测量装置及其使用方法。
背景技术
为了解决飞行器电缆罩的防热问题，需要对电缆罩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。电缆罩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电缆罩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进行测量，目前还没有专门针对电缆罩外形的测量装置，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电缆罩外形的测量装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电缆罩表面热流密度和压力测量装置及其使用方法，解决了电缆罩防热材料考核试验中电缆罩表面冷壁热流密度和压力测量问题。
根据本发明的一个目的，本发明提供一种电缆罩表面热流密度和压力测量装置，包括弧面凸起探头、支架和底板，所述弧面凸起探头、所述支架和所述底板依次连接形成密闭壳体；
所述弧面凸起探头上表面的弧面与设置电缆罩的飞行器弧面一致，所述弧面凸起探头上开设有多个用于连接热流传感器或压力传感器的连接孔；所述底板开有走线孔，所述热流传感器和所述压力传感器的尾线穿过所述走线孔连接外部测试设备。
进一步地，所述连接孔包括多个用于安装所述热流传感器的热流测量孔和多个用于连接所述压力传感器的压力测量孔。
进一步地，所述压力测量孔内安装有测压紫铜管，所述测压紫铜管与所述压力传感器连接。
进一步地，所述热流传感器为塞式量热计，所述热流传感器包括紫铜柱塞量热块和热电偶，所述紫铜柱塞量热块为柱形结构，所述所述紫铜柱塞量热块安装在所述热流测量孔内。
进一步地，所述热流测量孔在所述弧面凸起探头上排列成四排，每排所述热流测量孔的数量均为三个。
进一步地，所述弧面凸起探头上开设有三个所述压力测量孔，三个所述压力测量孔均位于所述弧面凸起探头的对称中心线上。
进一步地，所述弧面凸起探头包括第一段弧面、凸起前斜坡和凸起顶面，三个所述压力测量孔分别位于所述第一段弧面、所述凸起前斜坡和所述凸起顶面上。
进一步地，所述底板通过螺钉安装在所述支架的底部，所述弧面凸起探头通过连接部与所述底板连接，所述连接部包括四个螺杆，所述螺杆的一端与所述弧面凸起探头的下表面连接，所述螺杆另一端与所述底板连接。
进一步地，所述支架上设有用于连接外部喷管的安装部，所述安装部包括固定轴和固定块，两个所述固定轴固定在所述支架的两侧，所述固定轴的两端分别固定有所述固定块。
根据本发明的另一个目的，本发明提供一种电缆罩表面热流密度和压力测量装置的使用方法，包括如下步骤：
S1，将十二个热流传感器的热电偶线与风洞温度采集箱连接，将三条测压紫铜管连接压力传感器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；
S2，状态调试时，首先测量出十二个热流测点△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电缆罩十二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：qcw为冷壁热流密度，单位：W/m2；Cp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；
S3，三个表面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。
本发明解决了电缆罩防热考核试验中电缆罩表面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，可重复使用的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例的使用示意图；
图3为本发明实施例的装配示意图；
图4为本发明实施例表面冷壁热流密度曲线；
图5为本发明实施例表面压力曲线；
图中，1、弧面凸起探头；2、支架；3、底板；4、热流传感器；5、热流测量孔；6、压力传感器；7、压力测量孔；8、螺杆；9、固定轴；10、固定块；11、走线孔；12、喷管。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等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，而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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，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。
实施例1
如图1和图2所示，一种电缆罩表面热流密度和压力测量装置，包括弧面凸起探头1、支架2和底板3；弧面凸起探头1、支架2、底板3依次连接形成密闭壳体；
弧面凸起探头1上表面的弧面与设置电缆罩的飞行器弧面保持一致；弧面凸起探头1开有多个连接孔，连接孔包括多个用于安装热流传感器4的热流测量孔5和多个用于连接压力传感器6的压力测量孔7。
支架2固定安装在外部喷管上，使喷管的气流方向平行于弧面凸起探头1的上表面；底板3上开设有走线孔11，多个热流传感器4和压力传感器6安装在弧面凸起探头1上，多个热流传感器4和压力传感器6的尾线穿过走线孔11连接外部测试设备。
弧面凸起探头1上布置有多个热流传感器4的热流测量孔5，多个的热流测量孔5在弧面凸起探头1排列成四排，每排热流测量孔的数量均为三个。弧面凸起探头1开有三个压力测量孔7，三个压力测量孔7均位于表面左右对称中心线上。
弧面凸起探头1通过连接部固定连接底板3，连接部包括4个螺杆8，螺杆8的一端连接弧面凸起探头1的下表面，螺杆8的另一端连接底板3。
支架2通过安装部固定在外部喷管上，安装部包括固定轴9和固定块10。固定轴9安装在支架2的两侧，整个测量装置通过固定轴9和固定块10固定在喷管上。
热流传感器4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6。热流传感器4的热电偶线和压力传感器6的尾线从底板2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2和图3所示，底板3通过十六个螺钉和底板固定孔13安装在支架2下面，弧面凸起探头1下面的螺杆8穿过底板3上的螺杆固定孔12后带上螺帽对弧面凸起探头1进行固定，固定轴9和固定块10配对安装在支架2上；十二个热流传感器4安装在上弧面凸起探头1上，呈“3-3-3-3”分布；三个压力传感器6测点分别位于第一段弧面、凸起前斜坡和凸起顶面左右对称中心线上。
本发明采用与飞行器电缆罩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12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6直接测得。
本实施例中，电缆罩表面热流密度和压力测量装置长度383mm，宽度360mm，高度97mm。弧面凸起探头1长300mm，宽300mm，高67mm，中间圆柱面外表面曲率半径为385mm。弧面凸起探头1下面连接四个螺杆8，螺杆8穿过底板3后带螺帽，以防止弧面凸起探头1在测量过程中掉落。
弧面凸起探头1上呈“3-3-3-3”分布安置十二个热流传感器4。热流传感器4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十二个热电偶测得，并通过计算得到电缆罩表面各个测点的冷壁热流密度。
弧面凸起探头1上安置三个压力测量孔7，三个压力测量孔7分别布置在第一段弧面、凸起前斜坡和凸起顶面左右对称中心线上；压力测量孔7后面焊接紫铜管并连接压力传感器6，弧面凸起探头1中压力传感器6选用量程为0-100KPa的压电传感器。
支架2长383mm，宽360mm，高57mm，材料选用20号钢，支架2后侧板表面与弧面凸起探头1表面保持一致，支架2两侧各开一个用于安装固定轴9的螺纹孔，支架2下面开十六个用于固定底板3的螺纹孔。
底板3长348mm，宽360mm，高10mm，材料选用玻璃钢，底板3上有一个直径为20mm的走线孔11，还有四个直径为8mm的螺杆固定孔12和十六个直径为8mm的底板固定孔13。
固定轴9长36mm，直径为10mm，材料选用304钢，数量为两个，分别安装在支架2两侧。
固定块10长40mm，宽16mm，高20mm，材料选用20号钢，开有一个直径为10mm和两个直径为20mm的孔，固定块10数量为两个，与固定轴9配对安装在支架2两侧。
测量原理如下：将十二个热流传感器4的热电偶线与风洞温度采集箱连接，将三条测压紫铜管连接压力传感器6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，首先测量出十二个热流测点△t时间内量热块底部温升△T，然后根据热流传感器4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电缆罩十二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：为冷壁热流密度，单位：W/m2；为紫铜比热，单位：J/(Kg·K)；为量热块质量，单位：Kg；为量热块受热面积，单位：m2；为量热块温升速率，单位：K/s。
电缆罩三个表面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电缆罩防热考核试验，通过该测量装置测到的电缆罩表面冷壁热流密度如图4所示，其中热流1至6为弧面上测点的热流值，热流7至9为凸块前斜坡上测点的热流值，热流10和12为凸块两侧面上测点的热流值，热流11位凸块顶面上测点的热流值。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(2.2s至3.0s)的平均值即可得到稳态时每个测点的热流值；测到的电缆罩表面压力如图5所示，其中表压1为弧面凸起探头1第一段弧面上测点的表压值，表压2为弧面凸起探头1凸起前斜坡面上测点的表压值，表压3为弧面凸起探头1凸起顶面上测点的表压值，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(3.6s)的数值即可得到稳态时每个测点的压力值。
本发明解决了电缆罩防热考核试验中电缆罩表面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。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种电缆罩表面热流密度和压力测量装置，其特征在于，包括弧面凸起探头、支架和底板，所述弧面凸起探头、所述支架和所述底板依次连接形成密闭壳体；
所述弧面凸起探头上表面的弧面与设置电缆罩的飞行器弧面一致，所述弧面凸起探头上开设有多个用于连接热流传感器或压力传感器的连接孔；所述底板开有走线孔，所述热流传感器和所述压力传感器的尾线穿过所述走线孔连接外部测试设备。
2.根据权利要求1所述的电缆罩表面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所述热流传感器的热流测量孔和多个用于连接所述压力传感器的压力测量孔。
3.根据权利要求2所述的电缆罩表面热流密度和压力测量装置，其特征在于，所述压力测量孔内安装有测压紫铜管，所述测压紫铜管与所述压力传感器连接。
4.根据权利要求2所述的电缆罩表面热流密度和压力测量装置，其特征在于，所述热流传感器为塞式量热计，所述热流传感器包括紫铜柱塞量热块和热电偶，所述紫铜柱塞量热块为柱形结构，所述所述紫铜柱塞量热块安装在所述热流测量孔内。
5.根据权利要求2所述的电缆罩表面热流密度和压力测量装置，其特征在于，所述热流测量孔在所述弧面凸起探头上排列成四排，每排所述热流测量孔的数量均为三个。
6.根据权利要求2所述的电缆罩表面热流密度和压力测量装置，其特征在于，所述弧面凸起探头上开设有三个所述压力测量孔，三个所述压力测量孔均位于所述弧面凸起探头的对称中心线上。
7.根据权利要求1所述的电缆罩表面热流密度和压力测量装置，其特征在于，所述弧面凸起探头包括第一段弧面、凸起前斜坡和凸起顶面，三个所述压力测量孔分别位于所述第一段弧面、所述凸起前斜坡和所述凸起顶面上。
8.根据权利要求1所述的电缆罩表面热流密度和压力测量装置，其特征在于，所述底板通过螺钉安装在所述支架的底部，所述弧面凸起探头通过连接部与所述底板连接，所述连接部包括四个螺杆，所述螺杆的一端与所述弧面凸起探头的下表面连接，所述螺杆另一端与所述底板连接。
9.根据权利要求8所述的电缆罩表面热流密度和压力测量装置，其特征在于，所述支架上设有用于连接外部喷管的安装部，所述安装部包括固定轴和固定块，两个所述固定轴固定在所述支架的两侧，所述固定轴的两端分别固定有所述固定块。
10.一种电缆罩表面热流密度和压力测量装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，将十二个热流传感器的热电偶线与风洞温度采集箱连接，将三条测压紫铜管连接压力传感器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；
S2，状态调试时，首先测量出十二个热流测点△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电缆罩十二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：qcw为冷壁热流密度，单位：W/m2；Cp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；
S3，三个表面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。
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