CN114659677A - 空天飞机测试实验用圆箔式热流传感器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了空天飞机测试实验用圆箔式热流传感器及其设计方法，涉及飞机测试技术领域，圆箔式热流传感器包括铜水冷管、嵌设在铜水冷管表面的若干个热流感应接头，铜水冷管包括相对转动连接的内管和外管，热流感应接头包括外壳、套设在外壳内部的铜热沉，位于铜热沉顶部的康铜圆箔。设计方法包括以下步骤：S1、电动势公式建立；S2、导热微分方程建立；S3、稳态下的热流密度公式建立；S4、热流密度公式简化；S5、铜水冷管外径及康铜圆箔半径确定；S6、响应时间确定。本发明的圆箔式热流传感器实现了快速降温，保证了热流密度测量的准确性，同时在空天飞机测试实验中经常需要多个不同角度的热源。

Description

空天飞机测试实验用圆箔式热流传感器及其设计方法

技术领域

本发明涉及飞机测试技术领域，具体是涉及一种空天飞机测试实验用圆箔式热流传感器及其设计方法。

背景技术

飞行器是民用飞机、空天飞机、导弹、无人机等的总称，随着航空航天技术的发展，现阶段飞行器速度有了显著提升，同时气动热作用在飞行器表面对材料和结构的可靠性也提出挑战。为考核飞机结构部件在飞行过程中的可靠性，地面热强度试验以飞行弹道为基础，模拟飞机结构部件的受热环境，这就需要用到各种热流传感器。

热流传感器作为热流密度测量元件，与飞机结构部件同处于热场环境中，甚至面临更严酷的辐射加热环境，在气动热试验与热防护试验中，热流传感器对于提高热流密度测量结果的精确度和可靠性至关重要，同时热流传感器也规范了热流密度的测量方式，因此需要热流传感器具有极强的环境适应力，兼具更好的水冷散热效果，而一般的提高耐热性及散热性的手段往往会使热流传感器的体积外形增大、响应时间延长，从而在一定程度上增加了辐射加热的效果，也就增加了试验结果存在误差的可能性。因此，需要在保证热流传感器的耐热散热性能的前提下，需要对热流传感器的结构外形进行优化。

专利CN101403638B公开了一种带温度补偿的热流传感器，该装置包括一个表面涂黑的康铜圆箔片和热沉体，热沉体为内部中空的圆柱体，其材料为无氧铜，康铜圆箔片设在热沉体的上面并且外周与热沉体焊接，在康铜圆箔片的背面中心处引出一根材料为无氧铜的康铜箔片引线，在热沉体的上引一根热沉体导线。其中，热沉体导线的材料为与康铜箔片相同的康铜材料。该发明中热沉体的引线材料与康铜箔片的材料相同，热沉体与引线之间的电势V3的存在补偿了由于测量过程中热沉体升温而引起的输出信号偏低，所以该热流传感器能够准确地测量热流密度，而且该装置设备简单，使用方便，应用广泛。但是，在航空航天飞机测试实验中极端高温条件下使用时可能存在一些安全隐患，且该传感器的散热效果也不理想。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供了空天飞机测试实验用圆箔式热流传感器及其设计方法。

本发明的技术方案是：

空天飞机测试实验用圆箔式热流传感器，包括铜水冷管、嵌设在所述铜水冷管表面的若干个热流感应接头，

所述铜水冷管包括相对转动连接的内管和外管，所述内管和外管之间密封隔水，内管中部顶壁设有第一滑槽，所述第一滑槽两侧的外管顶壁设有第二滑槽，外管中部顶壁嵌设有一个与所述第一滑槽滑动连接的热流感应接头，内管顶壁嵌设有若干个与所述第二滑槽一一对应滑动连接的热流感应接头；

所述热流感应接头包括外壳、套设在所述外壳内部的铜热沉，位于所述铜热沉顶部的康铜圆箔，铜热沉为内部中空的圆柱体，所述康铜圆箔通过一个圆环形的隔热基座与铜热沉密封连接，所述隔热基座顶部与外壳密封连接，隔热基座底部与铜热沉密封连接，隔热基座底部外端的凸块延伸至铜热沉与外壳之间形成的空隙中，铜热沉与外壳底部连接处设有隔热块，所述隔热块底部设有底板，康铜圆箔底部中心处设有一根贯穿所述底板的正极铜导线，铜热沉底部一侧设有一根贯穿底板的负极铜导线；

所述正极铜导线和负极铜导线延伸至所述铜水冷管内部并由铜水冷管前端设有的弧形接头内伸出。

进一步地，所述第二滑槽为2个且对称设置在所述第一滑槽两侧，通过第二滑槽的设置能够使其对应的热流感应接头相对转动，从而实现对不同角度热源的温度监测。

进一步地，所述第二滑槽与所述第一滑槽之间的所述外管顶部内壁设有导流槽，所述导流槽一端与所述铜水冷管内部连通，导流槽另一端与第二滑槽连通，导流槽用于将铜水冷管内部水流导流至第二滑槽内对热流感应接头的外壳降温，第二滑槽两侧的外管外壁均设有一个用于将第二滑槽内部积水排出的排水槽。

进一步地，所述铜热沉和外壳的材质均为纯铜，所述隔热基座和隔热块的材质均为隔热棉，所述底板的材质为不锈钢，铜热沉外壁设有螺旋上升的导水槽，所述正极铜导线和负极铜导线与底板的连接处均设有一个防水密封条。通过防水密封条的设置能够避免铜水冷管内部的水进入到铜热沉内部。

进一步地，所述隔热块底部两侧对称设置有进水口和出水口，所述进水口和出水口底部贯穿所述底板，进水口和出水口顶部对应铜热沉与外壳之间形成的空隙，通过进水口和出水口的设置能够使铜水冷管中的水进入铜热沉外壁对铜热沉和外壳进行降温，使铜热沉温度稳定，以提高热流密度测量的准确度。

进一步地，所述第二滑槽外部设有保护盖，所述保护盖与第二滑槽的各个内壁密封连接，当进行单一方向的温度监测时可以保护其他的热流感应接头。

进一步地，所述内管两端均设有盖板，位于前端的一个所述盖板中心处设有用于驱动内管转动的转动电机，所述转动电机下方的盖板外部设有出水管，位于后端的一个盖板中心处设有进水管，通过转动电机驱动盖板的转动。

本发明还公开了上述空天飞机测试实验用圆箔式热流传感器的设计方法，包括以下步骤：

S1、电动势公式建立

由温度差产生的热电动势E与传感器吸收热流密度q以及康铜圆箔的导热系数k有关，呈正比例，其关系如下式所示：

E=k×q

S2、导热微分方程建立

在圆箔式热流传感器处于均匀辐射换热情况下，得到导热微分方程：

初始边界条件为：

其中，d为康铜圆箔的厚度，单位为m；α为薄片材料热扩散系数，单位为m²/s；k为康铜圆箔的导热系数，单位为W/（m·K）；T_p为康铜圆箔边沿温度，单位为K；R为康铜圆箔的半径，单位为m；

S3、稳态下的热流密度公式建立

传感器处于稳态时，即

，k₀为康铜圆箔温度为T_p时的导热系数，K₁为每单位温升导热系数的变化率，则康铜圆箔的导热系数k随温度变化可表示为：

将上述稳态条件代入步骤S2中的导热微分方程可得：

其中，∆T为是康铜圆箔中心处与边缘处的温差，单位为K；

假设导热系数不随温度改变，即K₁=0，则可得出稳态下的热流密度公式：

S4、热流密度公式简化

在均匀辐射换热情况下，当康铜圆箔的中心处与边缘处的温差在200℃之内时，则步骤S3中得到的稳态下的热流密度公式可简化为：

根据国际标准定义圆箔式热流传感器的热流密度量程为传感器输出的热电动势为10mV时对应吸收的热流密度，因此根据上述简化后的热流密度公式可得出圆箔式热流传感器的热流密度量程

：

S5、铜水冷管外径及康铜圆箔半径确定

由于铜水冷管表面存在曲率，在均匀辐射换热情况下传感器的量程与铜热沉内径在铜水冷管上的投影面积相关，因此需要对康铜圆箔的半径R进行修正，修正后的康铜圆箔的半径R′为：

其中，h为铜水冷管的外径，单位为m；r′为铜热沉的内径，单位为m；h为r′的8-20倍；

S6、响应时间确定

圆箔式热流传感器的响应时间t为：

其中，R′为步骤S5中得到的修正后的康铜圆箔的半径。

进一步地，所述步骤S4中所述国际标准为ASTM标准。

本发明的有益效果是：

（1）本发明的圆箔式热流传感器将若干个热流感应接头嵌设在铜水冷管上，实现了快速降温，保证了热流密度测量的准确性，同时在空天飞机测试实验中经常需要多个不同角度的热源，本发明的圆箔式热流传感器通过转动内管使位于两侧的热流感应接头能够与位于中部的热流感应接头呈一定角度差，从而实现对不同角度热源的准确测量；

（2）本发明的圆箔式热流传感器为迎合空天飞机测试实验中的各种恶劣环境，因此将正极铜导线和负极铜导线设置在铜水冷管内部，且在内管转动时通过弧形接头的设置能够保证每个热流感应接头的正极铜导线和负极铜导线不会发生缠绕或干扰，无需再对铜导线的耐高温特性做特殊优化，同时解决了铜导线作为耗材频繁更换的问题；

（3）本发明的圆箔式热流传感器通过水冷的方式对铜热沉以及外壳进行降温，配合导水槽的设置大大提高了降温效果，确保了热流密度测量的准确性，同时实现了热流感应接头的微型化，降低了故障率，节约了成本；

（4）本发明的圆箔式热流传感器的设计方法通过对康铜圆箔的半径进行修正，确定了铜水冷管与铜热沉内径以及康铜圆箔半径之间的比例，得到了更为精确的圆箔式热流传感器响应时间，同时对圆箔式热流传感器的热流密度量程进行了优化，使热流密度测量更加方便快捷，且准确性高。

附图说明

图1是本发明的圆箔式热流传感器整体结构示意图；

图2是本发明的圆箔式热流传感器去掉保护盖露出全部热流感应接头时的整体结构示意图；

图3是本发明的圆箔式热流传感器的铜水冷管内部结构示意图；

图4是本发明的圆箔式热流传感器的铜水冷管顶部第二滑槽处的结构示意图；

图5是本发明的圆箔式热流传感器内部结构剖视图；

图6是本发明的圆箔式热流传感器的热流感应接头结构示意图；

图7是本发明的圆箔式热流传感器的热流感应接头内部结构示意图；

图8是本发明的圆箔式热流传感器的设计方法流程图。

其中，1-铜水冷管，11-内管，12-外管，13-第一滑槽，14-第二滑槽，15-弧形接头，16-导流槽，17-排水槽，2-热流感应接头，21-外壳，22-铜热沉，23-康铜圆箔，24-隔热基座，25-隔热块，26-底板，261-防水密封条，27-正极铜导线，28-负极铜导线，29-导水槽，3-进水口，4-出水口，5-保护盖，6-盖板，7-转动电机，8-出水管，9-进水管。

具体实施方式

实施例1

如图1、2所示，空天飞机测试实验用圆箔式热流传感器，包括铜水冷管1、嵌设在铜水冷管1表面的2个热流感应接头2，

如图2-5所示，铜水冷管1包括相对转动连接的内管11和外管12，内管11和外管12之间密封隔水，内管11中部顶壁设有第一滑槽13，第一滑槽13两侧的外管12顶壁设有第二滑槽14，第二滑槽14为2个且对称设置在第一滑槽13两侧，外管12中部顶壁嵌设有一个与第一滑槽13滑动连接的热流感应接头2，内管11顶壁嵌设有2个与第二滑槽14一一对应滑动连接的热流感应接头2，第二滑槽14与第一滑槽13之间的外管12顶部内壁设有导流槽16，导流槽16一端与铜水冷管1内部连通，导流槽16另一端与第二滑槽14连通，导流槽16用于将铜水冷管1内部水流导流至第二滑槽14内对热流感应接头2的外壳21降温，第二滑槽14两侧的外管12外壁均设有一个用于将第二滑槽14内部积水排出的排水槽17；

如图6、7所示，热流感应接头2包括外壳21、套设在外壳21内部的铜热沉22，位于铜热沉22顶部的康铜圆箔23，铜热沉22和外壳21的材质均为纯铜，铜热沉22为内部中空的圆柱体，康铜圆箔23通过一个圆环形的隔热基座24与铜热沉22密封连接，隔热基座24顶部与外壳21密封连接，隔热基座24底部与铜热沉22密封连接，隔热基座24底部外端的凸块延伸至铜热沉22与外壳21之间形成的空隙中，铜热沉22与外壳21底部连接处设有隔热块25，隔热块25底部设有底板26，隔热基座24和隔热块25的材质均为隔热棉，底板26的材质为不锈钢，康铜圆箔23底部中心处设有一根贯穿底板26的正极铜导线27，铜热沉22底部一侧设有一根贯穿底板26的负极铜导线28，铜热沉22外壁设有螺旋上升的导水槽29，正极铜导线27和负极铜导线28与底板26的连接处均设有一个防水密封条261；

如图5、7所示，正极铜导线27和负极铜导线28延伸至铜水冷管1内部并由铜水冷管1前端设有的弧形接头15内伸出，隔热块25底部两侧对称设置有进水口3和出水口4，进水口3和出水口4底部贯穿底板26，进水口3和出水口4顶部对应铜热沉22与外壳21之间形成的空隙，第二滑槽14外部设有保护盖5，保护盖5与第二滑槽14的各个内壁密封连接，内管11两端均设有盖板6，位于前端的一个盖板6中心处设有用于驱动内管11转动的转动电机7，转动电机7为市售转动电机，转动电机7下方的盖板6外部设有出水管8，位于后端的一个盖板6中心处设有进水管9。

实施例2

本实施例与实施例1不同之处在于：热流感应接头2的设置数量不同。

第一滑槽13两侧的外管12顶壁设有第二滑槽14，第二滑槽14为4个且对称设置在第一滑槽13两侧，外管12中部顶壁嵌设有一个与第一滑槽13滑动连接的热流感应接头2，内管11顶壁嵌设有4个与第二滑槽14一一对应滑动连接的热流感应接头2。

工作原理：下面对本发明的圆箔式热流传感器的工作原理进行说明。

在使用时，首先取下保护盖5，将位于铜水冷管1中部的热流感应接头2对准实验热源，随后开启转动电机7带动盖板6转动从而使内管11转动，位于铜水冷管1两侧的热流感应接头2在第二滑槽14内转动过一定角度，并对准其他的实验热源，同时位于铜水冷管1中部的热流感应接头2在第一滑槽13内相对转动，保持位置不变，正极铜导线27和负极铜导线28在弧形接头15内转动，铜水冷管1内通入冷却水，冷却水由进水口3进入铜热沉22与外壳21之间，并通过导水槽29螺旋上升对铜热沉22与外壳21进行冷却，随后再由出水口4排出，同时冷却水对正极铜导线27和负极铜导线28进行降温，再由出水管8排出。

实施例3

本实施例是在实施例1的基础上提供了空天飞机测试实验用圆箔式热流传感器的设计方法，如图8所示，包括以下步骤：

S1、电动势公式建立

由温度差产生的热电动势E与传感器吸收热流密度q以及康铜圆箔23的导热系数k有关，呈正比例，其关系如下式所示：

E=k×q

S2、导热微分方程建立

在圆箔式热流传感器处于均匀辐射换热情况下，得到导热微分方程：

初始边界条件为：

其中，d为康铜圆箔23的厚度，单位为m；α为薄片材料热扩散系数，单位为m²/s；k为康铜圆箔23的导热系数，单位为W/m·K；T_p为康铜圆箔23边沿温度，单位为K；R为康铜圆箔23的半径，单位为m；

S3、稳态下的热流密度公式建立

传感器处于稳态时，即

，k₀为康铜圆箔23温度为T_p时的导热系数，K₁为每单位温升导热系数的变化率，则康铜圆箔23的导热系数k随温度变化可表示为：

将上述稳态条件代入步骤S2中的导热微分方程可得：

其中，∆T为是康铜圆箔23中心处与边缘处的温差，单位为K；

假设导热系数不随温度改变，即K₁=0，则可得出稳态下的热流密度公式：

S4、热流密度公式简化

在均匀辐射换热情况下，当康铜圆箔23的中心处与边缘处的温差在200℃之内时，则步骤S3中得到的稳态下的热流密度公式可简化为：

根据国际ASTM标准定义圆箔式热流传感器的热流密度量程为传感器输出的热电动势为10mV时对应吸收的热流密度，因此根据上述简化后的热流密度公式可得出圆箔式热流传感器的热流密度量程

：

S5、铜水冷管1外径及康铜圆箔23半径确定

由于铜水冷管1表面存在曲率，在均匀辐射换热情况下传感器的量程与铜热沉22内径在铜水冷管1上的投影面积相关，因此需要对康铜圆箔23的半径R进行修正，修正后的康铜圆箔23的半径R′为：

其中，h为铜水冷管1的外径，单位为m；r′为铜热沉22的内径，单位为m；h为r′的12倍；

S6、响应时间确定

圆箔式热流传感器的响应时间t为：

其中，R′为步骤S5中得到的修正后的康铜圆箔23的半径。

实施例4

本实施例与实施例3不同之处在于：步骤S5中h为r′的8倍。

实施例5

本实施例与实施例3不同之处在于：步骤S5中h为r′的20倍。

实验例

应用实施例3中的圆箔式热流传感器的设计方法对圆箔式热流传感器的参数进行优化，实验结果如下：

在空天飞机测试实验中需要的传感器量程为1MW/m²，响应时间为1ms，则根据步骤S6中的圆箔式热流传感器的响应时间t的公式反推出R′为1.64mm，同时根据步骤S5中h与r′的倍数关系以及步骤S5中给出的修正后的康铜圆箔23的半径R′公式推算出铜水冷管1的外径h为17.76mm，铜热沉22的内径r′为1.48mm。

与市售的圆箔式热流传感器相比，本发明的圆箔式热流传感器最大测试温度能够达到1650-1700℃，同时通过增加铜水冷管1内部冷却水的流量，提高流速使铜热沉22的温度始终不超过200℃，所测得的温度准确性一直保持在较高的水平，而市售的圆箔式热流传感器最高测试温度在1450-1500℃左右，同时内部热沉的温度超过了200℃，因此本发明的圆箔式热流传感器要明显优于市售的圆箔式热流传感器。

Claims (9)

1.空天飞机测试实验用圆箔式热流传感器，其特征在于，包括铜水冷管（1）、嵌设在所述铜水冷管（1）表面的若干个热流感应接头（2），

所述铜水冷管（1）包括相对转动连接的内管（11）和外管（12），所述内管（11）和外管（12）之间密封隔水，内管（11）中部顶壁设有第一滑槽（13），所述第一滑槽（13）两侧的外管（12）顶壁设有第二滑槽（14），外管（12）中部顶壁嵌设有一个与所述第一滑槽（13）滑动连接的热流感应接头（2），内管（11）顶壁嵌设有若干个与所述第二滑槽（14）一一对应滑动连接的热流感应接头（2）；

所述热流感应接头（2）包括外壳（21）、套设在所述外壳（21）内部的铜热沉（22），位于所述铜热沉（22）顶部的康铜圆箔（23），铜热沉（22）为内部中空的圆柱体，所述康铜圆箔（23）通过一个圆环形的隔热基座（24）与铜热沉（22）密封连接，所述隔热基座（24）顶部与外壳（21）密封连接，隔热基座（24）底部与铜热沉（22）密封连接，隔热基座（24）底部外端的凸块延伸至铜热沉（22）与外壳（21）之间形成的空隙中，铜热沉（22）与外壳（21）底部连接处设有隔热块（25），所述隔热块（25）底部设有底板（26），康铜圆箔（23）底部中心处设有一根贯穿所述底板（26）的正极铜导线（27），铜热沉（22）底部一侧设有一根贯穿底板（26）的负极铜导线（28）；

所述正极铜导线（27）和负极铜导线（28）延伸至所述铜水冷管（1）内部并由铜水冷管（1）前端设有的弧形接头（15）内伸出。

2.根据权利要求1所述的空天飞机测试实验用圆箔式热流传感器，其特征在于，所述第二滑槽（14）为2个且对称设置在所述第一滑槽（13）两侧。

3.根据权利要求1所述的空天飞机测试实验用圆箔式热流传感器，其特征在于，所述第二滑槽（14）与所述第一滑槽（13）之间的所述外管（12）顶部内壁设有导流槽（16），所述导流槽（16）一端与所述铜水冷管（1）内部连通，导流槽（16）另一端与第二滑槽（14）连通，导流槽（16）用于将铜水冷管（1）内部水流导流至第二滑槽（14）内对热流感应接头（2）的外壳（21）降温，第二滑槽（14）两侧的外管（12）外壁均设有一个用于将第二滑槽（14）内部积水排出的排水槽（17）。

4.根据权利要求1所述的空天飞机测试实验用圆箔式热流传感器，其特征在于，所述铜热沉（22）和外壳（21）的材质均为纯铜，所述隔热基座（24）和隔热块（25）的材质均为隔热棉，所述底板（26）的材质为不锈钢，铜热沉（22）外壁设有螺旋上升的导水槽（29），所述正极铜导线（27）和负极铜导线（28）与底板（26）的连接处均设有一个防水密封条（261）。

5.根据权利要求1所述的空天飞机测试实验用圆箔式热流传感器，其特征在于，所述隔热块（25）底部两侧对称设置有进水口（3）和出水口（4），所述进水口（3）和出水口（4）底部贯穿所述底板（26），进水口（3）和出水口（4）顶部对应铜热沉（22）与外壳（21）之间形成的空隙。

6.根据权利要求1所述的空天飞机测试实验用圆箔式热流传感器，其特征在于，所述第二滑槽（14）外部设有保护盖（5），所述保护盖（5）与第二滑槽（14）的各个内壁密封连接。

7.根据权利要求1所述的空天飞机测试实验用圆箔式热流传感器，其特征在于，所述内管（11）两端均设有盖板（6），位于前端的一个所述盖板（6）中心处设有用于驱动内管（11）转动的转动电机（7），所述转动电机（7）下方的盖板（6）外部设有出水管（8），位于后端的一个盖板（6）中心处设有进水管（9）。

8.根据权利要求1-7任意一项所述空天飞机测试实验用圆箔式热流传感器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、电动势公式建立

由温度差产生的热电动势E与传感器吸收热流密度q以及康铜圆箔（23）的导热系数k有关，呈正比例，其关系如下式所示：

E=k×q

S2、导热微分方程建立

在圆箔式热流传感器处于均匀辐射换热情况下，得到导热微分方程：

初始边界条件为：

其中，d为康铜圆箔（23）的厚度，单位为m；α为薄片材料热扩散系数，单位为m²/s；k为康铜圆箔（23）的导热系数，单位为W/（m·K）；T_p为康铜圆箔（23）边沿温度，单位为K；R为康铜圆箔（23）的半径，单位为m；

S3、稳态下的热流密度公式建立

传感器处于稳态时，即

，k₀为康铜圆箔（23）温度为T_p时的导热系数，K₁为每单位温 升导热系数的变化率，则康铜圆箔（23）的导热系数k随温度变化可表示为：

将上述稳态条件代入步骤S2中的导热微分方程可得：

其中，∆T为是康铜圆箔（23）中心处与边缘处的温差，单位为K；

假设导热系数不随温度改变，即K₁=0，则可得出稳态下的热流密度公式：

S4、热流密度公式简化

在均匀辐射换热情况下，当康铜圆箔（23）的中心处与边缘处的温差在200℃之内时，则步骤S3中得到的稳态下的热流密度公式可简化为：

根据国际标准定义圆箔式热流传感器的热流密度量程为传感器输出的热电动势为 10mV时对应吸收的热流密度，因此根据上述简化后的热流密度公式可得出圆箔式热流传感 器的热流密度量程

：

S5、铜水冷管（1）外径及康铜圆箔（23）半径确定

由于铜水冷管（1）表面存在曲率，在均匀辐射换热情况下传感器的量程与铜热沉（22）内径在铜水冷管（1）上的投影面积相关，因此需要对康铜圆箔（23）的半径R进行修正，修正后的康铜圆箔（23）的半径R′为：

其中，h为铜水冷管（1）的外径，单位为m；r′为铜热沉（22）的内径，单位为m；h为r′的8-20倍；

S6、响应时间确定

圆箔式热流传感器的响应时间t为：

其中，R′为步骤S5中得到的修正后的康铜圆箔（23）的半径。

9.根据权利要求8所述的空天飞机测试实验用圆箔式热流传感器的设计方法，其特征在于，所述步骤S4中所述国际标准为ASTM标准。

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