CN114791325A - 一种用于空天飞机地面热强度舱体试验的热流标定方法 - Google Patents

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Abstract

本申请属于热流传感器标定领域，为一种用于空天飞机地面热强度舱体试验的热流标定方法，通过将标准热流密度传感器和待标定热流密度传感器置于对称的相同的工作环境下测量试验件假件的温度，在试验件假件两侧对称设置加热装置，在试验件假件上设置测温传感器，在相同温度点下比较标准热流密度传感器和待标定热流密度传感器测得的温度差值，能够高效准确地对待标定热流密度传感器的数值进行修正，可通过对标标准热流密度传感器，准确量化实验中的不可预测的对流换热影响，提高热流试验加热精度，使地面热强度试验对结构件的考核更加准确有效。并对使用全热流密度传感器测量对流传热起到指导作用；同时能够分别进行自然对流和强制对流试验。

Description

一种用于空天飞机地面热强度舱体试验的热流标定方法
技术领域
本申请属于热流传感器标定领域，特别涉及一种用于空天飞机地面热强度舱体试验的热流标定方法。
背景技术
对流传热是通过流动介质热微粒由空间的一处向另一处传播热能的现象。该传热方式仅发生在流体（气体和液体）之中，且必然同时伴有流体本身分子运动所产生的导热作用。若热对流过程中单位时间通过单位面积有质量m (kg/m·s)的流体由温度t1的地方流到t2处，则此热对流传递的热量q如式（1）所示：
q=mCp(t2-t1)………………………………（1）
其中，Cp—介质热容。
对流传热按流动介质可分为：气体对流和液体对流，气体的对流现象比液体明显。同时按发生原因又可分为：自然对流(自由对流)、强制对流(受迫对流)和湍流。其中自热对流纯粹因流体冷、热各部分的密度不同所引起，流动速度一般较低。强制对流，由于各种泵、风机或其他外力的推动而造成，故流动速度往往很高。在舱段试验中对流传热的类型主要为自然对流，对于含热蚀材料防护层的舱段实验，则还需考虑强制对流。
对于相同外形、相同原理的热流传感器，待标定的传感器与标准的传感器会因为不确定对流效果而产生试验偏差，因而如何对待标定的传感器进行准确标定、以保证试验精度是一个需要解决的问题。
发明内容
本申请的目的是提供了一种用于空天飞机地面热强度舱体试验的热流标定方法，以解决未标定传感器在进行地面热强度舱体试验时会产生试验误差的问题。
本申请的技术方案是：一种用于空天飞机地面热强度舱体试验的热流标定方法，包括：将标准热流密度传感器与待标定热流密度传感器对称于试验件假件两侧放置，安装标准热流密度传感器和待标定热流密度传感器，在试验件假件两侧对称设置加热装置，两组加热装置位于标准热流密度传感器和待标定热流密度传感器的外侧，在试验件假件上设置测温传感器，完成试验设备安装，加热装置的辐射能够穿过标准热流密度传感器或待标定热流密度传感器照射到试验件假件上进行加热；加热装置加热试验件假件至一设定温度点；以测温传感器上的读数作为到达设定温度点的标准，停止加热，读取标准热流密度传感器和待标定热流密度传感器的读数，并进行比对，判断比对结果，若比对结果在设定阈值范围内，则完成待标定热流密度传感器的标定；若比对结果不在设定阈值范围内，则对待标定热流密度传感器进行修正，加热装置继续加热试验件假件至下一设定温度点，进行再次比对，直至满足要求。
优选地，所述标准热流密度传感器和待标定热流密度传感器的读取方法为：在标准热流密度传感器和待标定热流密度传感器上下左右分别布置四个热电偶，热电偶距离标准热流密度传感器或待标定热流密度传感器为0.5倍的标准热流密度传感器或待标定热流密度传感器半径。
优选地，所述试验件假件安装完成后，在试验件假件顶上放置吹风机，吹风机工作时在试验件假件与标准热流密度传感器、待标定热流密度传感器之间均产生对流。
优选地，所述加热装置为红外点温仪，并采用PID控制。
优选地，设定阈值范围为：标准热流密度传感器所在区域的平均温度与待标定热流密度传感器所在区域的平均温度差值不超过当前标准热流密度传感器所在区域的平均温度的0.5%。
优选地，所述试验设备安装的具体方法为：
根据试验条件选用两组加热装置并确定加热装置与试验件表面距离，两组加热装置与试验件假件两侧完全对称，两组加热装置规格相同；
制作试验件假件，试验件假件与实际试验件具有相同的直径和宽度；
选用待标定热流密度传感器与标准热流密度传感器，保证待标定热流密度传感器与标准热流密度传感器具有相同的角系数；
确定对流影响因素的量化，包括试验件温度、辐射源表面温度、强制对流流速和截面积；
安装加热装置、试验件假件、测温传感器、待标定热流密度传感器与标准热流密度传感器。
本申请的一种用于空天飞机地面热强度舱体试验的热流标定方法，通过将标准热流密度传感器和待标定热流密度传感器置于对称的相同的工作环境下测量试验件假件的温度，在试验件假件两侧对称设置加热装置，在试验件假件上设置测温传感器，在相同温度点下比较标准热流密度传感器和待标定热流密度传感器测得的温度差值，能够高效准确地对待标定热流密度传感器的数值进行修正，可通过对标标准热流密度传感器，准确量化实验中的不可预测的对流换热影响，提高热流试验加热精度，使地面热强度试验对结构件的考核更加准确有效。并对使用全热流密度传感器测量对流传热起到指导作用；同时自由度高，能够分别进行自然对流和强制对流试验。
附图说明
为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1为本申请整体流程示意图；
图2为本申请试验设备整体安装结构示意图；
图3为本申请热电偶安装结构示意图。
1、试验件假件；2、标准热流密度传感器；3、待标定热流密度传感器；4、点温仪；5、热电偶。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
一种用于空天飞机地面热强度舱体试验的热流标定方法，影响热对流的主要因素是：温差、导热系数和导热物体的厚度和截面积。其中导热系数是流体客观物理量。因此本专利主要模拟对象包含温差和导热物体的厚度和截面积。
热流的标定方法有绝对法和比对法两种，本专利的标定法为比对法，既将待标定传感器与标准传感器放置在相同的全热流加热场中，比对标准传感器读数，和待标定传感器的输出电压，修正待标定传感器的系数，以便该传感器在实际实验中准确测量试验件的受热情况。
如图1所示，具体步骤包括：
步骤S100，如图2、图3所示，将标准热流密度传感器2与待标定热流密度传感器3对称于试验件假件1两侧放置，安装标准热流密度传感器2和待标定热流密度传感器3，在试验件假件1两侧对称设置加热装置，两组加热装置位于标准热流密度传感器2和待标定热流密度传感器3的外侧，在试验件假件1上设置测温传感器，完成试验设备安装，加热装置的辐射能够穿过标准热流密度传感器2或待标定热流密度传感器3照射到试验件假件1上进行加热；
进行试验时两组加热装置工作，穿过标准热流密度传感器2与待标定热流密度传感器3对试验件假件1进行加热，标准热流密度传感器2与待标定热流密度传感器3检测试验件假件1的温度数据，参考标准热流密度传感器2测量的热流结果，比对待标定热流密度传感器3的输出电压，即可对待标定热流密度传感器3的系数进行修正。
优选地，试验设备安装的具体方法为：
1）根据试验条件选用两组加热装置并确定加热装置与试验件表面距离，两组加热装置与试验件假件1两侧完全对称，两组加热装置规格相同，以保证试验的精度；
2）制作试验件假件1，试验件假件1与实际试验件具有相同的直径和宽度，试验件的壳体厚度方面不做要求；
3）选用待标定热流密度传感器3与标准热流密度传感器2，保证待标定热流密度传感器3与标准热流密度传感器2具有相同的角系数，降低接受辐射不同带来的误差；待标定热流密度传感器3与标准热流密度传感器2保证且二者具有相同的工作原理，同时表面涂层黑度系数相同、并且外形尺寸一致；
4）确定对流影响因素的量化，包括试验件温度、辐射源表面温度、强制对流流速和截面积等；
5）安装加热装置、试验件假件1、测温传感器、待标定热流密度传感器3与标准热流密度传感器2。
这样待标定热流密度传感器3与标准热流密度传感器2具有相同的试验条件，能够准确地对待标定热流密度传感器3进行修正。
优选地，加热装置为红外点温仪4，红外点温仪4采用非接触式辐射的方式对试验件假件1进行加热，并采用PID控制，使两组红外点温仪4的测量结果相同，测量标准热流密度传感器2所在区域辐射体温度的点温仪4与待标定热流密度传感器3所在区域辐射体温度的点温仪4测量波长相同，DS比相同，且具辐射体的距离相同。当然也可以选用其它的加热装置，在此不做具体说明。
该种方法测试的是自然对流情况下的对待标定热流密度传感器3的修正，作为一种具体实施方式，试验件假件1安装完成后，在试验件假件1顶上放置吹风机，吹风机工作时在试验件假件1与标准热流密度传感器2、待标定热流密度传感器3之间均产生对流；形成了强制对流下的对待标定热流密度传感器3的修正，可以根据不同的试验要求选用不同的试验方式，自由度较高，能够满足多种试验需求。
步骤S200，加热装置加热试验件假件1至一设定温度点，设定温度点具有多个，按照需求选用，进行待标定热流密度传感器3的修正时，可以将试验件假件1加热至不同的设定温度点；
步骤S300，以测温传感器上的读数作为到达设定温度点的标准，停止加热，读取标准热流密度传感器2和待标定热流密度传感器3的读数，并进行比对，判断比对结果，也即是同时测量试验件假件1温度、标准热流密度传感器2的热流密度和待标定热流密度传感器3的输出电压，如试验件假件1温度满足比对有效要求则记录标准热流密度传感器2的热流密度和待标定热流密度传感器3的输出电压，测量后比对二者结果得出待标定热流密度传感器3的系数，若比对结果在设定阈值范围内，则完成待标定热流密度传感器3的标定；若比对结果不在设定阈值范围内，则对待标定热流密度传感器3进行修正，加热装置继续加热试验件假件1至下一设定温度点，进行再次比对，直至满足要求。
优选地，标准热流密度传感器2和待标定热流密度传感器3的读取方法为：在标准热流密度传感器2和待标定热流密度传感器3上下左右分别布置四个热电偶5，热电偶5距离标准热流密度传感器2或待标定热流密度传感器3为0.5倍的标准热流密度传感器2或待标定热流密度传感器3半径，通过布置四个热电偶5，读取四个热电偶5的温度平均值作为实际测得的温度值，能够防止温度测量波动，准确测得试验件假件1的温度。
优选地，设定阈值范围为：标准热流密度传感器所在区域的平均温度与待标定热流密度传感器所在区域的平均温度差值不超过当前标准热流密度传感器所在区域的平均温度的0.5%。
本申请通过将标准热流密度传感器和待标定热流密度传感器置于对称的相同的工作环境下测量试验件假件的温度，在试验件假件两侧对称设置加热装置，在试验件假件上设置测温传感器，在相同温度点下比较标准热流密度传感器和待标定热流密度传感器测得的温度差值，能够高效准确地对待标定热流密度传感器的数值进行修正，可通过对标标准热流密度传感器，准确量化实验中的不可预测的对流换热影响，提高热流试验加热精度，使地面热强度试验对结构件的考核更加准确有效。并对使用全热流密度传感器测量对流传热起到指导作用；同时自由度高，能够分别进行自然对流和强制对流试验。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种用于空天飞机地面热强度舱体试验的热流标定方法，其特征在于，包括：
将标准热流密度传感器(2)与待标定热流密度传感器(3)对称于试验件假件(1)两侧放置，安装标准热流密度传感器(2)和待标定热流密度传感器(3)，在试验件假件(1)两侧对称设置加热装置，两组加热装置位于标准热流密度传感器(2)和待标定热流密度传感器(3)的外侧，在试验件假件(1)上设置测温传感器，完成试验设备安装，加热装置的辐射能够穿过标准热流密度传感器(2)或待标定热流密度传感器(3)照射到试验件假件(1)上进行加热；
加热装置加热试验件假件(1)至一设定温度点；
以测温传感器上的读数作为到达设定温度点的标准，停止加热，读取标准热流密度传感器(2)和待标定热流密度传感器(3)的读数，并进行比对，判断比对结果，若比对结果在设定阈值范围内，则完成待标定热流密度传感器(3)的标定；若比对结果不在设定阈值范围内，则对待标定热流密度传感器(3)进行修正，加热装置继续加热试验件假件(1)至下一设定温度点，进行再次比对，直至满足要求。
2.如权利要求1所述的用于空天飞机地面热强度舱体试验的热流标定方法，其特征在于，所述标准热流密度传感器(2)和待标定热流密度传感器(3)的读取方法为：在标准热流密度传感器(2)和待标定热流密度传感器(3)上下左右分别布置四个热电偶(5)，热电偶(5)距离标准热流密度传感器(2)或待标定热流密度传感器(3)为0.5倍的标准热流密度传感器(2)或待标定热流密度传感器(3)半径。
3.如权利要求1所述的用于空天飞机地面热强度舱体试验的热流标定方法，其特征在于：所述试验件假件(1)安装完成后，在试验件假件(1)顶上放置吹风机，吹风机工作时在试验件假件(1)与标准热流密度传感器(2)、待标定热流密度传感器(3)之间均产生对流。
4.如权利要求1所述的用于空天飞机地面热强度舱体试验的热流标定方法，其特征在于：所述加热装置为红外点温仪(4)，并采用PID控制。
5.如权利要求1所述的用于空天飞机地面热强度舱体试验的热流标定方法，其特征在于，设定阈值范围为：标准热流密度传感器(2)所在区域的平均温度与待标定热流密度传感器(3)所在区域的平均温度差值不超过当前标准热流密度传感器(2)所在区域的平均温度的0.5%。
6.如权利要求1所述的用于空天飞机地面热强度舱体试验的热流标定方法，其特征在于，所述试验设备安装的具体方法为：
根据试验条件选用两组加热装置并确定加热装置与试验件表面距离，两组加热装置与试验件假件(1)两侧完全对称，两组加热装置规格相同；
制作试验件假件(1)，试验件假件(1)与实际试验件具有相同的直径和宽度；
选用待标定热流密度传感器(3)与标准热流密度传感器(2)，保证待标定热流密度传感器(3)与标准热流密度传感器(2)具有相同的角系数；
确定对流影响因素的量化，包括试验件温度、辐射源表面温度、强制对流流速和截面积；
安装加热装置、试验件假件(1)、测温传感器、待标定热流密度传感器(3)与标准热流密度传感器(2)。
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