CN117451217B - 一种航天热流传感器及基于双温差补偿的热流修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航天热流传感器及基于双温差补偿的热流修正方法，包括第一热沉、第二热沉与金属板；第一热沉和第二热沉呈嵌入式设置在金属板上，且第一热沉和第二热沉的第一端一侧端面与金属板所在的平面平齐；其中，第一热沉和第二热沉的体积不相同；第一热电偶、第二热电偶和第三热电偶，第一热电偶和第二热电偶分别安装在第一热沉、第二热沉远离金属板的第二端端部，第三热电偶设置在金属板的来流方向所在的一侧；其中，第一热沉的第二端、第二热沉的第二端以及所述金属板与来流方向相反的一侧还覆盖有隔热层。本发明在同一流场位置制造两种不同的温差，采集温差对于壁面热流带来的热流测量偏差数据，能够提升飞行器壁面热流测量精度。

Description

一种航天热流传感器及基于双温差补偿的热流修正方法

技术领域

本发明涉及航天热流测量领域，具体而言，涉及一种航天热流传感器及基于双温差补偿的热流修正方法。

背景技术

模型飞行试验是研究空气动力学的三大手段之一，与数值模拟和地面风洞试验相比，其测量数据是在真实环境下获得的，是能够验证、提升和改进各种热环境预测手段的唯一实践参照。但如何准确测量获得模型飞行机体表面真实数据，特别是飞行器表面热流，又给试验人员提出了巨大的挑战。目前，高超声速飞行试验飞行器表面热流测量技术大致可以分为“内置式”和“嵌入式”两种。“内置式”通过测量防热层内部温升历程反演表面热流，适用于早期的金属热沉式防热系统。但随着技术的不断发展，目前的防热系统多采用各种复合材料，复合材料复杂的热响应机制使得“内置式”测量技术已不再适用，随之具有独立测量控制单元的“嵌入式”测量技术应运而生，其优点在于传感器表面简单的换热过程和内部简单的传热过程很好的保证了热流反演的精度。但“嵌入式”测量装置也存在着非常明显的缺陷，其中最为突出的便是传感器材料与周边防热材料之间的物性参数相差巨大，它们之间的热匹配性问题会在很大程度上影响热流测量结果的有效性。因此，设计制造一种能解决“嵌入式”热流传感器“热匹配”问题的新型热流传感器对于正确开展航天模型飞行热环境测量试验至关重要。

传统的热沉式热流传感器、圆箔式热流传感器、热电堆式热流传感器（带金属热沉）等目前常用于航天模型飞行试验的“嵌入式”热流传感器，由于在设计时没有考虑应用于航天模型飞行试验时会出现的热匹配问题，并且在地面标定时无法标定修正热匹配问题对于热流测量带来的偏差，因此传感器的热流测量偏差在极端条件下甚至可以超过200%，其热流测量值已不能表征飞行器表面的真实热流。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种航天热流传感器及基于双温差补偿的热流修正方法，目的在于修正“嵌入式”热流传感器应用于航天模型飞行试验时由于热匹配问题带来的热流测量偏差问题。通过本发明，在同一流场位置制造两种不同的温差，采集温差对于壁面热流带来的热流测量偏差数据，再进行相应的处理，能够提升飞行器壁面热流测量精度。

为解决以上技术问题，本发明提供了一种航天热流传感器，包括：第一热沉、第二热沉与金属板；第一热沉和第二热沉呈嵌入式设置在金属板上，且第一热沉和第二热沉的第一端一侧端面与金属板所在的平面平齐；其中，第一热沉和第二热沉的体积不相同；

第一热电偶、第二热电偶和第三热电偶，第一热电偶和第二热电偶分别安装在第一热沉、第二热沉远离金属板的第二端端部，第三热电偶设置在金属板的热流来流方向所在的一侧；其中，

第一热沉的第二端、第二热沉的第二端以及金属板与来流方向相反的一侧还覆盖有隔热层。

作为一种可选方式，第一热沉第一端端面几何中心和第二热沉第一端端面几何中心的连线中点与金属板的几何中心重叠。

作为一种可选方式，第一热沉和第二热沉为铜制材料制成；且第一热沉第一端端面的横截面积和第二热沉的第一端端面的横截面积相同。

作为一种可选方式，第三热电偶和金属板的几何中心形成的连线与第一热沉、第二热沉的安装方向垂直。

作为一种可选方式，第一热电偶和第二热电偶分别焊接在第一热沉和第二热沉的第二端端部，第三热电偶通过高温导热胶粘接在金属板表面。

作为一种可选方式，隔热层为气凝胶隔热毡。

另一方面，本发明还提供了一种基于双温差补偿的热流修正方法，采用如上述的航天热流传感器进行数据采集，还包括：

将第一热电偶、第二热电偶和第三热电偶分别连接在数据采集仪上后，通过数据采集仪采集并记录三个热电偶在热流测量过程中的温升历程；

基于第一热电偶的温度测量数据，进行三维热流辨识，得到第一热沉的表面热流和表面温度；

基于第二热电偶的温度测量数据，进行三维热流辨识，得到第二热沉的表面热流和表面温度；

基于第一热沉表面热流、第一热沉表面温度、第二热沉表面热流、第二热沉表面温度以及第三热电偶采集到的金属板表面温度数据，通过双温差归一化热流修正处理得到金属板表面热流。

本发明的有益效果为：

本发明在修正得到飞行器表面热流的过程中，由于是在流场相同位置通过两个不同热沉制造两个不同的温差，进而可以利用双温差将局部流场参数对比壁面热流测量偏差的影响进行处理，避免了对于局部流场参数的直接测量，解决了壁面热流修正中局部流场参数无法直接测量的问题。提高了热流测量准度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的航天热流传感器俯视图；

图2为本发明实施例提供的航天热流传感器剖视图；

图3为本发明实施例提供的航天热流传感器的测试平台安装效果示意图；

图4为本发明实施例提供的航天热流传感器以0°安装角安装的测量结果示意图；

图5为本发明实施例提供的航天热流传感器以20°安装角安装的测量结果示意图。

附图标记及其对应关系：

1-第一热沉，2-第二热沉，3-第一热电偶，4-第二热电偶，5-气凝胶隔热毡，6-金属板，7-第三热电偶，8-系统支撑件，9-热风枪。

实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

实施例

为克服现有的嵌入式热流传感器存在的偏差问题，本实施例采用的方法是利用第一个热电偶传感器测量较大热沉（第一热沉）底部中心位置的温升历程；利用第二个热电偶传感器测量较小热沉（第二热沉）底部表面中心位置的温升历程；利用第三个热电偶传感器测量金属板（被测物体，本实施例选用不锈钢进行说明）热沉来流方向表面温升历程；利用辨识方法将第一个热流传感器测量得到的温升历程反演出第一热沉表面热流和表面温度；利用辨识方法将第二个热流传感器测量得到的温升历程反演出第二热沉表面热流和表面温度；将两个辨识温度与第三个热电偶传感器测量的到的温度之间形成的两个不同的温差进行归一化处理，得出当地温差对于当地热流测量偏差的影响，进而在辨识的两个壁面热流的基础上修正得到飞行器表面热流，较传统存在热匹配问题的“嵌入式”热流传感器，热流测量精度可以提升一个量级。

因此，为了通过本实施例来实现上述的方法去解决问题，作为一种可选的实施方式，制作本实施例的工艺方法可参考如下步骤：

步骤一：根据所需测量的最大热流和测量的总时间，以及传感器安装空间的限制，选取合适的热沉材料以及热沉三维外形尺寸，且第一热沉和第二热沉需要保持外露面横截面积一致，体积较大的热沉（第一热沉）高度较高，体积较小的热沉（第二热沉）高度较小；

步骤二：根据第一热沉的温升估算情况，选择第一热电偶，保证第一热沉底部温度峰值接近但不超过第一热电偶的测量上限，并将第一热电偶用点焊机焊接于第一热沉底部中心位置；

步骤三：根据第二热沉的温升估算情况，选择第二热电偶，保证第二热沉底部温度峰值接近但不超过第二热电偶的测量上限，并将第二热电偶用点焊机焊接于第二热沉底部中心位置；

步骤四：根据被测材料的温升估算情况，选择第三热电偶，保证被测材料温度峰值接近但不超过第三热电偶的测量上限，并将热电偶用高温导热胶粘黏与被测材料表面；

步骤五：利用隔热层，如气凝胶隔热毡将两个热沉除外露面分别进行包裹；

步骤六：将第一热沉、第二热沉用高温隔热胶并排固定，保持外露面齐平。

通过上述步骤，得到本实施例想要实现双温差来克服局部温差影响的初步结构，然后，通过步骤七：将两个热沉嵌入式安装于被测材料需要测量热流的地方，保持热沉外露面与被测材料齐平，并且使得第三个热电偶位于两个热沉外露面中心连线的垂直线上靠近来流的方向。便得到了本实施例所述的具备双温差补偿的整体热流传感器测试方案。

为了更好的实践上述的方案，请参阅图1-图3，本实施例提供的一种航天热流传感器，第一热沉1是横截面为20mm×20mm，长度分别为80mm的铜柱大热沉；第二热沉2是横截面为20mm×20mm，长度分别为30mm的第二热沉2。第一热电偶3和第二热电偶4分别安装在第一热沉1、第二热沉2远离金属板6的第二端端部，第三热电偶7设置在金属板6的热流来流方向所在的一侧。

落实到本实施例中，任一热沉的第一端为位于金属板6一侧的一端，第二端为在剖视角度上相对金属板6凸出的另一端。请再次参阅图1与图2，第一热沉1和第二热沉2的第一端一侧端面与金属板6所在的平面平齐。该处的平齐，即为如图2所示的，任一热沉的第一端端面与金属板6（被测材料）的“板面”位于通一平面，形成平滑的热流接触面。

第一热电偶3、第二热电偶4与第三热电偶7可以选用HH-k-24热电偶。对第一热沉1和第二热沉2进行包裹的气凝胶隔热毡5可以选用2mm厚度，对金属板6或其他实验器件可以选用10mm厚度。为了适配上述的热沉进行说明，本实施例选用的金属板为长200mm、宽100mm、厚10mm的不锈钢。第三热电偶7和金属板6的几何中心形成的连线与第一热沉1、第二热沉2的安装方向垂直。

将本实施例的热流传感器制作/安装完毕后，按照如下方法来对热流测量偏差进行处理：

将三个热电偶分别接于数据采集仪上，通过数据采集仪采集并记录三个热电偶在热流测量过程中的温升历程；利用三维热流辨识方法，在第一热电偶3的温度测量数据的基础上，辨识出第一热沉1表面热流和表面温度；利用三维热流辨识方法，在第二热电偶4的温度测量数据的基础上，辨识出第二热沉2表面热流和表面温度；利用双温差归一化热流修正公式，在第一热沉1表面热流、第一热沉1表面温度、第二热沉2表面热流、第二热沉2表面温度以及被测材料表面温度数据的基础上，修正得到材料表面热流。

上述的双温差归一化热流修正公式为

其中，为修正得到的被测材料表面热流，/>为测量得到的被测材料表面温度，为第一热沉表面热流、/>为第一热沉表面温度、/>为第二热沉表面热流、/>为第二热沉表面温度。

为了实现上述的步骤，请再次参阅图3，图3为本实施例在实际过程中测试平台安装效果示意图，本实施例采用WR6000热风枪9及相应的配套出风口、鼓风机与系统支撑件8作为本实施例的热流传感器的测热试验热流加热设备。本实施例中，热流传感器测热试验试验时间共计为480s，试验全程稳定供风，从第30s开始100%打开加热设备并从240s关闭加热设备。

请参阅图4与图5，图4为本实施例热流传感器在基于图3的安装模式下，以0°安装角安装的测量结果示意图，图5为以20°安装角安装的测量结果示意图。

在以0°安装角安装的测量模式下，通过不锈钢底部第三热电偶7传感器测量数据辨识出的不锈钢表面温升历程如图4中正三角虚线所示、不锈钢表面温升历程如图4中正三角实线所示。通过80mm的第一热沉1底部热电偶传感器测量数据辨识出的第一热沉1表面温升历程如图4中倒三角虚线所示、第一热沉1表面热流如图4中倒三角实线所示。通过30mm的第二热沉2底部热电偶传感器测量数据辨识出的第二热沉2表面温升历程如图4中圆形虚线所示、第二热沉2表面热流如图4中圆形实线所示。

于是，将上述的不锈钢表面温升历程、第一热沉1表面温升历程及表面热流、第二热沉2表面温升历程及表面热流五组数据，带入到双温差归一化热流修正公式，修正得到不锈钢表面热流如图4中实线所示，该实线与上述辨识得到的不锈钢表面热流吻合较好，说明本热流传感器能够测量得到被测不锈钢表面热流。

为进一步验证本实施例测量结果的有效性，将试验器件从0°安装角安装调整为20°安装角安装，请再次参阅图5。在以20°安装角安装的测量模式下，通过不锈钢底部第三热电偶7传感器测量数据辨识出的不锈钢表面温升历程如图5中正三角虚线所示、不锈钢表面温升历程如图5中正三角实线所示。通过80mm的第一热沉1底部热电偶传感器测量数据辨识出的第一热沉1表面温升历程如图5中倒三角虚线所示、第一热沉1表面热流如图5中倒三角实线所示。通过30mm的第二热沉2底部热电偶传感器测量数据辨识出的第二热沉2表面温升历程如图5中圆形虚线所示、第二热沉2表面热流如图5中圆形实线所示。

将上述的不锈钢表面温升历程、第一热沉1表面温升历程及表面热流、第二热沉2表面温升历程及表面热流五组数据，带入到双温差归一化热流修正公式，修正得到不锈钢表面热流如图5中实线所示，该实线与上述辨识得到的不锈钢表面热流吻合较好，进一步地说明本热流传感器能够测量得到被测不锈钢表面热流。

这样，通过本实施例上述的方案，利用两个不同热沉，在流场相同位置制造两个不同的温差，进而利用双温差将局部流场参数对比壁面热流测量偏差的影响进行归一化处理，避免了对于局部流场参数的直接测量，可直接利用双温差归一化热流修正公式修正得到被测材料表面热流，解决了壁面热流修正中局部流场参数无法直接测量的问题。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种航天热流传感器，用于配合金属板进行热流检测，其特征在于，包括：

第一热沉和第二热沉；所述第一热沉和第二热沉呈嵌入式设置在所述金属板上，且所述第一热沉和第二热沉的第一端一侧端面与所述金属板所在的平面平齐；其中，所述第一热沉和第二热沉的体积不相同；

第一热电偶、第二热电偶和第三热电偶，所述第一热电偶和第二热电偶分别安装在所述第一热沉、第二热沉远离所述金属板的第二端端部，所述第三热电偶设置在所述金属板的来流方向所在的一侧；其中，

任一所述热沉的第二端以及所述金属板相对来流方向一侧的另一侧还覆盖有隔热层；

利用所述第一热电偶测量所述第一热沉底的温升历程；利用第二热电偶测量所述第二热沉的温升历程；利用第三热电偶测量所述金属板来流方向表面温升历程；通过第一热电偶测量得到的温升历程反演第一热沉表面热流和表面温度；通过第二热电偶测量得到的温升历程反演第二热沉表面热流和表面温度；将所述第一热沉的表面温度和第二热沉的表面温度与所述第三热电偶测量得到的表面温度之间形成的两个不同的温差进行归一化处理，得出当地温差对于当地热流测量偏差的影响，对飞行器表面热流进行修正。

2.根据权利要求1所述的一种航天热流传感器，其特征在于，所述第一热沉第一端端面几何中心和所述第二热沉第一端端面面几何中心的连线中点与所述金属板的几何中心重叠。

3.根据权利要求1所述的一种航天热流传感器，其特征在于，所述第一热沉和第二热沉为铜制材料制成；且所述第一热沉第一端端面的横截面积和所述第二热沉的第一端端面的横截面积相同。

4.根据权利要求1所述的一种航天热流传感器，其特征在于，所述第三热电偶和所述金属板的几何中心形成的连线与所述第一热沉、第二热沉的安装方向垂直。

5.根据权利要求1所述的一种航天热流传感器，其特征在于，所述第一热电偶和第二热电偶分别焊接在所述第一热沉和第二热沉的第二端端部，所述第三热电偶通过高温导热胶粘接在所述金属板表面。

6.根据权利要求1所述的一种航天热流传感器，其特征在于，所述隔热层为气凝胶隔热毡。

7.一种基于双温差补偿的热流修正方法，其特征在于，采用如上述权利要求1-6任意一项所述的航天热流传感器进行数据采集，还包括：

将第一热电偶、第二热电偶和第三热电偶分别连接在数据采集仪上后，通过数据采集仪采集并记录三个热电偶在热流测量过程中的温升历程；

基于所述第一热电偶的温度测量数据，进行三维热流辨识，得到第一热沉的表面热流和表面温度；

基于所述第二热电偶的温度测量数据，进行三维热流辨识，得到第二热沉的表面热流和表面温度；

基于第一热沉表面热流、第一热沉表面温度、第二热沉表面热流、第二热沉表面温度以及第三热电偶采集到的金属板表面温度数据，通过双温差归一化热流修正处理得到金属板表面热流。