一种防热层层间温度及碳化程度复合测量装置和方法与流程

本发明测量技术领域，尤其涉及一种防热层层间温度及碳化程度复合测量装置和方法。

背景技术：

临近空间飞行器以高超声速飞行，气动加热将致使防热层温度升高并产生温度梯度。对于应用较广泛的树脂基材料防热层而言，长时间的飞行将产生严重的烧蚀、热解及碳化，在飞行试验中防热层的层间温度的测量有助于了解飞行热环境的严酷程度，并能用于判断烧蚀；对防热层的热解碳化程度的测量有助于判断防热层状态。基于层间温度的测量数据和热解碳化程度的测量数据，可以完善树脂基材料防热层在临近空间飞行条件下的烧蚀、热解及温度场的计算方法。

目前，通常是通过分层温度传感器对防热材料层的层间温度进行测量，通过连续式测量烧蚀传感器对防热材料层的碳化程度进行测量。分层温度传感器和连续式测量烧蚀传感器之间相互独立，安装在防热材料层的不同位置处，也即，分层温度传感器和连续式测量烧蚀传感器之间存在一定的安装距离。然而，由于临近空间飞行器热环境分布的复杂性，分层温度传感器和连续式测量烧蚀传感器之间的安装距离通常会影响测量得到的层间温度测量数据和热解碳化程度测量数据的准确性，对测量数据的分析以及测量目的的实现将带来不利的影响。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种防热层层间温度及碳化程度复合测量装置和方法，旨在克服不能同时测量同一位置的层间温度和热解碳化程度的问题，提高了获取的测量数据的准确性，以及，测量数据的可分析度。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种防热层层间温度及碳化程度复合测量装置，包括：芯棒组件(1)和中空结构的底座(2)，所述芯棒组件(1)安装在所述底座(2)上；

其中，所述芯棒组件(1)包括：上芯棒(11)、下芯棒(12)、一次缠绕保护层(13)、二次缠绕保护层(14)、合金丝(15)和至少一个热电偶；

所述上芯棒(11)和所述下芯棒(12)连接；

所述一次缠绕保护层(13)包裹在所述上芯棒(11)和所述下芯棒(12)的外表面；

所述二次缠绕保护层(14)包裹在所述一次缠绕保护层(13)的外表面；

所述合金丝(15)设置在所述一次缠绕保护层(13)与所述上芯棒(11)和所述下芯棒(12)的外表面之间，以及，所述二次缠绕保护层(14)与所述一次缠绕保护层(13)之间；

所述至少一个热电偶分别内嵌在所述上芯棒(11)和所述下芯棒(12)中。

在上述防热层层间温度及碳化程度复合测量装置中，

所述上芯棒(11)为凹字型结构，包括：凹型槽(111)、第一安装槽(112)、以及、设置在所述第一安装槽(112)的槽两端的第一通孔(1121)和第二通孔(1122)；其中，所述第一安装槽(112)设置在所述上芯棒(11)的远离所述凹型槽(111)的一端的顶面；

所述下芯棒(12)为凸字型结构，包括：与所述凹型槽(111)相匹配的凸台(121)、第二安装槽(122)、第三安装槽(123)、第四安装槽(124)、以及、设置在所述第二安装槽(122)的槽两端的第三通孔(1221)和第四通孔(1222)、设置在所述第三安装槽(123)的槽两端的第五通孔(1231)和第六通孔(1232)、设置在所述第四安装槽(124)的槽两端的第七通孔(1241)和第八通孔(1242)；其中，所述第二安装槽(122)设置在所述凸台(121)的顶面；第三安装槽(123)和第四安装槽(124)分别设置在所述凸台(121)的左右两肩。

在上述防热层层间温度及碳化程度复合测量装置中，所述至少一个热电偶包括：第一热电偶(161)、第二热电偶(162)、第三热电偶(163)和第四热电偶(164)；

所述第一热电偶(161)、第二热电偶(162)、第三热电偶(163)和第四热电偶(164)依次对应设置在所述第一安装槽(112)、第二安装槽(122)、第三安装槽(123)和第四安装槽(124)内；

其中，各个热电偶与各个安装槽之间的间隙处填充环氧树脂；各热电偶的引线处包裹有陶瓷套管；各热电偶的引线分别从对应的通孔处引出，并从所述底座(2)的中空处穿出。

在上述防热层层间温度及碳化程度复合测量装置中，所述合金丝(15)包括：连接在一起的第一部分合金丝(151)和第二部分合金丝(152)；

所述第一部分合金丝(151)从所述下芯棒(12)的下方起、至所述上芯棒(11)的上方止，缠绕在所述上芯棒(11)和所述下芯棒(12)的外表面；

所述一次缠绕保护层(13)包裹在所述第一部分合金丝(151)外侧；

所述第二部分合金丝(152)从所述上芯棒(11)的上方起、至所述下芯棒(12)的下方止，缠绕在所述一次缠绕保护层(13)的外表面；

所述二次缠绕保护层(14)包裹在所述第二部分合金丝(152)外侧。

在上述防热层层间温度及碳化程度复合测量装置中，

在所述第一部分合金丝(151)缠绕在所述上芯棒(11)和所述下芯棒(12)的外表面之后，芯棒组件(1)的当前总直径为D1；

在所述第二部分合金丝(52)缠绕在所述一次缠绕保护层(3)的外表面之后，芯棒组件(1)的当前总直径为D2；

在所述二次缠绕保护层(4)包裹在所述第二部分合金丝(52)外侧之后，芯棒组件(1)的当前总直径为D3；

其中，D1与D2的差值不大于1mm；D2与D3的差值不小于2mm。

在上述防热层层间温度及碳化程度复合测量装置中，所述底座(2)为柱状翻边中空结构；

所述底座(2)与下芯棒(12)之间采用型面配合、限制下芯棒(12)的旋转自由度和纵向自由度的方式连接。

在上述防热层层间温度及碳化程度复合测量装置中，

所述底座(2)、上芯棒(11)和下芯棒(12)为树脂基复合材料；所述上芯棒(11)和所述下芯棒(12)通过环氧树脂粘接；

所述合金丝(15)为6J20软态镍铬基合金丝；

所述一次缠绕保护层(13)为有机纤维布，呈薄壳柱状结构；

所述二次缠绕保护层(14)为树脂基复合材料，呈薄壳柱状结构。

相应的，本发明还公开了一种防热层层间温度及碳化程度复合测量方法，包括：

在临近空间飞行器飞行时，通过内嵌在上芯棒和下芯棒中的至少一个热电偶输出电信号；

根据输出的电信号，确定所述防热层当前位置的层间温度；

获取合金丝的电阻变化状态；其中，所述合金丝分别设置在一次缠绕保护层与所述上芯棒和所述下芯棒的外表面之间，和，二次缠绕保护层与所述一次缠绕保护层之间；

根据获取的合金丝的电阻变化状态，确定所述防热层当前位置的实时碳化量；

输出所述当前位置的层间温度和实时碳化量。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明可以对防热层同一位置处的层间温度和碳化程度同时进行测量，实现了临近飞行器同一部位的两类测量(层间温度测量和碳化程度测量)的同时执行，使得两类测量的测量数据之间可以相互印证，提高了测量数据的可分析度。

(2)本发明以单点位置测量的代价实现了对层间温度和碳化程度的同时测量，节省了传感器的数量。

(3)相比现有的连续式烧蚀传感器，本发明解决了传感器本身碳化程度与飞行器防热层碳化程度不一致的问题。

附图说明

图1是是本发明实施例中一种防热层层间温度及碳化程度复合测量装置的结构示意图；

图2是图1中位置A处的局部放大示意图；

图3是本发明实施例中一种芯棒组件的俯视图；

图4是本发明实施例中一种防热层层间温度及碳化程度复合测量方法的步骤流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公共的实施方式作进一步详细描述。

参照图1，示出了本发明实施例中一种防热层层间温度及碳化程度复合测量装置的结构示意图。在本实施例中，所述防热层层间温度及碳化程度复合测量装置包括：芯棒组件1和中空结构的底座2，所述芯棒组件1安装在所述底座2上。其中，所述芯棒组件1包括：上芯棒11、下芯棒12、一次缠绕保护层13、二次缠绕保护层14、合金丝15和至少一个热电偶。

如图1所示，在本实施例中，所述上芯棒11和所述下芯棒12连接；所述一次缠绕保护层13包裹在所述上芯棒11和所述下芯棒12的外表面；所述二次缠绕保护层14包裹在所述一次缠绕保护层13外表面；所述合金丝(15)设置在所述一次缠绕保护层(13)与所述上芯棒(11)和所述下芯棒(12)的外表面之间，以及，所述二次缠绕保护层(14)与所述一次缠绕保护层(13)之间；所述至少一个热电偶分别内嵌在所述上芯棒(11)和所述下芯棒(12)中。

优选的，参照图2，图2是图1中位置A处的局部放大示意图。结合图1和图2，在本实施例中，所述上芯棒11为凹字型结构，包括：凹型槽111和第一安装槽112；其中，所述第一安装槽112设置在所述上芯棒11的远离所述凹型槽111的一端的顶面。所述下芯棒12为凸字型结构，包括：与所述凹型槽111相匹配的凸台121、第二安装槽122、第三安装槽123和第四安装槽124；其中，所述第二安装槽122设置在所述凸台121的顶面；第三安装槽123和第四安装槽124分别设置在所述凸台121的左右两肩。

进一步的，参照图3，示出了本发明实施例中一种芯棒组件的俯视图。结合图1、图2和图3，在本实施例中，优选的，所述上芯棒11还包括：设置在所述第一安装槽112的槽两端的第一通孔1121和第二通孔1122。所述下芯棒12还包括：设置在所述第二安装槽122的槽两端的第三通孔1221和第四通孔1222、设置在所述第三安装槽123的槽两端的第五通孔1231和第六通孔1232、设置在所述第四安装槽124的槽两端的第七通孔1241和第八通孔1242。其中，需要说明的是，各个通孔均为纵向贯穿所述防热层层间温度及碳化程度复合测量装置的通孔。

在本发明的一可行方案中，优选的，所述至少一个热电偶可以为5个，包括：第一热电偶161、第二热电偶162、第三热电偶163和第四热电偶164。如图2，所述第一热电偶161、第二热电偶162、第三热电偶163和第四热电偶164依次对应设置在所述第一安装槽112、第二安装槽122、第三安装槽123和第四安装槽124内。其中，需要说明的是，各个热电偶与各个安装槽之间的间隙处填充环氧树脂；各热电偶的引线处包裹有陶瓷套管；各热电偶的引线分别从对应的通孔处引出，并从所述底座2的中空处穿出。

在本发明的一可行方案中，优选的，如图1所示，在本实施例中，所述合金丝15包括：连接在一起的第一部分合金丝151和第二部分合金丝152。其中，所述第一部分合金丝151从所述下芯棒12的下方起、至所述上芯棒11的上方止，缠绕在所述上芯棒11和所述下芯棒12的外表面；所述一次缠绕保护层13包裹在所述第一部分合金丝151外侧；所述第二部分合金丝152从所述上芯棒11的上方起、至所述下芯棒12的下方止，缠绕在所述一次缠绕保护层13的外表面；所述二次缠绕保护层14包裹在所述第二部分合金丝152外侧。

需要说明的是所述合金丝15是一个完整的合金丝，在本实施例中为了便于描述，故将其分为第一部分合金丝151和第二部分合金丝152进行描述。此外，所述合金丝15也可以用碳丝代替。其中，合金丝15的具体缠绕操作流程可以如下：步骤S1，在上芯棒11和下芯棒12连接之后，在所述上芯棒11和下芯棒12的组合结构圆柱面的外表面缠绕合金丝15，合金丝15自所述下芯棒12的下方起、至所述上芯棒11的上方止，而后将合金丝15线匝保护。步骤S2，在步骤S1完成之后，在完成一次缠绕的部件上使用一次缠绕保护层13包裹。S3，自所述上芯棒11的上方起、至所述下芯棒12的下方止，继续缠绕合金丝15。S4，在步骤S3完成之后，在完成二次缠绕的部件上使用二次缠绕保护层14包裹，并将所述二次缠绕保护层14加工至合适厚度。

在本实施例中，在所述第一部分合金丝151缠绕在所述上芯棒11和所述下芯棒12的外表面之后，芯棒组件1的当前总直径为D1；在所述第二部分合金丝52缠绕在所述一次缠绕保护层3的外表面之后，芯棒组件1的当前总直径为D2；在所述二次缠绕保护层4包裹在所述第二部分合金丝52外侧之后，芯棒组件1的当前总直径为D3。其中，优选的，D1与D2的差值不大于1mm；D2与D3的差值不小于2mm。例如，一组优选的尺寸可以如下：D3＝Φ12mm，D2＝Φ10mm，D1＝Φ9mm。

优选的，所述底座2具体可以为柱状翻边中空结构。所述底座2在与所述芯棒组件1连接时具体可以采用如下方式：所述底座2与下芯棒12之间采用型面配合、限制下芯棒12的旋转自由度和纵向自由度的方式连接。

需要说明的是，在本实施例中，优选的，所述防热层可以是树脂基材料，所述底座2、上芯棒11和下芯棒12均可以采用与防热层相同的树脂基复合材料；所述上芯棒11和所述下芯棒12通过环氧树脂粘接。所述合金丝15为6J20软态镍铬基合金丝。所述一次缠绕保护层13为有机纤维布，呈薄壳柱状结构。所述二次缠绕保护层14为树脂基复合材料，呈薄壳柱状结构。

此外，还需要说明的是，优选的，安装在第一安装槽112内的第一热电偶161位于所述上芯棒11的表面(远离底座2的一面)；安装在第二安装槽122内的第二热电偶162距所述上芯棒11的表面为h1；安装在第三安装槽123内的第三热电偶163距所述上芯棒11的表面为h3；安装在第四安装槽124内的第四热电偶164距所述上芯棒11的表面h2。其中，h1、h2和h3的具体值可以根据实际情况设置，各安装槽内的热电偶的种类视使用环境确定。例如，一组优选的取值可以如下：h1＝3mm，h2＝6mm，h3＝10mm；各安装槽的槽深为0.4mm、槽宽为0.8mm。

进一步的，所述防热层层间温度及碳化程度复合测量装置在使用时，可以在临近空间飞行器上制孔，孔径与所述防热层层间温度及碳化程度复合测量装置的直径相匹配(间隙不大于0.2mm，间隙内使用耐高温硅橡胶封堵)，将所述防热层层间温度及碳化程度复合测量装置自临近空间飞行器的舱内安装于临近空间飞行器上，保证所述防热层层间温度及碳化程度复合测量装置的外表面与所述临近空间飞行器的外表面齐平(高度差不大于0.1mm)。

在上述装置实施例的基础上，本发明实施例还公开了一种防热层层间温度及碳化程度复合测量方法。参照图4，示出了本发明实施例中一种防热层层间温度及碳化程度复合测量方法的步骤流程图。在本实施例中，所述脂基材料防热层层间温度及碳化程度复合测量方法包括：

步骤401，在临近空间飞行器飞行时，通过内嵌在上芯棒和下芯棒中的至少一个热电偶输出电信号。

在本实施例中，临近空间飞行器在飞行时，表面受到气动加热作用，安装于临近空间飞行器上的防热层层间温度及碳化程度复合测量装置中的各个热电偶在探测到温度变化时，输出电信号。

步骤402，根据输出的电信号，确定所述防热层当前位置的层间温度。

步骤403，获取合金丝的电阻变化状态。其中，所述合金丝分别设置在一次缠绕保护层与所述上芯棒和所述下芯棒的外表面之间，和，二次缠绕保护层与所述一次缠绕保护层之间。

在本实施例中，随着临近空间飞行器的防热层发生碳化，一次缠绕保护层和二次缠绕保护层将同步碳化，由于碳化层的导电特性良好，设置在一次缠绕保护层与所述上芯棒和所述下芯棒的外表面之间的第一部分合金丝与设置在二次缠绕保护层与所述一次缠绕保护层之间的第二部分合金丝之间发生短路，合金丝的电阻产生变化.

步骤404，根据获取的合金丝的电阻变化状态，确定所述防热层当前位置的实时碳化量。

在本实施例中，根据合金丝的电阻科研换算可得到防热层的实时碳化量。

步骤405，输出所述当前位置的层间温度和实时碳化量。

在本实施例中，可以同步输出防热层各层的层间温度以及防热层的实时碳化量。

对于方法实施例而言，由于其与装置实施例相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见装置实施例部分的说明即可。

综上所述，本发明实施例所述的防热层层间温度及碳化程度复合测量和方法，可以对防热层同一位置处的层间温度和碳化程度同时进行测量，实现了临近飞行器同一部位的两类测量(层间温度测量和碳化程度测量)的同时执行，使得两类测量的测量数据之间可以相互印证，提高了测量数据的可分析度。

其此，本发明实施例所述的防热层层间温度及碳化程度复合测量和方法，以单点位置测量的代价实现了对层间温度和碳化程度的同时测量，节省了传感器的数量。

此外，相比现有的连续式烧蚀传感器，本发明实施例所述的防热层层间温度及碳化程度复合测量和方法还解决了传感器本身碳化程度与飞行器防热层碳化程度不一致的问题。

本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。