一种电弧风洞流场热流密度标定装置和方法

本发明属于天空飞行器设备技术领域，具体涉及一种电弧风洞流场热流密度标定装置和方法。

背景技术：

高超声速飞行器在大气中高速飞行时，头部强激波会压缩波后气体升温至几千甚至上万度，此时飞行器会面临剧烈的气动加热作用。气动热环境的准确预测和热防护系统是高超声速飞行器的重要设计环节。新世纪，随着高超声速飞行器的快速发展，对气动热防护系统的精细化设计也提出了更高的要求。

热防护试验技术即是根据热环境的测量及计算结果，在地面建立对飞行器各部位热环境具有模拟意义的试验条件，对防热材料或飞行器结构件模型进行加热试验，考察材料及模型的热响应特性及防隔热性能。电弧风洞是目前开展防热材料烧蚀考核试验主要地面设备之一，通过电弧加热器产生高温高压气流，经过喷管膨胀加速，在喷管出口获得与飞行器实际飞行环境中焓值、热流、压力等参数相匹配的气流条件，从而为飞行器防热设计提供试验数据支持。其中，冷壁热流密度是地面烧蚀考核试验中非常关键的模拟参数，即单位面积单位时间上通过的能量，它是气流对材料作用最直接的因素，对防热材料的烧蚀性能具有重要影响，需要对其进行准确有效的测量。而且伴随天空飞行器快速发展，基于其低成本、低冗余度、高机动性的要求，需要更精确的热流测量能力来满足精细化热防护系统设计需求。

目前电弧风洞试验中使用的热流测量手段主要是塞式量热计，其结构由一个圆柱形无氧铜塞、外部隔热套及热电偶组成，如图1所示。其工作原理是基于能量平衡原理，通过热电偶测量铜塞背面温度随时间的变化率，计算得到表面热流。

传统塞式量热计具有结构简单，制作成本低，使用安装便捷等优点，但是，其隔热套一般由玻璃钢加工而成，其热导率相比铜塞要低的多，从而会导致在玻璃钢表面形成温度“凸点”。以测量模型材料为例，使用塞式量热计测量电弧风洞热流密度时，模型表面不同时刻温度分布如图2所示。由于玻璃钢导致局部高温区的热量会向中心铜塞传递，因此最终会导致铜塞的热流测量结果偏高，如图3所示。同时，在电弧风洞高温高速气流冲刷烧蚀后，表面容易氧化，尤其在热流环境较高时，隔热套会有一定程度的烧蚀后退，使用寿命会大幅衰减，无法重复使用。

技术实现要素：

针对电弧风洞试验中传统塞式量热计外部玻璃钢隔热套在高温气流冲刷烧蚀后表面氧化及使用寿命衰减问题，本发明的目的在于提供一种新的电弧风洞流场热流密度标定装置和方法，采用同轴热电偶测量模型表面温升，然后根据一维半无限体热传导理论计算得到热流值。

本发明采取的技术方案为：

一种电弧风洞流场热流密度标定装置，包括自内向外呈同轴排布设置的e型同轴热电偶、测量模型和隔离套；

所述e型同轴热电偶安装在隔离套的内部的通孔中，e型同轴热电偶的背面和隔离套之间通过高温固化剂固化处理；

所述同轴热电偶、隔离套以及高温固化剂构成了电弧风洞热流测量探头，电弧风洞热流测量探头安装在测量模型内。

进一步的，所述e型同轴热电偶设置为一种表面结点型热电偶，即e型同轴热电偶，其表面通过粗砂纸打磨导通形成热电偶结点。

进一步的，所述e型同轴热电偶由内部康铜丝及外部的镍铬合金环两种材料组成，中间设置有绝缘材料。

更进一步的，所述e型同轴热电偶的外侧壁和隔离套内侧壁之间嵌设有挡圈，通过挡圈固定e型同轴热电偶。

进一步的，所述隔离套的内部贯穿中心轴设置有圆形通孔，隔离套的外部自前向后同轴依次连接设置为外凸缘a、外凸缘b、外凸缘c，外凸缘a设置为外壁光滑的圆筒ⅰ，外凸缘b设置为外壁光滑的圆筒ⅱ，圆筒ⅱ的外径大于圆筒ⅰ的外径，圆筒ⅱ的外侧壁设置有外螺纹，外凸缘c设置为螺帽结构。

更进一步的，所述隔离套通过外凸缘b的外螺纹与不同测量模型连接，隔离套的外凸缘a与测量模型之间嵌设垫圈，垫圈采用铜材质或铝材质制备而成。

进一步的，所述隔离套采用不锈钢材料、镍铬材料或者康铜材料中的任意一种；测量模型采用不锈钢、铜、铝或防热材料中的任意一种；隔离套的直径根据实验时间和测量模型的厚度进行调整适配。可以在有效时间内测得准确的热流值。

进一步的，所述e型同轴热电偶和隔离套相互卡合的位置分别相应设置为l型卡凸和l型卡槽，所述高温固化剂设置为高温密封胶，高温密封胶嵌设在l型卡凸和l型卡槽之间。

进一步的，所述电弧风洞热流测量探头通过密封垫安装在测量模型内。密封垫设置为铝圈或者铜圈，起到密封作用。

一种电弧风洞流场热流密度标定方法，采用所述一种电弧风洞流场热流密度标定装置，具体包括如下步骤：

(1)将热流测量探头安装在模型中，然后将模型置于电弧风洞流场中，采用e型同轴热电偶输出模型表面温度历程曲线；

(2)根据同轴热电偶测量原理，通过温度曲线按照一维半无限体热传导理论计算得到模型表面热流值；

(3)通过计算得到的热流值调整电弧风洞相关运行参数，从而到达考核预定目标。

本发明的有益效果为：

本发明创新的设计了一种新的热电偶探头，并且采用隔离套与热电偶材料相匹配，从而达到与测试模型表面的热匹配。本发明中的新型热电偶探头在隔离套的隔离作用，可安装于相应的测量模型材料表面，可以在有效时间内测得准确的热流值。由于热电偶和不锈钢材料热物性参数相匹配，因此在模型表面不会出现局部高温区，都是表面都为金属材料，因此新型探头耐烧蚀，可以大大提高其使用寿命。

本发明中采用热物性参数匹配材料进行热流测量，消除了传统塞块量热计测量中存在的横向传热影响，其测量的热流值更加准确，这对于电弧风洞材料考核至关重要。传统塞块量热计因为表面横向热传导使得标定结果值偏高10％以上，如果按照塞块量热计标定结果进行热考核试验，真实加载考核热流值会偏低10％，从而使得材料欠考核，这会引起航天飞行器安全性能。因此，本发明可以大大提高电弧风洞热流密度标定精度，同时使用寿命高，可以降低试验成本。

附图说明

图1为现有技术中塞式量热计结构示意图；

图2为现有技术中不同时刻塞式量热计表面温度分布图；

图3为现有技术中塞式量热计理论误差计算结果图；

图4为本发明中新型热流密度标定装置图；

图4(a)为本发明中垫圈的结构示意图；

图4(b)为本发明中测量模型的结构示意图；

图4(c)为本发明中隔离套的结构示意图；

图4(d)为本发明中挡圈的结构示意图；

图4(e)为本发明中e型同轴热电偶的结构示意图；

图5为同轴热电偶理论误差计算结果图；

图6为新型热流测量探头实物图；

图7为电弧风洞实验结果对比图；

其中，1、垫圈；2、测量模型；3、隔离套；4、挡圈；5、e型同轴热电偶；3-1、外凸缘a；3-2、外凸缘b；3-3、外螺纹；3-4、外凸缘c。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

实施例1

如图4所示，其具体安装结构如图4所示。首先将e型同轴热电偶5(e型同轴热电偶5)安装在隔离套3的内部2.0mm的通孔中，在背面通过高温密封胶进行固化处理。隔离套3的前端直径为8mm，后面设置有m12x1的外螺纹3-3，以方便与不同测试模型的安装。e型同轴热电偶5(e型同轴热电偶5)、隔离套3以及高温固化剂构成了一种新的电弧风洞热流测量探头。在探头与测量模型2安装时，密封垫(密封垫设置为铝圈或者铜圈)起到密封的作用，安装后的整体结构如图6所示，采用同轴热电偶测量模型2表面温升，然后根据一维半无限体热传导理论计算得到热流值。

在实施例1的基础上，不同于实施例1，本发明的又一实施例，如图4和图4(e)所示，所述e型同轴热电偶5设置为一种表面结点型热电偶，即e型同轴热电偶5，其表面通过粗砂纸打磨导通形成热电偶结点。

如图4和图4(d)所示，e型同轴热电偶5的外侧壁和隔离套3内侧壁之间嵌设有挡圈4，通过挡圈4固定e型同轴热电偶5。

e型同轴热电偶5是一种表面结点型热电偶，由康铜丝及外部的镍铬合金环两种材料组成，中间有绝缘材料，表面通过粗砂纸打磨导通形成热电偶结点，其物性参数如表1所示。

表1.同轴热电偶和不锈钢材料热物性参数

从表1可以看出，e型同轴热电偶5自身两种材料镍铬和康铜的热乘积系数十分接近，同时与不锈钢的热乘积系数也很接近，因此，这三者组合起来在其表面材料的热物性参数相匹配，从而不存在横向传热影响，能够满足同轴热电偶的一维半无限体热传导理论要求。图5为采用同轴热电偶作为电弧风洞热流测量探头理论误差计算结果，同轴热电偶在3s时刻其热流测量误差最大也只有2.19％，因此采用同轴热电偶作为流场标定e型同轴热电偶5其测量结果更加准确可靠。

特别的，针对电弧风洞电磁干扰比较严重问题，在e型同轴热电偶5输出线上我们增加了屏蔽层，实验室将屏蔽层与模型支架连通，然后与大地有效连接，从而避免电磁干扰问题。

在实施例1的基础上，不同于实施例1，本发明的又一实施例，e型同轴热电偶5和隔离套3相互卡合的位置分别相应设置为l型卡凸和l型卡槽，所述高温固化剂设置为高温密封胶，高温密封胶嵌设在l型卡凸和l型卡槽之间。高温密封胶具有密封效果好，安装快捷等作用，其保证了电弧风洞流场热流密度标定装置的使用寿命，同时提高电弧风洞热流密度标定精度，降低试验成本。

在实施例1的基础上，不同于实施例1，本发明的又一实施例，如图4和图4(c)所示，隔离套3的内部贯穿中心轴设置有圆形通孔，隔离套3的外部自前向后同轴依次连接设置为外凸缘a3-1、外凸缘b3-2、外凸缘c3-4，外凸缘a3-1设置为外壁光滑的圆筒ⅰ，外凸缘b3-2设置为外壁光滑的圆筒ⅱ，圆筒ⅱ的外径大于圆筒ⅰ的外径，圆筒ⅱ的外侧壁设置有外螺纹3-3，外凸缘c3-4设置为螺帽结构。

如图4和图4(a)、图4(b)所示，隔离套3通过外凸缘b3-2的外螺纹3-3与不同测量模型2连接，隔离套3的外凸缘a3-1与测量模型2之间嵌设垫圈1，垫圈1采用铜材质或铝材质制备而成。

电弧风洞中新型同轴热电偶探头试验中测的热流去曲线如图7所示，为方便对比，塞式量热计的测量结果也在图7中给出。

如图7所示，从实验结果可以看出，塞式量热计测量结果比同轴热电偶偏高10％左右，与数值计算结果一致。因此，在电弧风洞流场标定实验中，采用同轴热电偶作为e型同轴热电偶5测量的结果更加准确可靠。同时，同轴热电偶的响应时间比塞式量热计要更快，能够更好的反应出电弧风洞中的流动过程。

如图6所示，本发明中一种新的热电偶探头，并且采用隔离套3与热电偶材料相匹配，从而达到与测试模型表面的热匹配，可以在有效时间内测得准确的热流值。本发明是国内首次采用同轴热电偶探头作为电弧风洞热流密度测量工具，其测量结果已经得到航天工程单位的认可。

在上述实施例的基础上，本发明的又一实施例，一种电弧风洞流场热流密度标定方法，采用所述一种电弧风洞流场热流密度标定装置，具体包括如下步骤：

(1)将热流测量探头安装在模型中，然后将模型置于电弧风洞流场中，采用e型同轴热电偶5输出模型表面温度历程曲线；

(2)根据同轴热电偶测量原理，通过温度曲线按照一维半无限体热传导理论计算得到模型表面热流值；

(3)通过计算得到的热流值调整电弧风洞相关运行参数，从而到达考核预定目标。

以上所述并非是对本发明的限制，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明实质范围的前提下，还可以做出若干变化、改型、添加或替换，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。