一种测量凸块热流分布探头的制作方法

本发明涉及一种测量凸块热流分布探头，特别是一种应用于航天飞行器热防护材料地面模拟试验中针对凸块类型结构的热流分布测量的探头，可以在高温高速气流中使用。

背景技术：

航天飞行器外形结构由于部件组装的原因，经常在外部设置有吊装口等凸起结构，该类结构在飞行高速过程中受到气流作用会由于局部过热导致结构损坏，因此设计者需要了解其热流分布，然后进行保护。

影响凸块热流分布的主要因素有很多，大致可以分为内部结构因素是指凸块的直径、高度，通常用径高比来体现；外部环境因素：飞行器飞行方向、气流的恢复焓和表面压力，通常用飞行姿态和当地气流参数来表示。目前常见的测量探头仅针对一组参数确定的外形结构进行考虑，一旦个别参数发生改动，只能重新测试，无法预估。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种测量凸块热流分布探头，可测量不同参数组合下凸块内热流分布，获取变化趋势，用以预估不同参数下凸块的热流分布，以满足当前国内航天飞行器热防护地面模拟试验要求。

本发明的技术解决方案是：一种测量凸块热流分布探头，其特征在于包括支架系统、探头基体、组合凸块，其中：

支架系统与探头基体固定连接，可以改变探头基体的俯仰角、滚转角，探头基体的通孔安装组合凸块，组合凸块均匀布置有塞式量热计，用于测量高温高速气流流过圆柱突起对气周边带来的热流变化。

所述的探头基体的攻角区间为-20°～+20°，滚转区间为-45°～+45°。

所述的探头基体为外方内圆的结构件，中心处设置通孔。

所述的支架系统包括平板支架、攻角机构，攻角机构可以带动平板支架实现自由转动和滚转，攻角机构一端与地面固定，另一端与支架固定连接，支架为一个中空方框，与探头基体固定连接。

所述的组合凸块包括中心处开孔的测量板、升降器、与测量板中心开孔直径一致的圆柱凸起，升降器可以调节圆柱凸起相对测量板的高度。

所述的测量板均匀布置有塞式量热计，传感器分布的规律是以圆柱突起为中心，呈多条抛物线装分布。

所述的升降器是一个圆柱机构，与探头基体固定连接，且中轴线与圆柱突起中轴线重合，通过螺纹结构控制圆柱凸起在测量板上表面的高度。

所述的圆柱凸起与测量板在改变径高比时，需要同时更换。

所述的升降器为钢制机构，探头基体为钢制机构，支架为钢制机构，测量板为钢质机构，圆柱凸起为钢质机构。

一种测量凸块热流分布的方法，包括如下步骤：

(1)组装测量凸块热流分布的探头；

(2)将组合凸块安装在支架系统的平板支架通孔处，顶面保持齐平，用升降器调节圆柱凸起距离测量板的高度，通过攻角机构将平板支架以设定俯仰和滚转角送入由电弧风洞产生的高温高速流场中，测量热流密度，当测试完成后，控制攻角机构退回至出发位置，使用升降器改变高度，得到不同的径高比的相同姿态的热流密度测量；

(3)通过攻角机构改变设定俯仰和滚转角，重复进行不同深径比的热流密度测量，进而获得该气流参数下的热流分布。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明通过通过探头采用分体式结构，通过更换组合凸块，模拟不同直径凸起的绕流情况，可以用于研究高温高速气流流过不同直径的凸起对凸起周围的热流分布的影响；

(2)本发明通过组合凸块内设置一升降器，调节凸块高度获得不同径高比参数，可以用于研究高温高速气流流过不同径高比的凸起对凸起周围的热流分布的影响；

(3)本发明可以带动探头俯仰和滚转，改变组合凸块相对高温高速气流的姿态，可以研究高温高速气流流过不同姿态位置的凸块对凸起周围的热流分布的影响。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明凸块周围分布的传感器示意图。

具体实施方式

本发明针对现有技术的不足，提出一种测量凸块热流分布的探头，可以应用于航天飞行器凸块气动热地面模拟试验中，如图1所示为本发明的结构示意图，如图2所示为本发明凸块周围分布的传感器示意图，腔底的热流测点q1～q22等角螺旋线分布，本发明一种测量凸块热流分布的探头包括支架系统1、探头基体2、组合凸块3，支架系统1包括平板支架11、攻角机构12，攻角机构12可以带动平板支架11实现自由转动和滚转。探头基体2为一个外方内圆的钢质结构件，外尺寸为150mm×150mm×50mm，中心处设置一个直径120mm通孔，组合凸块3包括一个外径120mm，中心处开孔的钢质的测量板31、升降器32和与测量板中心开孔直径一致的钢质圆柱凸起33，升降器32可以调节圆柱凸起33相对测量板31的高度，达到改变径高比的目的，测量板31均匀布置有塞式量热计。

攻角机构12是一个可以进行滚转和俯仰变化的机械，一端与地面固定，一端与支架11固定连接，支架11为一个中空钢质方框外尺寸为180mm×180mm×50mm，内部空腔尺寸为150mm×150mm×50mm，与探头基体2固定连接，探头基体2为一个外方内圆的钢质结构件，外尺寸为150mm×150mm×50mm，中心处设置一个直径120mm通孔，通孔中安装组合凸块3中的测量板31，测量板31上表面与探头基体2上表面齐平，测量板31是可以更换的部件，测量板31是一个外形类似圆柱的钢结构件，外径固定为120mm，方便和探头基体2的中心处开孔连接，测量板31中心处开孔，开孔直径与圆柱凸起33一致，测量板31上表面安装了多个热流传感器，用于测量高温高速气流流过圆柱突起对气周边带来的热流变化，传感器分布的规律是以圆柱突起为中心，呈多条抛物线装分布。圆柱凸起33为一个钢质圆柱结构件，安装在测量板31中心开孔处，一端凸出测量板31上表面，另一端与升降器32连接，圆柱凸起33是一个重要部件，通过更换不同直径的圆柱凸起33可以获得不同的热流分布，如果更换不同直径的圆柱凸起33，那么也需要同时更换中心开孔直径与圆柱凸起33直径一致的测量板31，圆柱凸起33另一端与升降器32连接，升降器32是一个圆柱钢制机构，与探头基体2固定连接，中轴线与圆柱突起33中轴线重合，通过螺纹结构控制圆柱凸起33在测量板31上表面的高度。

进行测量试验时，进行测量试验时，将组合凸块3安装在支架系统的平板支架11通孔处，顶面保持齐平，升降器32调节圆柱凸起33距离测量板31的高度，通过攻角机构12将平板支架11以俯仰和滚转角(模拟飞行器常用的攻角和俯仰角区间，攻角区间为-20°～+20°，滚转为-45°～+45°)送入由电弧风洞产生的高温高速流场中，测量此时的热流密度，完成测试后，攻角机构12退回至出发位置，升降器32改变高度，得到不同的径高比，由攻角机构12以相同姿态送入流场，完成测试，完成多个深径比的测试后，由攻角机构12改变试验姿态，继续经行下一轮不同深径比的测试，进而获得该气流参数下的热流分布。

表1不同影响参数下热流分布(单位kw/m²)

如表1所示为不同影响参数下热流分布，该表格为在相同气流参数下，直径20mm组合凸块在攻角为2°，滚转为0°情况下，通过调整升降器，将高度由0mm升至5mm、10mm、20mm、60mm测量板27个传感器测量数值。热流值表明在凸块周围有一片区域的热流明显高于其他区域，把这片区域定义为凸块的干扰区。

数据表明在直径相同的情况下，来流参数不变的情况下，改变凸块的高度，即改变径高比，凸块的干扰区面积增加，但是区域内相同点的数值仅轻微增加。然后改变攻角为12°，滚转角为0°，通过调整升降器，将高度调整为5mm情况下测量板27个传感器测量数值。攻角对凸块的干扰区内的影响比干扰区外的要小；然后改变攻角为2°，滚转角为10°，通过调整升降器，将高度调整为5mm情况下测量板27个传感器测量数值，滚转角对凸块的干扰区内的影响比干扰区外的趋势一致；然后更换直径40凸块的组合凸块在攻角为2°，滚转为0°情况下，通过调整升降器，将高度调整为10mm情况下测量板27个传感器测量数值。

直径增加能够显著增加凸块的干扰区面积，干扰区内的热流数值与径高比一致的小直径的干扰区相似。数据表明，随着高度增加，气流对凸块周围的热流影响区域增加，但是对于距离凸块最近的区域，热流略有增加。随着攻角增加，气流对测量板的热流增加，凸块影响区域增加绝对量小于非影响区域；随着滚转角增加，气流对测量板一侧热流高于另一侧；径高比相同情况下，改变组合凸块的直径，气流对腔底产生的热流相似

综上所述，本发明一种测量凸块热流分布探头，创新点包括探头基体与支架系统连接，内部安有组合凸块，组合凸块的测量板安装塞式量热计；组合凸块为可更换部件，根据不同的情况更换不同直径的凸块；组合凸块内部含有升降器，可以调节底面高度，调整径高比。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。