一种基于物理模型的戈登式热流计瞬态外推方法与流程

本发明涉及航天器地面试验，涉及一种在航天器试验中，通过瞬态热流计的未平衡数据，预测其平衡值的技术，尤其涉及一种基于物理模型的戈登式热流计瞬态外推方法。

背景技术：

1、在航天器试验中，热流计是测量热流航天器表面入射、吸收热流的重要传感器之一，戈登式热流计广泛用于航天器高温、高热流模拟试验中，如再入段模拟、推力器点火等试验中。

2、近年来，随着深空探测等领域的发展，星球表面返回器往往需要在地外星球表面进行点火、起飞，大推力发动机对于着陆器以及上升器等组件表面带来了每平米高达数十千瓦级的大热流，而以往的地球轨道航天器中往往不存在这种特殊的环境。为了对发动机羽流对探测器表面产生的大热流进行测量，往往需要在模拟的空间环境下的进行测试。

3、但是，受限于试验环境，对于发动机的热流测量往往诸多问题：首先，在地面空间环境模拟容器内部进行发动机点火时，压力的维持依靠真空系统进行，即只能通过多个真空泵以及低温冷板的方式对发动机羽流气体进行吸附，吸附能力往往无法满足发动机稳态工作下的气体排出需求，在几百毫秒左右压力已经可从0.01pa上升至10pa左右，而背压的改变往往带来了发动机工作状态的改变，使试验与实际工作的无限大空间存在显著的差异。其次，对于戈登式热流计而言，一般时间常数在几十至数百毫秒左右，在1个时间常数的时间内，往往只能达到63％的热流，而到达7倍时间常数时才能达到实际热流值的99.9％。因此，对于在真空、低温环境下模拟大功率发动机点火的过程，热流计达到平衡时，试验压力往往已达到10pa量级，使此时的测量热流已经不具有参考意义，而使用前段数据时，由于热流计尚未稳定，又会带来较大的误差。只能使用热流计尚未稳定的数据去预示其在稳定下的可能输出。

4、因此，设计和发明一种基于物理模型的戈登式热流计瞬态外推方法具有积极的现实意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决的上述问题，而提出的一种基于物理模型的戈登式热流计瞬态外推方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、本发明提供一种对戈登式热流计的瞬态测量进行外推的方法，包括以下步骤：

4、s1：试验前标定，通过激光等手段对热流计进行测试，获得热流计的输出系数、响应时间等关键参数；

5、s2：试验后数据处理，以戈登式热流计的非平衡态数据，预测达到平衡后的数据，以解决试验时间短，热流计无法平衡的问题，包括以下步骤：

6、b1：收集试验数据；

7、b2：数据预裁剪；

8、b3：数据预拟合；

9、b4：测量数据线性化；

10、b5：非线性点剔除；

11、b6：数据拟合；

12、b8：稳态热流预示。

13、在一些实施例中，本发明还包括以下技术特征：

14、步骤s1中，通过激光等手段产生一个近似于阶跃的热流，并持续对戈登式热流计的输出毫伏信号进行采集直到输出信号稳定，并对数据曲线按照理论曲线进行拟合，一般标定热流的范围不小于试验中的可能热流范围。

15、步骤s1中，根据传感器的稳态热流q0与传感器输出信号v，获得所述输出系数；进而按照理论输出曲线拟合，其中τ为时间常数(s)。拟合数据的时间起始点一般选取标定装置启动至少30ms后，以降低设备启动的影响，拟合数据的时间终止点至少为7倍的时间常数，以使热流达到稳定热流的至少99.9％；

16、步骤b2由人工完成，根据试验中的时间，对戈登式热流计的试验数据进行裁剪，裁剪后的起点至少覆盖试验的起始时间，裁剪的终点至少覆盖试验的终止时间。

17、所述试验数据的采集频率一般优于100hz。

18、步骤b3为根据当前数据，以关联式的形式对数据自动拟合，其中t为自变量时间(s)，q为因变量热流密度(w/m2),根据采集的毫伏数据和输出系数进行计算，τ为时间常数，根据试验前的标定过程设为定值，t0、c均为常数，分别代表自变量和因变量的偏移，以对时间、热流的测量误差进行补偿，q0为初步获得的预示稳态热流。

19、步骤b4用于将数据预拟合的结果进行线性化处理，具体地，按照的方式对所有数据进行处理。

20、步骤b5用于对线性化后的点集(xn,yn)进行处理，按照y＝ax的形式进行拟合，并计算所有点与直线y＝ax的欧氏距离，以对数据进行第二次裁剪，筛除由于试验件特性未稳定及其他原因导致的无法使用的数据点。

21、步骤b6用于对第二次裁剪后的数据再次进行拟合，拟合式为其中t为自变量时间(s)，q为因变量热流密度(w/m2),根据采集的毫伏数据和输出系数进行计算，τ*为根据初步获得的预示稳态热流q0所线性插值的时间常数，为固定值。自变量偏移t0、因变量偏移c、预示热流q1为通过拟合获得常数。

22、步骤b8输出拟合获得的q1值，作为预示热流的平均值，并根据拟合获得的95％ci，输出热流q1的95％置信区间作为参考值。

23、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果：本方法基于戈登式热流计的实际物理模型和标定参数，可基于热流计在100ms左右的试验数据，快速判断处于发动机正常工作的点，并对符合规律的数据点进行快速、精准的拟合，并给出预示真实热流的置信区间，尤其适用于发动机点火试验等持续时间极短的热流测试。

技术特征：

1.一种对戈登式热流计的瞬态测量进行外推的方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s1中，通过激光等手段产生一个近似于阶跃的热流，并持续对戈登式热流计的输出毫伏信号进行采集直到输出信号稳定，并对数据曲线按照理论曲线进行拟合。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤s1中，根据传感器的稳态热流q0与传感器输出信号v，获得所述输出系数；进而按照理论输出曲线拟合，其中τ为时间常数(s)。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b2由人工完成，根据试验中的时间，对戈登式热流计的试验数据进行裁剪，裁剪后的起点至少覆盖试验的起始时间，裁剪的终点至少覆盖试验的终止时间。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述试验数据的采集频率优于100hz。

6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤b3为根据当前数据，以关联式的形式对数据自动拟合，其中t为自变量时间(s)，q为因变量热流密度(w/m2),根据采集的毫伏数据和输出系数进行计算，τ为时间常数，根据试验前的标定过程设为定值，t0、c均为常数，分别代表自变量和因变量的偏移，以对时间、热流的测量误差进行补偿，q0为初步获得的预示稳态热流。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤b4用于将数据预拟合的结果进行线性化处理，具体地，按照的方式对所有数据进行处理。

8.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤b5用于对线性化后的点集(xn，yn)进行处理，按照y＝ax的形式进行拟合，并计算所有点与直线y＝ax的欧氏距离，以对数据进行第二次裁剪，筛除由于试验件特性未稳定及其他原因导致的无法使用的数据点。

9.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤b6用于对第二次裁剪后的数据再次进行拟合，拟合式为其中t为自变量时间(s)，q为因变量热流密度(w/m2),根据采集的毫伏数据和输出系数进行计算，τ*为根据初步获得的预示稳态热流q0所线性插值的时间常数，为固定值，自变量偏移t0、因变量偏移c、预示热流q1为通过拟合获得常数。

10.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤b8输出拟合获得的q1值，作为预示热流的平均值，并根据拟合获得的95％ci，输出热流q1的95％置信区间作为参考值。

技术总结
本发明涉及一种对戈登式热流计的瞬态测量进行外推的方法，包括试验前标定和试验后数据处理两个主要步骤。其中试验前标定过程通过激光等手段对热流计进行测试，获得热流计的输出系数、响应时间等关键参数，试验后数据处理过程主要包括数据预裁剪、数据预拟合、数据线性化、非线性点剔除、数据拟合、稳态热流预示等步骤。通过引入本发明，可在热流计输出参数尚未稳定时对稳态的热流参数进行预示，有效解决推力器试验中工作时间极短，可用数据极少，导致的热流计尚未平衡，热流测量误差大的问题，相对于其他数据推测方法，本申请充分考虑了热流计的实际物理模型，结合了统计学方法，可对真实热流的范围进行高效、高置信度的推算。

技术研发人员：李西园,吴东亮,李春杨,柳晓宁,李长勋,杨东升,郭芹良
受保护的技术使用者：北京卫星环境工程研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15