一种航天热流传感器及基于双温差补偿的热流修正方法与流程

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：

1、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。

2、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。

技术实现思路

1、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。

2、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；

3、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，

4、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。

5、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。

6、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。

7、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。

8、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。

9、作为一种可选方式，隔热层为气凝胶隔热毡。

10、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：

11、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；

12、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；

13、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；

14、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。

15、本发明的有益效果为：

16、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。

技术特征：

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：

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：

技术总结
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。

技术研发人员：邱波,国义军,石友安,朱言旦,蒋波,姚杰,张昊元,曾磊
受保护的技术使用者：中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1