一种增强戈登式热流计瞬态响应特性的数值处理方法与流程

本发明涉及航天器地面试验，涉及一种在航天器试验中，通过戈登式热流计未平衡数据，预测热流计平衡态数据的一种数值处理方法。

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、受限于实际的试验环境，通过地面空间环境模拟容器的有限空间，难以对实际轨道空间的无限空间进行真实的模拟，尤其对于发动机工作时羽流的扩散特性存在较大差异，在空间环境模拟容器内部，压力的维持依靠多台低温泵及相应的冷板等设备完成，因此与轨道上的羽流扩散存在明显差异，低温对羽流气体的吸附往往无法达到空间中羽流向无限大空间扩散的速度，导致容器内的压力会随发动机的工作而上升。根据统计在发动机试验中，发动机工作几百毫秒后的压力已经可达到10pa，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。只能使用发动机启动后100ms左右的未稳定数据去预测实际的稳态数据，

4、因此，设计和发明一种增强戈登式热流计瞬态响应特性的数值处理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，而提出的一种增强戈登式热流计瞬态响应特性的数值处理方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、本发明提供一种增强戈登式热流计瞬态响应特性的数值处理方法，包括以下步骤：

4、s1：试验前的参数获取，通过激光等手段形成一个近似恒定的热流，并对热流计的输出进行测试，以此获得热流计的等效半径、等效厚度等结构参数；

5、s2：试验中的实时热流计算，基于热流计的等效参数，基于预估的实际热流大小，基于罚函数方法，以计算传感器输出与实际传感器输出的均方根误差最小为目标进行迭代，获得传感器吸收热流的大小。

6、在一些实施例中，本发明还包括以下技术特征：

7、步骤s1包括以下步骤：

8、a2:施加热流；

9、a5:根据输出曲线拟合初始参数；

10、a6:基于罚函数法进行非线性最优化求解。

11、步骤a2具体为，通过激光等手段产生一个近似于常值的热流，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。

12、步骤a5具体为，通过对传感器响应以q＝q0(1-et/τ)的形式进行拟合，获得传感器在当前环境的时间常数τ，进而根据关联式时间常数τ与敏感面等效直径r、热扩散系数a间关系式τ＝r2/a，对传感器敏感面的等效半径r进行计算，并根据传感器的稳态输出，对传感器的等效厚度l进行计算，以此作为结构参数初始值。

13、步骤a6具体为，以当前环境为初始条件，以热流输入为边界条件，通过离散化的传感器敏感面非稳态传热方程对热流计的输出值进行计算，并计算其和真实试验值的均方根误差，均方根误差最小为目标，以罚函数法进行迭代，以获得与实际情况最接近的敏感面等效半径r和等效厚度l。

14、步骤s2包括以下步骤：

15、b3：截取试验数据；

16、b4：指数曲线拟合；

17、b6：基于离散格式对传感器输出进行预示；

18、b8：基于罚函数法进行非线性最优化求解。

19、步骤b3用于对试验中热流计的输出进行裁剪，具体地，选取t0+δt，其中t0为试验中传感器输出值发生突然变化的时间点，δt为时间延迟，用于去除试验中试验件输出不稳定的时间。

20、步骤b4用于获得实时热流计算的初始值，根据传感器在t0+δt～当前时间的输出，以q＝q0(1-et/τ)的形式进行拟合，其中τ为试验前参数获取过程中获得的时间常数的初始值。

21、步骤b6用于对当前参数下的热流计输出进行计算，根据热流计表面传热方程的离散格式，可对各时间点下传感器的输出进行计算。

22、步骤b8用于对真实的热流值进行求解，其中优化目标为实测的传感器热流输出序列与计算结果的均方根误差最小，其中等效半径r、等效厚度l为给定值，物性参数按照敏感面的材料进行自动计算，调整值为实际到达热流密度q0，通过在给定边界的条件下，对到达热流密度q0的进一步迭代，可获得高精度的稳态热流值。

23、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果：本方法一种增强戈登式热流计的瞬态响应特性的数值处理方法，可基于热流计在极短时间的试验数据，快速预示真实热流的大小，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：

1.一种增强戈登式热流计瞬态响应特性的数值处理方法，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包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤a2具体为，通过激光等手段产生一个近似于常值的热流，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。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤a5具体为，通过对传感器响应以q＝q0(1-et/τ)的形式进行拟合，获得传感器在当前环境的时间常数τ，进而根据关联式时间常数τ与敏感面等效直径r、热扩散系数a间关系式τ＝r2/a，对传感器敏感面的等效半径r进行计算，并根据传感器的稳态输出，对传感器的等效厚度l进行计算，以此作为结构参数初始值。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤a6具体为，以当前环境为初始条件，以热流输入为边界条件，通过离散化的传感器敏感面非稳态传热方程对热流计的输出值进行计算，并计算其和真实试验值的均方根误差，均方根误差最小为目标，以罚函数法进行迭代，以获得与实际情况最接近的敏感面等效半径r和等效厚度l。

6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤s2包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤b3用于对试验中热流计的输出进行裁剪，具体地，选取t0+δt，其中t0为试验中传感器输出值发生突然变化的时间点，δt为时间延迟，用于去除试验中试验件输出不稳定的时间。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤b4用于获得实时热流计算的初始值，根据传感器在t0+δt～当前时间的输出，以q＝q0(1-et/τ)的形式进行拟合，其中τ为试验前参数获取过程中获得的时间常数的初始值。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤b6用于对当前参数下的热流计输出进行计算，根据热流计表面传热方程的离散格式，可对各时间点下传感器的输出进行计算。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤b8用于对真实的热流值进行求解，其中优化目标为实测的传感器热流输出序列与计算结果的均方根误差最小，其中等效半径r、等效厚度l为给定值，物性参数按照敏感面的材料进行自动计算，调整值为实际到达热流密度q0，通过在给定边界的条件下，对到达热流密度q0的进一步迭代，可获得高精度的稳态热流值。

技术总结
本发明涉及一种增强戈登式热流计瞬态响应特性的数值处理方法，包括试验前的参数获取过程和试验中的实时热流计算过程。其中，试验前的参数获取过程通过激光等手段形成一个近似恒定的热流，并对热流计的输出进行测试，以此获得热流计的等效半径、等效厚度等结构参数。实时热流计算过程基于热流计的等效参数，基于预估的实际热流大小，基于罚函数方法，以计算传感器输出与实际传感器输出的均方根误差最小为目标进行迭代，获得传感器吸收热流的大小。通过引入本发明，可通过热流计未达到平衡时的数据预测其达到稳定时的数据，并充分考虑物性参数等非线性影响，有效解决特殊试验中时间短、可用数据少等问题，可对真实热流进行高精度的预示。

技术研发人员：柳晓宁,李西园,杨晓宁,吴东亮,邓俊武,刘泽元,郭芹良,黄念之
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