針對(duì)真空艙內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)羽流場(chǎng)氣動(dòng)熱流測(cè)量裝置及測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)械設(shè)計(jì)和氣動(dòng)領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)，是一套針對(duì)真空艙內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)羽流場(chǎng)氣動(dòng)熱流測(cè)量裝置及測(cè)量方法，適用于所有地面條件下的真空羽流場(chǎng)。
【背景技術(shù)】
[0002]姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)是航天器上的動(dòng)力裝置，是航天器實(shí)現(xiàn)位置保持、姿態(tài)控制和軌道轉(zhuǎn)移等功能所必需的核心部件。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的噴流向外部真空環(huán)境膨脹形成的羽毛狀流場(chǎng)，稱為真空羽流，真空羽流會(huì)對(duì)航天器產(chǎn)生氣動(dòng)熱效應(yīng)，造成航天器表面溫度升高和材料損壞，使得航天器整體或某些部件因此受損，輕則降低工作元件的性能，重則導(dǎo)致飛行任務(wù)的失敗，這是始終困擾航天設(shè)計(jì)部門的重要問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題，必須在地面條件下對(duì)羽流氣動(dòng)熱進(jìn)行分析，開展羽流氣動(dòng)熱測(cè)量。然而在地面真空實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中測(cè)量時(shí)，不可避免地會(huì)遇到以下四個(gè)難題:
[0003]第一，羽流場(chǎng)本身溫度很高，其總溫可達(dá)3000K，一般材料難以承受如此高溫，試驗(yàn)時(shí)熱流傳感器測(cè)量件極其信號(hào)線容易損壞；
[0004]第二，地面真空實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)都伴隨有深冷環(huán)境，一般溫度在_190°C，在如此低溫環(huán)境下，普通熱流傳感器測(cè)量件極其信號(hào)線容易損壞；
[0005]第三，羽流場(chǎng)溫度很高，為保證熱流傳感器的固定支架在高溫環(huán)境下工作時(shí)具有足夠的強(qiáng)度，從經(jīng)濟(jì)角度，一般選用不銹鋼等金屬材料，但金屬優(yōu)良的導(dǎo)電性會(huì)干擾熱流傳感器的輸出信號(hào)，導(dǎo)致測(cè)量噪聲很大，甚至無(wú)法獲得有效測(cè)量數(shù)據(jù)；
[0006]第四，羽流場(chǎng)主流區(qū)域大小一般是Φ1ι?Χ2πι，測(cè)量如此大區(qū)域的熱流分布一般方法是大量布置熱流傳感器，然而由于流場(chǎng)是超聲速流，傳感器之間會(huì)彼此影響，干擾流場(chǎng)的測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決真空羽流場(chǎng)氣動(dòng)熱難以測(cè)量的問(wèn)題，本發(fā)明提出一套針對(duì)真空艙內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)羽流場(chǎng)氣動(dòng)熱流測(cè)量裝置及測(cè)量方法，可有效解決以上難題，實(shí)現(xiàn)羽流場(chǎng)氣動(dòng)熱流的大范圍、精確測(cè)量。
[0008]針對(duì)真空艙內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)羽流場(chǎng)氣動(dòng)熱流測(cè)量裝置，包括支架、熱流傳感器、三維移動(dòng)裝置、信號(hào)轉(zhuǎn)換器和信號(hào)采集設(shè)備。
[0009]其中，支架包括安裝底座、連桿、傳感器固定板與連桿；所述安裝底座具有水平固定面與豎直連接面，固定安裝于四軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的安裝平臺(tái)上。連桿具有兩根，兩根連桿的前端與豎直連接面固連，后端與傳感器固定板固連，且兩根連桿左右對(duì)稱水平設(shè)置；所述傳感器固定板上加工有傳感器安裝孔。
[0010]所述熱流傳感器采用圓箔式；熱流傳感器后端部伸入傳感器安裝板上的傳感器安裝孔；絕緣套為后端周向具有凸臺(tái)的圓筒；絕緣套的圓柱部分位于熱流傳感器外壁與傳感器安裝孔側(cè)壁間，使凸臺(tái)與傳感器固定板貼合；熱流傳感器后端周向上設(shè)計(jì)有安裝法蘭與絕緣套上的凸臺(tái)貼合，通過(guò)固定螺栓穿過(guò)安裝法蘭與絕緣套上的凸臺(tái)，將絕緣套與熱流傳感器固定于傳感器安裝板上。熱流傳感器后端上罩有絕緣端蓋，絕緣端蓋為內(nèi)凹的平板；使絕緣端蓋的內(nèi)凹面與熱流傳感器后端完全接觸；絕緣端蓋與傳感器固定板固定。熱流傳感器的信號(hào)線依次穿過(guò)絕緣端蓋以及支架的豎直連接面，連接到信號(hào)轉(zhuǎn)換器上，隨后通過(guò)穿艙法蘭引出至真空艙外的信號(hào)采集設(shè)備上；通過(guò)熱流傳感器測(cè)得的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)后，經(jīng)信號(hào)采集設(shè)備采集，根據(jù)熱流傳感器的系數(shù)換算得到熱流值，實(shí)現(xiàn)真空艙內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)羽流場(chǎng)氣動(dòng)熱流測(cè)量。
[0011]上述信號(hào)線完全置于信號(hào)線保護(hù)件內(nèi)部；信號(hào)線保護(hù)件為一端具有外螺紋的圓管，通過(guò)螺紋與傳感器固定支板上的螺紋孔配合螺紋固連。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0013]1、本發(fā)明通過(guò)傳感器選型、線路保護(hù)、點(diǎn)火時(shí)間控制等措施，完全避免了傳感器遭受損壞的可能；
[0014]2、本發(fā)明通過(guò)控制熱流傳感器的表面溫度，大大降低熱流傳感器的零漂；
[0015]3、本發(fā)明將艙內(nèi)所有線路均選擇為聚四氟乙烯材料，避免了材料在艙內(nèi)低溫環(huán)境下?lián)p壞，同時(shí)限制了信號(hào)轉(zhuǎn)換器的電容種類，保證了信號(hào)轉(zhuǎn)換器可以在真空艙內(nèi)使用，使mV信號(hào)傳輸距離很短，極大減少了信號(hào)遭受干擾的可能性，提高了測(cè)量精度；
[0016]4、本發(fā)明通過(guò)巧妙的絕緣套設(shè)計(jì)，將熱流傳感器與艙體等金屬隔絕，保證傳感器不受外界設(shè)備電信號(hào)的干擾；
[0017]5、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了只用一個(gè)熱流傳感器，配合三維移動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)了全流場(chǎng)的測(cè)量，完全解決了多個(gè)傳感器之間互相干擾，影響流場(chǎng)形態(tài)導(dǎo)致的測(cè)量不準(zhǔn)確問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本發(fā)明羽流場(chǎng)氣動(dòng)熱測(cè)量裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2為本發(fā)明羽流場(chǎng)氣動(dòng)熱流測(cè)量裝置中支架與熱流傳感器結(jié)構(gòu)及安裝方式示意圖；
[0020]圖3為本發(fā)明羽流場(chǎng)氣動(dòng)熱流測(cè)量裝置中支架與熱流傳感器連接結(jié)構(gòu)剖視圖；
[0021]圖中:
[0022]1-支架熱流傳感器 2-熱流傳感器3-三維移動(dòng)裝置 4-信號(hào)轉(zhuǎn)換器
[0023]5-信號(hào)采集設(shè)備6-絕緣套7-絕緣端蓋8-信號(hào)線保護(hù)件
[0024]101-安裝底座102-連桿103-傳感器固定板
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0026]本發(fā)明針對(duì)真空艙內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)羽流場(chǎng)氣動(dòng)熱流測(cè)量裝置，包括支架1、熱流傳感器2、三維移動(dòng)裝置3、信號(hào)轉(zhuǎn)換器4和信號(hào)采集設(shè)備5，如圖1所示。
[0027]其中，支架I包括安裝底座101、連桿102與傳感器固定板103。所述安裝底座101采用不銹鋼制成，具有水平固定面與豎直連接面。連桿102具有兩根，采用不銹鋼制作，兩端加工有通孔，用于連接安裝底座101與傳感器固定板103。兩根連桿102的前端與豎直連接面固連，后端與傳感器固定板103固連，且兩根連桿102左右對(duì)稱水平設(shè)置。所述傳感器固定板103采用不銹鋼制成，厚度5?8mm之間，寬度4?6mm之間，略大于熱流傳感器2外徑，長(zhǎng)度大于兩根連桿102間距，滿足固定要求。傳感器固定板103上加工有傳感器安裝孔，傳感器安裝孔直徑在3?4_之間，大于熱流傳感器2直徑，用于放置熱流傳感器2 ;在傳感器安裝孔外圍加工有四個(gè)固定螺紋孔，四個(gè)固定螺紋孔中心連線為長(zhǎng)方形，且長(zhǎng)方形的長(zhǎng)度方向與傳感器安裝板103長(zhǎng)度方向一致，長(zhǎng)度大于熱流傳感器2后端周向上設(shè)計(jì)的安裝法蘭直徑，寬度視熱流傳感器2上安裝法蘭直徑而定。傳感器固定板103上左右兩端加工有連桿安裝孔，用于連接兩根連接102。
[0028]所述熱流傳感器2采用圓箔式，外殼為不銹鋼材料，量程試發(fā)動(dòng)機(jī)而定；熱流傳感器2端面有效測(cè)量區(qū)域表面要求無(wú)吸收涂層，以減少熱流傳感器2對(duì)輻射熱的吸收。熱流傳感器2后端部伸入傳感器安裝板103上的傳感器安裝孔。熱流傳感器2上套有采用聚四氟乙烯材料制成的絕緣套6，絕緣套6為后端周向具有凸臺(tái)的圓筒，內(nèi)徑比熱流傳感器2外徑略大(不超過(guò)0.2mm)，外徑比傳感器安裝孔直徑略小(不超過(guò)0.2mm);其圓柱部分(不包括凸臺(tái))長(zhǎng)度與傳感器安裝板103厚度相同；凸臺(tái)直徑與熱流傳感器的安裝法蘭外徑相同。絕緣套6的圓柱部分位于熱流傳感器2外壁與傳感器安裝孔側(cè)壁間，使凸臺(tái)與傳感器固定板103貼合，實(shí)現(xiàn)絕緣套6的定位。熱流傳感器2的安裝法蘭與絕緣套6上的凸臺(tái)貼合，通過(guò)固定螺栓穿過(guò)安裝法蘭與絕緣套6上的凸臺(tái)，將絕緣套6與熱流傳感器2固定于傳感器安裝板103上。熱流傳感器2后端上罩有采用聚四氟材料制成的絕緣端蓋7，絕緣端蓋7為內(nèi)凹的平板，寬度比熱流傳感器2的信號(hào)線直徑大(至少6_)，但比熱流傳感器2的安裝法蘭直徑小(至少6_);內(nèi)凹部分長(zhǎng)度比熱流傳感器2的安裝法蘭外徑略大(不超過(guò)0.2mm)，高度略小于熱流傳感器2的安裝法蘭厚度(0.2?0.5_之間);絕緣端蓋7上的內(nèi)凹部分罩住熱流傳感器2后端部，使絕緣端蓋7的內(nèi)凹面與熱流傳感器2后端完全接觸。絕緣端蓋7通過(guò)固定螺栓與傳感器固定板103固定，使固定螺栓的螺帽與熱流傳感器2測(cè)量端面位于傳感器固定板103同側(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)熱流傳感器2的固定。上述熱流傳感器2上的安裝法蘭端面與熱流傳感器2測(cè)量端面間的距離不少于30mm，傳感器安裝板103厚度不