针对真空舱内发动机羽流场气动热流测量装置及测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及机械设计和气动领域，具体来说，是一套针对真空舱内发动机羽流场气动热流测量装置及测量方法，适用于所有地面条件下的真空羽流场。
【背景技术】
[0002]姿轨控发动机是航天器上的动力装置，是航天器实现位置保持、姿态控制和轨道转移等功能所必需的核心部件。发动机工作时产生的喷流向外部真空环境膨胀形成的羽毛状流场，称为真空羽流，真空羽流会对航天器产生气动热效应，造成航天器表面温度升高和材料损坏，使得航天器整体或某些部件因此受损，轻则降低工作元件的性能，重则导致飞行任务的失败，这是始终困扰航天设计部门的重要问题。为了解决这个问题，必须在地面条件下对羽流气动热进行分析，开展羽流气动热测量。然而在地面真空实验系统中测量时，不可避免地会遇到以下四个难题:
[0003]第一，羽流场本身温度很高，其总温可达3000K，一般材料难以承受如此高温，试验时热流传感器测量件极其信号线容易损坏；
[0004]第二，地面真空实验系统都伴随有深冷环境，一般温度在_190°C，在如此低温环境下，普通热流传感器测量件极其信号线容易损坏；
[0005]第三，羽流场温度很高，为保证热流传感器的固定支架在高温环境下工作时具有足够的强度，从经济角度，一般选用不锈钢等金属材料，但金属优良的导电性会干扰热流传感器的输出信号，导致测量噪声很大，甚至无法获得有效测量数据；
[0006]第四，羽流场主流区域大小一般是Φ1ι?Χ2πι，测量如此大区域的热流分布一般方法是大量布置热流传感器，然而由于流场是超声速流，传感器之间会彼此影响，干扰流场的测量。
【发明内容】
[0007]为了解决真空羽流场气动热难以测量的问题，本发明提出一套针对真空舱内发动机羽流场气动热流测量装置及测量方法，可有效解决以上难题，实现羽流场气动热流的大范围、精确测量。
[0008]针对真空舱内发动机羽流场气动热流测量装置，包括支架、热流传感器、三维移动装置、信号转换器和信号采集设备。
[0009]其中，支架包括安装底座、连杆、传感器固定板与连杆；所述安装底座具有水平固定面与竖直连接面，固定安装于四轴运动机构的安装平台上。连杆具有两根，两根连杆的前端与竖直连接面固连，后端与传感器固定板固连，且两根连杆左右对称水平设置；所述传感器固定板上加工有传感器安装孔。
[0010]所述热流传感器采用圆箔式；热流传感器后端部伸入传感器安装板上的传感器安装孔；绝缘套为后端周向具有凸台的圆筒；绝缘套的圆柱部分位于热流传感器外壁与传感器安装孔侧壁间，使凸台与传感器固定板贴合；热流传感器后端周向上设计有安装法兰与绝缘套上的凸台贴合，通过固定螺栓穿过安装法兰与绝缘套上的凸台，将绝缘套与热流传感器固定于传感器安装板上。热流传感器后端上罩有绝缘端盖，绝缘端盖为内凹的平板；使绝缘端盖的内凹面与热流传感器后端完全接触；绝缘端盖与传感器固定板固定。热流传感器的信号线依次穿过绝缘端盖以及支架的竖直连接面，连接到信号转换器上，随后通过穿舱法兰引出至真空舱外的信号采集设备上；通过热流传感器测得的电压信号，经过信号转换器转换为电流信号后，经信号采集设备采集，根据热流传感器的系数换算得到热流值，实现真空舱内发动机羽流场气动热流测量。
[0011]上述信号线完全置于信号线保护件内部；信号线保护件为一端具有外螺纹的圆管，通过螺纹与传感器固定支板上的螺纹孔配合螺纹固连。
[0012]本发明的优点在于:
[0013]1、本发明通过传感器选型、线路保护、点火时间控制等措施，完全避免了传感器遭受损坏的可能；
[0014]2、本发明通过控制热流传感器的表面温度，大大降低热流传感器的零漂；
[0015]3、本发明将舱内所有线路均选择为聚四氟乙烯材料，避免了材料在舱内低温环境下损坏，同时限制了信号转换器的电容种类，保证了信号转换器可以在真空舱内使用，使mV信号传输距离很短，极大减少了信号遭受干扰的可能性，提高了测量精度；
[0016]4、本发明通过巧妙的绝缘套设计，将热流传感器与舱体等金属隔绝，保证传感器不受外界设备电信号的干扰；
[0017]5、本发明实现了只用一个热流传感器，配合三维移动装置，实现了全流场的测量，完全解决了多个传感器之间互相干扰，影响流场形态导致的测量不准确问题。
【附图说明】
[0018]图1为本发明羽流场气动热测量装置整体结构示意图；
[0019]图2为本发明羽流场气动热流测量装置中支架与热流传感器结构及安装方式示意图；
[0020]图3为本发明羽流场气动热流测量装置中支架与热流传感器连接结构剖视图；
[0021]图中:
[0022]1-支架热流传感器 2-热流传感器3-三维移动装置 4-信号转换器
[0023]5-信号采集设备6-绝缘套7-绝缘端盖8-信号线保护件
[0024]101-安装底座102-连杆103-传感器固定板
【具体实施方式】
[0025]下面将结合附图对本发明做进一步说明。
[0026]本发明针对真空舱内发动机羽流场气动热流测量装置，包括支架1、热流传感器2、三维移动装置3、信号转换器4和信号采集设备5，如图1所示。
[0027]其中，支架I包括安装底座101、连杆102与传感器固定板103。所述安装底座101采用不锈钢制成，具有水平固定面与竖直连接面。连杆102具有两根，采用不锈钢制作，两端加工有通孔，用于连接安装底座101与传感器固定板103。两根连杆102的前端与竖直连接面固连，后端与传感器固定板103固连，且两根连杆102左右对称水平设置。所述传感器固定板103采用不锈钢制成，厚度5?8mm之间，宽度4?6mm之间，略大于热流传感器2外径，长度大于两根连杆102间距，满足固定要求。传感器固定板103上加工有传感器安装孔，传感器安装孔直径在3?4_之间，大于热流传感器2直径，用于放置热流传感器2 ;在传感器安装孔外围加工有四个固定螺纹孔，四个固定螺纹孔中心连线为长方形，且长方形的长度方向与传感器安装板103长度方向一致，长度大于热流传感器2后端周向上设计的安装法兰直径，宽度视热流传感器2上安装法兰直径而定。传感器固定板103上左右两端加工有连杆安装孔，用于连接两根连接102。
[0028]所述热流传感器2采用圆箔式，外壳为不锈钢材料，量程试发动机而定；热流传感器2端面有效测量区域表面要求无吸收涂层，以减少热流传感器2对辐射热的吸收。热流传感器2后端部伸入传感器安装板103上的传感器安装孔。热流传感器2上套有采用聚四氟乙烯材料制成的绝缘套6，绝缘套6为后端周向具有凸台的圆筒，内径比热流传感器2外径略大(不超过0.2mm)，外径比传感器安装孔直径略小(不超过0.2mm);其圆柱部分(不包括凸台)长度与传感器安装板103厚度相同；凸台直径与热流传感器的安装法兰外径相同。绝缘套6的圆柱部分位于热流传感器2外壁与传感器安装孔侧壁间，使凸台与传感器固定板103贴合，实现绝缘套6的定位。热流传感器2的安装法兰与绝缘套6上的凸台贴合，通过固定螺栓穿过安装法兰与绝缘套6上的凸台，将绝缘套6与热流传感器2固定于传感器安装板103上。热流传感器2后端上罩有采用聚四氟材料制成的绝缘端盖7，绝缘端盖7为内凹的平板，宽度比热流传感器2的信号线直径大(至少6_)，但比热流传感器2的安装法兰直径小(至少6_);内凹部分长度比热流传感器2的安装法兰外径略大(不超过0.2mm)，高度略小于热流传感器2的安装法兰厚度(0.2?0.5_之间);绝缘端盖7上的内凹部分罩住热流传感器2后端部，使绝缘端盖7的内凹面与热流传感器2后端完全接触。绝缘端盖7通过固定螺栓与传感器固定板103固定，使固定螺栓的螺帽与热流传感器2测量端面位于传感器固定板103同侧，进而实现热流传感器2的固定。上述热流传感器2上的安装法兰端面与热流传感器2测量端面间的距离不少于30mm，传感器安装板103厚度不