[发明专利]适用于低气压下的风速标定装置及标定方法

说明书

本发明公开一种适用于地外行星和高空低气压下的风速传感器标定装置，包括具有模拟低气压环境能力的低压环模装置，低压环模装置内设置有支撑结构，支撑结构上依次设置运动机构和低压环模装置变径管道，低压环模装置变径管道包括风道一和风道二，运动机构包括一位于风道一内往复运动的活塞，待测风速传感器设置在风道二的风速出口，活塞运动在风道一内产生风速，通过风道一和风道二的变径比控制待测风速传感器的测试条件。本发明具有准确可靠、实施便捷等特点，可以提供标准风场，解决了在低气压、不同温度下稳定标定风速的要求，满足了相关型号的需求。

技术领域

本发明属于航天器地面热试验技术领域，具体涉及到低气压环境下的风场环境模拟，特别是在地面模拟火星表面风速环境时，通过活塞运动方式建立可知风场，标定低气压下风速传感器及流量计。

背景技术

随着我国航天任务的多样化和成熟化，火星等其他地外行星的探测已经逐步开展，为了达到对着陆器、巡视器等星表航天器的全面验证及模型修正等目的，需要对星表环境进行温度、压力、风速的复合模拟，除常见的压力、温度环境外，一般还需要对气体成分、风速进行模拟。另外，高空飞艇的控制需要得知当地风速，此种情况下也需要测量高空低气压下的风速大小。目前常用的风速测量方法主要有动压机械式风速仪、热线热膜风速仪、超声风速仪、离子流动风速仪、激光多普勒风速仪。在地面巡视器热试验中，受限于测量点数、传感器大小等限制，使用热式风速仪进行测量具有较大优势。

由于热线、热球、热膜式风速传感器原理主要是通过对敏感头加热，在平衡状态通过敏感头温度、散失热量(加热热量)即可精确计算来流空气温度，其原理决定了气体压力、流体温度变化较大时，其输出电压也会发生变化。需要对温度、压力、风速传感器输出参数进行精确地测量，在不同的温度、压力、风速环境下对风速传感器进行标定、测试，获得不同温度、压力环境下传感器输出参数和风速的之间函数关系。

目前NASA、ESA、JAXA等机构均开展了风速传感器在低气压下使用的标定研究，其主要使用低气压风洞，或在热真空容器中搭建风道，使用引射的方式进行标定，其系统较为复杂。清华大学、北京航空航天大学等高校也开展了低气压下的风速标定研究，但主要针对于航空领域，压力一般在10000Pa，温度一般在室温左右，无法对火星环境(700Pa，-120～30℃左右)进行模拟。另外，目前存在的最主要问题是，所建立的风场还需要另外一种传感器来测量风场的速度，再由测量后的风场标定需要标定的风速传感器，这种标定方式引入的误差较多，其精度受制于测量风场速度的传感器精度。

因此，设计和发明一种可在不同压力、气体温度下对风速传感器进行标定的装置对于提高航天器试验水平具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一个稳定、均匀的压力、温度、风速可知的流场，满足未来火星探测器试验用风速传感器的标定、测试需求。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：

适用于地外行星低气压下的风速传感器标定装置，包括具有模拟低气压环境能力的低压环模装置，低压环模装置内设置有支撑结构，支撑结构上依次设置运动机构和低压环模装置变径管道，低压环模装置变径管道包括风道一和风道二，风道一的直径大于风道二的直径，运动机构包括一位于风道一内往复运动的活塞，待测风速传感器设置在风道二的风速出口，活塞运动在风道一内产生风速，通过风道一和风道二的变径比控制待测风速传感器的测试条件，低压环模装置通过外置的电缆法兰与控制模块和数据采集模块连接，以分别对运动机构和待测风速传感器进行控制和数据采集，同时通过外置的压力控制法兰与压力控制系统连接以控制低压环模装置内的气压。

其中，低压环模装置内部周向布置有热沉，以控制其内部的温度分布。

其中，运动机构还包括控制电机、连杆活塞机构，控制电机实现活塞的往复运动。

其中，控制模块用于控制电机转动并对风速传感器的敏感头供电。