[发明专利]一种内埋式热电偶表面热流测量方法

说明书

一种内埋式热电偶表面热流测量方法，通过将热电偶打孔安装于飞行器模型材料内表面，保证了模型表面的完整性，在不影响测量精度的情况下根据温度随热电势变化的关系式及热电势随时间变化的关系式，得出温度随时间变化的关系式，在计算过程中通过采集系统的微分器直观反映导数关系式来保证计算的准确性，同时根据所得的导数关系式与热电偶、飞行器模型材料自身参数完成对表面热流值的计算，测量精度高，稳定性好，操作简单。

技术领域

本发明涉及一种内埋式热电偶表面热流测量方法，属于高速飞行器气动热 试验领域。

背景技术

高超声速飞行器在高马赫数飞行时将会出现非常严重的“热障”问题，因此 高超声速飞行器的表面热防护直接关系到高超声速飞行器的飞行安全，而在高 超声速飞行器实际发展过程中，其表面温度和热流的测量方法一直是制约高超 声速飞行器发展的关键问题之一。高超声速飞行器的表面热环境特点是高马赫 数，高温和高热流，尤其是对于再入高超声速飞行器，在其再入过程的几分钟 内，表面热流密度往往会达到MW/m²的量级，驻点温度会出现接近1800℃的 高温区。同时高超声速条件对于飞行器的表面要求非常高，采用嵌入式传感器 会破坏表面的流动形式，产生干扰波系结构，从而影响表面热流的测量精度。 严重的甚至会由于破坏了飞行器的防热层，导致飞行任务失败。

目前在高超声速环境中能够实现模型表面热流测量的方法有多种，如量热 计，红外热图，荧光热图等。量热计做为应用最广泛的热流测量方法，已有近 百年的历史，属于经典的接触式热流测量技术，但是需要在模型表面加工与量 热计尺寸一致的安装孔，因此在实际测量中量热计和同轴热电偶的结构匹配和 热匹配要求较高。量热计的类型有很多，对于高超声速飞行器的热流测量，主 要可以分为两类，一种是基于一维瞬态热传导原理的量热计，如零点量热计， 瞬态塞式量热计，薄壁量热计等。这类量热计结构简单、响应快、尺寸小，可 以进行布点测量，但是大多难以承受长时间加热，在高超声速飞行器的热流测 量应用中限制较大。另一种是基于能量平衡原理的量热计，如水卡量热计，这 种量热计采用稳态测量方法，具有测量热流范围广、能够承受长时间加热的优 点，但是结构复杂、量热计尺寸较大。

近年来随着技术的发展，红外热图，荧光热图等光学方法的表面热流测量 技术也开始在高超声速风洞中得到应用，这类技术无需在模型上打孔，温度显 示比较直观，一次试验就可以得到大面积的热流分布。但是这类测量方法的测 量系统复杂，价格昂贵，同时在模型表面曲率变化比较大的地方会失真，在无 法光学观测的地方无法测量。另外，如采用荧光热图的方法，模型通常要求采 用绝热性能好，热物性参数稳定且随温度变化小的非金属材料加工而成。而红 外热图技术则要求材料发射率高而且稳定等。因此，这一类技术往往只能在高 超声速风洞中的实现应用，对于真实的高超声速飞行器的飞行试验热流测量问 题则无能为力。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有技术中测量飞行器模型材料表明热流 容易迫害飞行器表明结构，影响材料表明热流测量的问题，提出了一种内埋式 热电偶表面热流测量方法，该方法通过在模型内表面布置热电偶传感器，测量 并计算模型表面热流值。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种内埋式热电偶表面热流测量方法，步骤如下：

(1)对所选热电偶进行标定，获取热电偶参数；

(2)将所选热电偶内嵌于飞行器模型表面并接入采集系统，控制采样频率 并获取该热电偶的热电势随时间变化的前三阶导数测量值；

(3)根据步骤(1)标定热电偶所得参数及步骤(2)所得测量值计算热 电偶温度随时间变化的导数关系式；

(4)确定飞行器模型材料参数，并根据步骤(3)所得导数关系式计算t_i时 刻热电偶内嵌位置热流值及该位置热流值随时间变化的导数关系式；