[发明专利]火箭发动机内气-液两相热流密度测量工装

说明书

本发明提出一种火箭发动机内气‑液两相热流密度测量工装，该测量工装包括测温基体材料和周向绝热材料，测温基体材料嵌入到周向绝热材料内；在测温基体材料内预埋多个热电偶作为测点，热电偶的埋设方向垂直于火箭发动机内气流传热方向，相邻热电偶相向错开布设且等间隔，所有热电偶的工作端处在一条直线上。本发明基于集总电容思路，设计了一种用于动态实时测量固体火箭发动机内部气‑液两相热流密度的测量工装，将测温基体材料嵌入到周向绝热材料内，在测温基体材料内预埋多个热电偶作为测点，将其用在火箭发动机内颗粒冲刷或沉积位置处，可以实现在发动机高温高压等残酷恶劣环境中长时间生存的目的。

技术领域

本发明涉及热流测量技术，具体涉及一种测量火箭发动机内气- 液两相热流密度的工装。

背景技术

固体火箭发动机在工作过程中，推进剂的剧烈燃烧将产生 2500-3900K的高温、高速燃气流，高温燃气产生的热流严重烧蚀着发动机的热防护材料。同时，燃烧产物中的凝相粒子将会对喷管潜入段及收敛段造成严重的侵蚀和冲刷，从而大幅度增加发动机的热载荷。为了保证火箭发动机在恶略的热环境条件下能够维持正常工作，以及航天器在上升段和再入段过程中不会由于外部的加热环境而烧毁，因此需要采用各种热防护材料来吸收和耗散各种加热作用。作为固体火箭发动机热防护的根源问题之一，热流测量是掌握壁面热环境的常用手段。

目前的热流测量技术常用一维传热的假设，热量沿壁面法向或者壁面方向传递。根据傅里叶定律，热量沿壁面方向传递时，在壁面会存在温度梯度，因此无法研究壁面温度对热流的影响。沿法向传递的热流测量技术包括瞬态测量技术和稳态测量技术。对于长时间、高热流的试验测量，瞬态测量技术不能适用。沿法向传递的稳态热流测量技术分为两类:1)基于能量平衡原理的水卡量热计，其响应时间取通常从几秒到几十秒，不能满足快速响应的要求。2)热阻式热流传感器，通常在非金属热阻层两侧形成热电偶接点，同时测得表面温度和热流。但非金属热阻层与金属水冷或热沉结构连接时会存在明显接触热阻，在长时间试验中测量兆瓦平方米级热流时，不适于兆瓦平方米级热流与长时间的试验。

国内一些研究学者，基于热阻式热流测试原理，对长时间试验中的温度和热流测量进行了探索。

哈尔滨工业大学刘林华等对一维半透明平板内辐射、导热及边界耦合对流换热过程进行了研究，提出了一种由一侧边界出射辐射强度反演另一侧边界入射辐射热流密度的方法。Shuai Y等采用MCM(蒙特卡罗法)对球形吸热腔的辐射热属性进行了研究，给出了焦面热流密度的分布规律。陈则韶等介绍了集总热熔式瞬态辐射热流计，一般辐射式热流计采用热平衡法设计，不能使用于测量变化的热流，集总热式热流计由表面涂黑的薄铜片作热流计的侧头，铜片背面绝热，受测头热熔影响，其动态响应特性也比较差，因此可测瞬态热辐射热流密度。

综上所述，国内外均在热流计的设计与热流的测量方面开展了相关研究工作，但对于固体火箭发动机内高温高压等残酷环境涉及较少，且测试手段差异较大，影响因素考虑较少，导致结论差异较大。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种用于动态实时测量固体火箭发动机工作过程中，气-液两相冲刷环境下热流密度的测量工装，特别针对由于气-液两相流动聚集所导致的过载、沉积等条件下热流密度的测量。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种火箭发动机内气-液两相热流密度测量工装，该测量工装包括测温基体材料和周向绝热材料，测温基体材料嵌入到周向绝热材料内；

在测温基体材料内预埋多个热电偶作为测点，热电偶的埋设方向垂直于火箭发动机内气流传热方向，相邻热电偶相向错开布设且等间隔，所有热电偶的工作端处在一条直线上。

优选的，距离测温基体材料表面距离最近的测点距离测温基体材料表面1-6mm。

需要强调的是，所述测量工装设置在火箭发动机内颗粒冲刷或沉积位置处。