用于高焓膨胀风洞的瞬态辐射热流传感器及安装制作方法技术

本发明专利技术属于超高速风洞试验技术领域，公开了一种用于高焓膨胀风洞的瞬态辐射热流传感器及安装制作方法。瞬态辐射热流传感器为从外至内同中心轴线的双层柱体结构，包括位于外层的安装套，位于内层的瞬态辐射热流传感器测量体，瞬态辐射热流传感器测量体包括从上至下顺序固定的柱形光学玻璃和热流计，热流计的上表面设置光辐射吸收膜。安装制作方法首先在试验模型壳体制作与瞬态辐射热流传感器的安装套匹配的安装通孔，试验前，组装瞬态辐射热流传感器，然后将瞬态辐射热流传感器安装并固定在安装通孔内，瞬态辐射热流传感器测量端的柱形光学玻璃与试验模型表面平齐。瞬态辐射热流传感器尺寸小、结构紧凑、密封性能好，安装方法适应性强。应性强。应性强。

【技术实现步骤摘要】
用于高焓膨胀风洞的瞬态辐射热流传感器及安装制作方法


[0001]本专利技术属于超高速风洞试验
，具体涉及一种用于高焓膨胀风洞的瞬态辐射热流传感器及安装制作方法。

技术介绍

[0002]超高速飞行器飞行过程中，头部的激波层气体发生离解甚至电离，受激发的气体粒子会以辐射的形式对超高速飞行器表面加热。在飞行速度9km/s时，辐射加热能够达到总气动加热的30%左右；在更高速度下，辐射加热甚至在总气动加热中占主导地位。因此，辐射热流的预测是超高速飞行过程的关键问题之一。辐射加热的计算预测具有较大的难度和不确定度，需要开展相应的地面模拟试验研究。
[0003]高焓膨胀风洞的高温气流速度高达12km/s，具有超高速气流模拟能力，模型头部的激波层温度最高超过10000K，具备了飞行器辐射加热效应的模拟能力，但是，目前还缺乏相应的辐射热流测量技术，甚至没有适用的瞬态辐射热流传感器。
[0004]由于高焓膨胀风洞的有效试验气流持续时间极短，通常在几百微秒以内，因此，瞬态辐射热流传感器必须能够快速响应；同时，瞬态辐射热流传感器还必须能够隔离高温气流的对流加热，并考虑辐射场的光谱特性及辐射吸收率等影响因素。
[0005]当前，亟需发展一种用于高焓膨胀风洞的瞬态辐射热流传感器及安装制作方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的一个技术问题是提供一种用于高焓膨胀风洞的瞬态辐射热流传感器，本专利技术所要解决的另一个技术问题是提供一种用于高焓膨胀风洞的瞬态辐射热流传感器的安装制作方法，用于在高焓膨胀风洞中测量试验模型表面辐射热流。
[0007]本专利技术的用于高焓膨胀风洞的瞬态辐射热流传感器，其特点是，所述的瞬态辐射热流传感器为从外至内同中心轴线的双层柱体结构，包括位于外层的安装套，位于内层的瞬态辐射热流传感器测量体，瞬态辐射热流传感器测量体包括从上至下顺序固定的柱形光学玻璃和热流计，热流计的上表面设置光辐射吸收膜。
[0008]进一步地，所述的安装套为轴对称的内台阶圆柱壳体，内腔从上至下依次由内孔Ⅰ、内孔Ⅱ和内孔Ⅲ组成，内孔Ⅰ的内径大于内孔Ⅱ的内径，内孔Ⅱ的内径小于内孔Ⅲ的内径；内孔Ⅰ安装柱形光学玻璃，柱形光学玻璃的上表面与安装套的上表面平齐，柱形光学玻璃的外壁面与内孔Ⅰ的孔壁之间具有环形缝隙Ⅰ，柱形光学玻璃的下表面与内孔Ⅰ的上表面之间具有间隔缝隙，环形缝隙Ⅰ和间隔缝隙内填充密封垫，密封垫的底面开有中心通孔；内孔Ⅱ安装柱形的热流计，热流计的上表面设置光辐射吸收膜，热流计的下端伸入内孔Ⅲ，热流计的底面焊接信号线，热流计的外壁面包裹绝缘层，绝缘层填充热流计的外壁面与内孔Ⅱ的孔壁之间的环形缝隙Ⅱ；
内孔Ⅲ安装密封套，密封套套装在热流计下端伸入内孔Ⅲ的下部段上，信号线穿过密封套，伸出安装套。
[0009]进一步地，所述的安装套安装在试验模型的壳体内，安装套的表面与试验模型的表面平齐；试验模型的安装孔与安装套的上段匹配，采用螺纹连接固定或者胶水粘结固定；安装套的材质与试验模型的壳体的材质相同；或者安装套的材质采用铝合金或者不锈钢中的一种。
[0010]进一步地，所述的柱形光学玻璃的材质为MgF2或CaF2玻璃，高透射率波段范围为200nm～5000nm。
[0011]进一步地，所述的光辐射吸收膜为铬硅膜或者氧化锌膜，采用真空镀膜方法制作；光辐射吸收膜的厚度范围为0.2μm～0.4μm；光辐射吸收膜光吸收波长范围为200nm～2500nm，通过测量光辐射吸收膜的反射率和透过率，标定得到吸收率。
[0012]进一步地，所述的热流计为薄膜热流计或同轴热电偶；热流计为薄膜热流计时，薄膜热流计测量端的薄膜为铂薄膜、铜薄膜或镍薄膜，薄膜厚度为0.1
±
0.01μm，薄膜采用真空溅射镀膜方法制作；热流计为同轴热电偶时，采用E型同轴热电偶。
[0013]进一步地，所述的密封垫和密封套的材质为环氧树脂。
[0014]进一步地，所述的绝缘层为透明胶纸。
[0015]本专利技术的用于高焓膨胀风洞的瞬态辐射热流传感器的安装制作方法，包括以下步骤：S10.在安装套的内孔Ⅰ的孔壁四周均匀涂抹环氧树脂；S20.清洗柱形光学玻璃，将柱形光学玻璃放入安装套的内孔Ⅰ中，使得环氧树脂均匀压流到内孔Ⅰ、内孔Ⅱ交界的台阶端面上，在柱形光学玻璃的底面自然形成中心通孔，环氧树脂固化后形成密封垫；环氧树脂的固化方法采用自然固化，自然固化在常温下固化24
±
1h；或者采用加温固化，加温固化在60℃的恒温箱中烘烤6
±
1h；S30.热流计采用铂薄膜热流计，在铂薄膜热流计的上表面制作铬硅膜作为光辐射吸收膜；铬硅膜采用真空镀膜方法制作，通过电子束、激光或电阻加热蒸发方式镀膜并控制铬硅膜膜厚度；在镀膜过程中，采用屏蔽罩包裹热流计，保护热流计侧壁的5mm高度以下不镀膜，不镀膜的高度是指热流计侧壁距离热流计上表面的高度；S40.将热流计安装在电阻温度系数标定系统的安装座上，将热流计和安装座整体放入标准水槽中，设置标准水槽的低温点和高温点，启动电阻温度系数标定系统，达到恒温后，分别测量热流计在低温点和高温点的电阻值，计算得到热流计的电阻温度系数；S50.在热流计的下端焊接信号线，信号线为双层线，内芯为镀银铜线，直径范围为0.35mm～0.5mm；外层为聚四氟乙烯层；S60.在热流计的信号线焊点以上的侧壁包裹透明胶纸，形成绝缘层；S70.在绝缘层的表面涂抹环氧树脂，涂抹环氧树脂的高度范围为80%～90%，涂抹环氧树脂的高度是指绝缘层侧壁距离热流计上表面的高度；将热流计从安装套下端插入内孔Ⅲ，穿过内孔Ⅱ，缓慢向内孔Ⅰ推进，直至光辐射吸收膜接触密封垫；
将安装套倒置，待环氧树脂固化；固化后，光辐射吸收膜与柱形光学玻璃之间的距离范围为0.1mm～0.2mm，即密封垫的中心通孔高度范围为0.1mm～0.2mm；S80.在安装套的内孔Ⅲ内填充环氧树脂，环氧树脂表面与安装套的下端面平齐，环氧树脂固化后形成密封套，完成瞬态辐射热流传感器的制作；S90.在试验模型的壳体制作与瞬态辐射热流传感器的安装套相匹配的安装通孔，将瞬态辐射热流传感器装入安装通孔中，保证安装套的上表面与试验模型的表面平齐；S100.开展高焓膨胀风洞试验，热流计感受并输出电压信号，根据热流计的电阻温度系数，按照一维半无限理论计算热流计上表面的热流，再结合标定的光辐射吸收膜的吸收率、柱形光学玻璃的透过率，以及基于瞬态辐射热流传感器结构尺寸计算得到的视角因子等相关参数，进行综合换算，得到试验模型表面瞬态辐射热流传感器位置处的辐射热流值。
[0016]本专利技术的用于高焓膨胀风洞的瞬态辐射热流传感器，在激波风洞中应用的测量对流加热的热流计的基础上，增加了光学玻璃隔离对流传热，同时，在热流计表面增加了光辐射吸收膜调整光吸收波段。
[0017]本专利技术的用于高焓膨胀风洞的瞬态辐射热流传感器中的柱形光学玻璃的厚度典型值约1mm～1.5mm，厚度可根据高焓膨胀风洞高温流场的辐射强度进行适当调整，但是，柱形光学玻璃的厚度增加将导本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于高焓膨胀风洞的瞬态辐射热流传感器，其特征在于，所述的瞬态辐射热流传感器为从外至内同中心轴线的双层柱体结构，包括位于外层的安装套（2），位于内层的瞬态辐射热流传感器测量体，瞬态辐射热流传感器测量体包括从上至下顺序固定的柱形光学玻璃（3）和热流计（6），热流计（6）的上表面设置光辐射吸收膜（5）。2.根据权利要求1所述的用于高焓膨胀风洞的瞬态辐射热流传感器，其特征在于，所述的安装套（2）为轴对称的内台阶圆柱壳体，内腔从上至下依次由内孔Ⅰ（10）、内孔Ⅱ（11）和内孔Ⅲ（12）组成，内孔Ⅰ（10）的内径大于内孔Ⅱ（11）的内径，内孔Ⅱ（11）的内径小于内孔Ⅲ（12）的内径；内孔Ⅰ（10）安装柱形光学玻璃（3），柱形光学玻璃（3）的上表面与安装套（2）的上表面平齐，柱形光学玻璃（3）的外壁面与内孔Ⅰ（10）的孔壁之间具有环形缝隙Ⅰ，柱形光学玻璃（3）的下表面与内孔Ⅰ（10）的上表面之间具有间隔缝隙，环形缝隙Ⅰ和间隔缝隙内填充密封垫（4），密封垫（4）的底面开有中心通孔；内孔Ⅱ（11）安装柱形的热流计（6），热流计（6）的上表面设置光辐射吸收膜（5），热流计（6）的下端伸入内孔Ⅲ（12），热流计（6）的底面焊接信号线（9），热流计（6）的外壁面包裹绝缘层（7），绝缘层（7）填充热流计（6）的外壁面与内孔Ⅱ（11）的孔壁之间的环形缝隙Ⅱ；内孔Ⅲ（12）安装密封套（8），密封套（8）套装在热流计（6）下端伸入内孔Ⅲ（12）的下部段上，信号线（9）穿过密封套（8），伸出安装套（2）。3.根据权利要求1所述的用于高焓膨胀风洞的瞬态辐射热流传感器，其特征在于，所述的安装套（2）安装在试验模型（1）的壳体内，安装套（2）的表面与试验模型（1）的表面平齐；试验模型（1）的安装孔与安装套（2）的上段匹配，采用螺纹连接固定或者胶水粘结固定；安装套（2）的材质与试验模型（1）的壳体的材质相同；或者安装套（2）的材质采用铝合金或者不锈钢中的一种。4.根据权利要求1所述的用于高焓膨胀风洞的瞬态辐射热流传感器，其特征在于，所述的柱形光学玻璃（3）的材质为MgF2或CaF2玻璃，高透射率波段范围为200nm～5000nm。5.根据权利要求1所述的用于高焓膨胀风洞的瞬态辐射热流传感器，其特征在于，所述的光辐射吸收膜（5）为铬硅膜或者氧化锌膜，采用真空镀膜方法制作；光辐射吸收膜（5）的厚度范围为0.2μm～0.4μm；光辐射吸收膜（5）光吸收波长范围为200nm～2500nm，通过测量光辐射吸收膜（5）的反射率和透过率，标定得到吸收率。6.根据权利要求1所述的用于高焓膨胀风洞的瞬态辐射热流传感器，其特征在于，所述的热流计（6）为薄膜热流计或同轴热电偶；热流计（6）为薄膜热流计时，薄膜热流计测量端的薄膜为铂薄膜、铜薄膜或镍薄膜，薄膜厚度为0.1
±
0.01μm，薄膜采用真空溅射镀膜方法制作；热流计（6）为同轴热电偶时，采用E型同轴热电偶。7.根据权利要求2所述的用于高焓膨胀风洞的瞬态辐射热流传感器，其特征在于，所述的密封垫（4）和密封套（8）的材质为环氧树脂。8.根据权利要求2所述的用于高焓膨胀风洞的瞬态辐射热流传感器，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘济春，龚红明，常雨，陈苏宇，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：