新型長(zhǎng)時(shí)熱流測(cè)量裝置的研制及應(yīng)用

劉國(guó)仟，李宇，劉宇飛，徐曉亮, 崔占中，周禹

（中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 空間物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100076）

在航天、航空、能源及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域中，熱流測(cè)量都起著重要的作用。尤其在國(guó)防軍工領(lǐng)域，隨著臨近空間飛行器等重點(diǎn)型號(hào)的發(fā)展，飛行器的飛行馬赫數(shù)越來(lái)越高，飛行時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)。獲取試飛條件下飛行器表面熱流等參數(shù)，飛行器總體方案的優(yōu)化具有重要的意義。航天領(lǐng)域常用的熱流傳感器有熱阻式、熱容式、紅外測(cè)量式等[1]。熱阻式傳感器的敏感端通常在測(cè)量環(huán)境中，不能根據(jù)飛行器外形隨形打磨，對(duì)于具有一定曲率變化的型面，熱流測(cè)量存在偏差。熱容式[2-4]傳感器不能夠適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間熱流測(cè)量的需求，紅外測(cè)量技術(shù)難以應(yīng)用到飛行測(cè)試環(huán)境中，采用熱流反辨識(shí)的方法可以滿足長(zhǎng)時(shí)間熱流測(cè)量、敏感端不裸露在外的需求。Pourgholi R 等人[5-11]對(duì)辨識(shí)算法進(jìn)行了相關(guān)的研究和改進(jìn)。Mongibello L 等人[12]采用熱流辨識(shí)的原理制備了輻射熱流傳感器。

文中基于熱流反辨識(shí)的技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新型熱流測(cè)量裝置。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量點(diǎn)不在測(cè)量面上，傳感器可以隨飛行器外形適當(dāng)打磨隨型；熱流測(cè)量不受時(shí)間限制。

1 熱流測(cè)量原理及步驟

該熱流測(cè)量裝置的工作原理是通過(guò)測(cè)量材料的溫度響應(yīng)，采用多維熱流辨識(shí)的方法反推熱流。熱流測(cè)量裝置是通過(guò)測(cè)點(diǎn)獲取溫度信息，為熱流反辨識(shí)提供輸入條件。辨識(shí)算法是在時(shí)間域上進(jìn)行表面熱流辨識(shí)，即根據(jù)溫度隨時(shí)間的變化歷程，辨識(shí)出熱流隨時(shí)間的變化歷程。從原理上實(shí)際是通過(guò)溫度傳感器測(cè)量溫度值，通過(guò)對(duì)溫度值的處理得到熱流，溫度值的測(cè)量不受時(shí)間的限制，因此，辨識(shí)得到熱流也不受時(shí)間的限制。此類問(wèn)題屬于熱傳導(dǎo)的逆問(wèn)題，是典型的不適定問(wèn)題，將熱傳導(dǎo)逆問(wèn)題轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問(wèn)題，再利用優(yōu)化算法來(lái)求解逆問(wèn)題中的熱流。

多維熱流辨識(shí)算法采用共軛梯度法。 Q ( x , y , t )的辨識(shí)問(wèn)題等價(jià)于求合適的 Q ( x, y , t )使如下目標(biāo)函數(shù)達(dá)極小的優(yōu)化問(wèn)題，見公式（1）：

式中：t 為溫度測(cè)量的時(shí)間段，t=[0, tf]；M 為測(cè)量面的測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)； Q ( x, y , t )為Q 的空間和時(shí)間函數(shù)。

首先獲取溫度響應(yīng)數(shù)據(jù)，選擇一維或多維熱流辨識(shí)方案。然后建模、網(wǎng)格劃分以及辨識(shí)計(jì)算，對(duì)辨識(shí)出的熱流進(jìn)行冷熱壁轉(zhuǎn)換處理。熱流辨識(shí)過(guò)程如圖1所示。

圖1 熱流辨識(shí)過(guò)程Fig.1 Heat flux identification process

2 熱流辨識(shí)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

熱流辨識(shí)裝置敏感端優(yōu)化設(shè)計(jì)需要滿足如下條件：1）尺寸盡量小，方便多布點(diǎn)；2）傳熱路徑以及傳熱速度要明確，方便反算熱流；3）受周圍結(jié)構(gòu)溫度的影響盡量要小；4）測(cè)溫點(diǎn)時(shí)間延遲要小；5）敏感端外表面可以適度打磨，以適應(yīng)飛行器外形面。

2.1 敏感端材料選擇

由于熱流辨識(shí)裝置的溫度測(cè)點(diǎn)布置在敏感端的內(nèi)壁面，因此為了降低辨識(shí)熱流時(shí)間上的延遲，需要敏感端內(nèi)外壁面的溫差盡量小，通常選用熱導(dǎo)率較高的金屬材料。文中采用銅和鋼作為備選材料，施加相同的表面熱流邊界（如圖2 所示），敏感端內(nèi)外壁溫差情況如圖3 所示。相同厚度（5 mm）的鋼與Cu 內(nèi)外壁溫差占比具有量級(jí)的差距，Cu 內(nèi)外壁溫差占比峰值約為1. 3%，而鋼內(nèi)外壁溫差占比峰值接近12%。 從熱響應(yīng)獲取時(shí)間延遲角度來(lái)看，Cu 具有較大的優(yōu)勢(shì)，因此，選用Cu 作為敏感端方案最優(yōu)。

圖2 敏感端外壁熱流邊界Fig.2 Sensitive side outer wall heat flux boundary

圖3 敏感端內(nèi)外壁溫差占比Fig.3 Interior and exterior wall temperature difference of sensitive side

2.2 敏感端傳熱路徑設(shè)計(jì)

熱流辨識(shí)傳感器傳熱路徑設(shè)計(jì)如圖4 所示。設(shè)計(jì)思路如下：1）敏感端與殼體之間不接觸，留有一定的“間隙”，盡量減少敏感端與艙體之間的傳熱；2）敏感端與殼體之間采用焊接的方式固連，消除接觸熱阻，減少傳熱分析的不確定度；3）“安裝面”與艙體內(nèi)壁面接觸，采用墊石墨紙的方式盡量消除接觸熱阻的影響。

圖4 傳熱路徑設(shè)計(jì)Fig.4 Design of heat transfer path

2.3 敏感端厚度設(shè)計(jì)

銅敏感端內(nèi)外壁溫差占比如圖5 所示，可以看出，3 mm 厚度敏感端相對(duì)5 mm 厚度內(nèi)外壁溫差占比較小，但不存在量級(jí)上的差距。綜合考慮敏感端外表面需要與飛行器外表面隨型打磨，選用5 mm 的厚度具有一定的安全可靠性。

2. 4 敏感端打磨影響分析

建立有限元分析模型如圖6 所示，敏感端打磨前后形貌如圖7 所示，熱流邊界按照?qǐng)D2 中所示。敏感端打磨前后的測(cè)點(diǎn)溫度計(jì)算結(jié)果如圖8 所示，可以看出，敏感端的適度打磨基本不影響溫度測(cè)量結(jié)果。因此，打磨對(duì)熱流辨識(shí)結(jié)果的影響不大，證明了該測(cè)量方案具備適度打磨的可行性。

圖5 不同厚度銅敏感端內(nèi)外壁溫差占比Fig.5 Different interior and exterior wall temperature of copper sensitive side with different thickness

圖6 溫度分析模型Fig.6 Temperature analysis model

圖7 敏感端打磨前后形貌Fig.7 Sensitive side morphology before and after grinding： a) before grinding; b) after grinding

圖8 打磨前后測(cè)點(diǎn)溫度結(jié)果Fig.8 Measuring point temperature before and after grinding

3 熱流測(cè)量裝置研制

基于優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，研制出熱流測(cè)量裝置，如圖9 所示。

圖9 熱流測(cè)量裝置產(chǎn)品照片F(xiàn)ig.9 Heat flow measurement device product

4 地面試驗(yàn)驗(yàn)證

文中采用石英燈加熱來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。熱流測(cè)量裝置可以滿足長(zhǎng)時(shí)間滑翔類飛行器的外壁熱流測(cè)量的需求。這類飛行器外壁熱流主要是由氣動(dòng)加熱引起的，屬于對(duì)流加熱范疇，而石英燈加熱屬于輻射加熱，熱流測(cè)量裝置敏感頭表面發(fā)射率的高低會(huì)影響溫度測(cè)量結(jié)果。因此，為了實(shí)現(xiàn)石英燈與對(duì)流換熱達(dá)到一樣的加熱效果，在石英燈加熱試驗(yàn)前需要對(duì)敏感頭表面進(jìn)行涂黑處理，確保試驗(yàn)熱流95%以上進(jìn)入敏感頭表面。

采用石英燈加熱的方式對(duì)傳感器進(jìn)行驗(yàn)證，地面試驗(yàn)熱流曲線如圖10 所示。輻射加熱試驗(yàn)時(shí)，測(cè)點(diǎn)位置及編號(hào)如圖11 所示，共四個(gè)新研熱流測(cè)量裝置（編號(hào)1#—4#）。試驗(yàn)件的安裝如圖12 所示。

圖10 加熱熱流控制曲線Fig.10 Heating heat flow control curve

熱流測(cè)量裝置獲取的溫度曲線如圖13 所示，四個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)值比較接近，在最后峰值時(shí)刻略有差別。通過(guò)采集的溫度數(shù)據(jù)辨識(shí)獲得的熱流數(shù)據(jù)與實(shí)際控制熱流的對(duì)比如圖14 所示。可以看出，辨識(shí)獲得的熱流數(shù)據(jù)與實(shí)際控制熱流吻合較好，最大偏差約15%，但辨識(shí)熱流在熱流變化較劇烈的拐點(diǎn)處精度會(huì)出現(xiàn)偏差。分析原因?yàn)闊崃鳒y(cè)量原理所致，該裝置測(cè)量點(diǎn)不在外表面而在內(nèi)表面，溫度數(shù)據(jù)獲取具有一定的延遲性。

圖11 試驗(yàn)件測(cè)點(diǎn)分布Fig.11 Measuring point distribution of test pieces

圖12 輻射加熱試驗(yàn)件安裝Fig.12 Installation of radiation heating test pieces

圖13 熱流測(cè)量裝置獲取的溫度曲線Fig.13 Temperature curve obtained through heat flow measurement device

圖14 辨識(shí)熱流與控制熱流對(duì)比Fig.14 Identification heat flow compared with control heat flow

5 結(jié)論

文中研制了長(zhǎng)時(shí)測(cè)量、表面可隨型打磨的熱流傳感器，并經(jīng)過(guò)石英燈加熱地面試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了傳感器的有效性，為后續(xù)長(zhǎng)時(shí)、高精度熱流測(cè)量提供了新的思路。