[发明专利]动态实时测量固体火箭发动机内氧化铝热流密度的热流计

说明书

本发明公开了一种动态实时测量固体火箭发动机内氧化铝热流密度的热流计，包括热流计，热流计包括同轴放置的柱状热沉铜和康铜片，康铜片的顶端同轴放置有用于降低康铜片表面高温热流的隔热陶瓷盘，隔热陶瓷盘、康铜片和热沉铜的外侧紧密包裹有氧化铍陶瓷外壳，并通过氧化铍陶瓷外壳将隔热陶瓷盘固定在康铜片的顶端，氧化铍陶瓷外壳还用于将一部分热流直接引向热沉铜基体，热沉铜内部沿其轴线方向开设有热沉铜孔，在热沉铜孔内靠近康铜片的位置处安装有用于测量热沉铜顶部温度的热电偶。以克服无法对固体火箭发动机内高温、高压、高热流条件下凝相颗粒冲刷或沉积热流密度测量的问题。

【技术领域】

本发明属于固体火箭发动机技术领域，具体涉及一种动态实时测量固体火箭发动机内氧化铝热流密度的热流计。

【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劣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[1]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[2]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[3]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。

西北工业大学张翔宇[4]针对模拟过载缩比发动机，开展了颗粒冲刷状态下的热流密度测试工作，得到了两相燃烧的总传热热流密度，建立了一套热流计算方法。但是由于其热流测量装置采用冷却水对换热试件持续冷却，造成换热试件附近存在较大的温度梯，这在一定程度上增加了燃气对流换热热流密度，且低温壁面会影响凝相粒子撞击壁面后的物理状态，这将导致传向热流测量装置的总热流密度大于真实发动机壁面和绝热层的总热流密度。

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】

本发明的目的是提供动态实时测量固体火箭发动机内氧化铝热流密度的热流计，以克服无法对固体火箭发动机内高温、高压、高热流条件下凝相颗粒冲刷或沉积热流密度测量的问题。