[实用新型]一种电弧风洞流场热流密度标定装置

说明书

本实用新型属于天空飞行器设备技术领域，针对电弧风洞试验中传统塞式量热计外部玻璃钢隔热套在高温气流冲刷烧蚀后表面氧化及使用寿命衰减问题，本实用新型公开了一种电弧风洞流场热流密度标定装置，包括自内向外呈同轴排布设置的E型同轴热电偶、测量模型和隔离套；所述E型同轴热电偶安装在隔离套的内部的通孔中，E型同轴热电偶的背面和隔离套之间通过高温固化剂固化处理；所述同轴热电偶、隔离套以及高温固化剂构成了电弧风洞热流测量探头，电弧风洞热流测量探头安装在测量模型内。采用同轴热电偶测量模型表面温升，然后根据一维半无限体热传导理论计算得到热流值。热电偶和不锈钢材料热物性参数相匹配，新型探头耐烧蚀，大大提高其使用寿命。

技术领域

本实用新型属于天空飞行器设备技术领域，具体涉及一种电弧风洞流场热流密度标定装置。

背景技术

高超声速飞行器在大气中高速飞行时，头部强激波会压缩波后气体升温至几千甚至上万度，此时飞行器会面临剧烈的气动加热作用。气动热环境的准确预测和热防护系统是高超声速飞行器的重要设计环节。新世纪，随着高超声速飞行器的快速发展，对气动热防护系统的精细化设计也提出了更高的要求。

热防护试验技术即是根据热环境的测量及计算结果，在地面建立对飞行器各部位热环境具有模拟意义的试验条件，对防热材料或飞行器结构件模型进行加热试验，考察材料及模型的热响应特性及防隔热性能。电弧风洞是目前开展防热材料烧蚀考核试验主要地面设备之一，通过电弧加热器产生高温高压气流，经过喷管膨胀加速，在喷管出口获得与飞行器实际飞行环境中焓值、热流、压力等参数相匹配的气流条件，从而为飞行器防热设计提供试验数据支持。其中，冷壁热流密度是地面烧蚀考核试验中非常关键的模拟参数，即单位面积单位时间上通过的能量，它是气流对材料作用最直接的因素，对防热材料的烧蚀性能具有重要影响，需要对其进行准确有效的测量。而且伴随天空飞行器快速发展，基于其低成本、低冗余度、高机动性的要求，需要更精确的热流测量能力来满足精细化热防护系统设计需求。

目前电弧风洞试验中使用的热流测量手段主要是塞式量热计，其结构由一个圆柱形无氧铜塞、外部隔热套及热电偶组成，如图1所示。其工作原理是基于能量平衡原理，通过热电偶测量铜塞背面温度随时间的变化率，计算得到表面热流。

传统塞式量热计具有结构简单，制作成本低，使用安装便捷等优点，但是，其隔热套一般由玻璃钢加工而成，其热导率相比铜塞要低的多，从而会导致在玻璃钢表面形成温度“凸点”。以测量模型材料为例，使用塞式量热计测量电弧风洞热流密度时，模型表面不同时刻温度分布如图2所示。由于玻璃钢导致局部高温区的热量会向中心铜塞传递，因此最终会导致铜塞的热流测量结果偏高，如图3所示。同时，在电弧风洞高温高速气流冲刷烧蚀后，表面容易氧化，尤其在热流环境较高时，隔热套会有一定程度的烧蚀后退，使用寿命会大幅衰减，无法重复使用。

实用新型内容

针对电弧风洞试验中传统塞式量热计外部玻璃钢隔热套在高温气流冲刷烧蚀后表面氧化及使用寿命衰减问题，本实用新型的目的在于提供一种新的电弧风洞流场热流密度标定装置，采用同轴热电偶测量模型表面温升，然后根据一维半无限体热传导理论计算得到热流值。

本实用新型采取的技术方案为：

一种电弧风洞流场热流密度标定装置，包括自内向外呈同轴排布设置的E型同轴热电偶、测量模型和隔离套；

所述E型同轴热电偶安装在隔离套的内部的通孔中，E型同轴热电偶的背面和隔离套之间通过高温固化剂固化处理；

所述同轴热电偶、隔离套以及高温固化剂构成了电弧风洞热流测量探头，电弧风洞热流测量探头安装在测量模型内。

进一步的，所述E型同轴热电偶设置为一种表面结点型热电偶，即E型同轴热电偶，其表面通过粗砂纸打磨导通形成热电偶结点。

进一步的，所述E型同轴热电偶由内部康铜丝及外部的镍铬合金环两种材料组成，中间设置有绝缘材料。