阅读说明：本技术 一种姿控动力系统整机热环境模拟分区热流标定方法 (Whole machine thermal environment simulation partition heat flow calibration method for attitude control power system ) 是由 李广会 寇鑫 李民民 吕欣 李志勋 李红林 华程 吴飞飞 刘丽宁 刘阳 刘珅 于 2019-10-25 设计创作，主要内容包括：本发明属于航天发动机试验方法,为了解决现有技术中灯阵热流计采集的热流值与产品表面实际到达热流值有差异,无法准确为产品提供热流的技术问题,提供一种姿控动力系统整机热环境模拟分区热流标定方法,包括步骤1,建立模拟舱体；步骤2,将模拟舱体分为十二个区；步骤3,安装灯阵热流计；步骤4,安装标定热流计；步骤5,采集热流值,拟合计算。需要对舱体进行加热时,可以方便快捷的得到灯阵热流计对应的热流值,便于对各区的红外灯阵进行控制。(The invention belongs to a test method of an aerospace engine, and provides a complete machine thermal environment simulation partition heat flow calibration method of an attitude control power system, aiming at solving the technical problems that a heat flow value acquired by a lamp array heat flow meter in the prior art is different from an actually-reached heat flow value on the surface of a product, and heat flow cannot be accurately provided for the product, comprising the following steps of 1, establishing a simulation cabin body; step 2, dividing the simulation cabin into twelve areas; step 3, installing a lamp array heat flow meter; step 4, installing a calibration heat flow meter; and 5, collecting heat flow values, and performing fitting calculation. When the cabin body needs to be heated, the heat flow value corresponding to the lamp array heat flow meter can be conveniently and quickly obtained, and the infrared lamp arrays in all the regions are conveniently controlled.)

一种姿控动力系统整机热环境模拟分区热流标定方法

技术领域

本发明属于航天发动机试验方法，具体涉及一种姿控动力系统整机热环境模拟分区热流标定方法。

背景技术

在航天发动机地面防隔热试验中，需对轨控舱进行分区热流加载，热载荷加载区域分为迎风面锥段、迎风面柱段、背风面锥段和背风面柱段，共四个区域，并需按照任务要求的目标热流密度曲线进行热加载。其中不仅需要灯阵的加热总功率满足整机热加载要求，而且要求各个区域的热载荷加载同时满足要求，由于灯阵热流计与舱体表面热流计布置位置的不同，灯阵热流计采集的热流值与产品表面实际到达热流值有差异，对于各个分区的热流则需逐一进行标定，标定的载体为实际使用产品的模拟件。

发明内容

本发明的主要目的是在于解决航天发动机地面防隔热试验中，灯阵热流计采集的热流值与产品表面实际到达热流值有差异，无法准确为产品提供热流的技术问题，提供一种姿控动力系统整机热环境模拟分区热流标定方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种姿控动力系统整机热环境模拟分区热流标定方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1，建立模拟舱体

制作与目标舱体结构和尺寸相同的模拟舱体，在模拟舱体***按照目标舱体与红外灯阵相同的布置结构设置相同的红外灯阵；所述模拟舱体沿轴向分为三段：柱段、前锥段和后锥段；

步骤2，将模拟舱体分为十二个区

将柱段、前锥段和后锥段分别沿周向均匀分为四个区；各区对应的红外灯阵相互独立；

步骤3，安装灯阵热流计和标定热流计

在红外灯阵和模拟舱体外表面之间安装灯阵热流计，模拟舱体的十二个区中每个区各对应一个灯阵热流计；所述灯阵热流计的感应面朝向红外灯阵；

在模拟舱体每个区的表面各嵌入一个与灯阵热流计规格型号相同的标定热流计，同一区域内灯阵热流计与标定热流计处于模拟舱体沿轴向的同一位置；

步骤4，采集热流值，拟合计算

在氮气消防压力不变的条件下，调整红外灯阵输出热量，分别采集模拟舱体各区标定热流计和灯阵热流计的热流值，通过多项式拟合得到各区灯阵热流计与标定热流计的对应关系方程；

步骤5，采用目标舱体使用的目标热流计替换模拟舱体各区或部分区的标定热流计；调整红外灯阵输出热量，采集目标热流计的热流值，通过各区灯阵热流计与标定热流计的对应关系方程，计算红外灯阵输出热量相同时，目标热流计与标定热流计的差值，若差值超出预设差值，则调整标定热流计，再重复步骤3至步骤5；若差值符合预设差值，则各区灯阵热流计与标定热流计的对应关系方程适用；

步骤6，在不同氮气消防压力下，重复步骤4和步骤5，得到各氮气消防压力下，各区灯阵热流计与标定热流计的对应关系方程，选取目标热流计与标定热流计的差值最小时对应的氮气消防压力，作为目标舱体的氮气消防压力。

进一步地，步骤4中，所述调整红外灯阵输出热量具体为，使灯阵热流计的热流值覆盖目标舱体相应区的工作热流范围。

进一步地，步骤4中，所述调整红外灯阵输出热量具体为，分别使灯阵热流计的热流值为10kW/m²、20kW/m²、30kW/m²、40kW/m²、50kW/m²、60kW/m²、70kW/m²、80kW/m²。

进一步地，步骤3中，所述灯阵热流计和标定热流计均选用水冷式热流计。

进一步地，所述步骤5中，若采用目标舱体使用的目标热流计替换模拟舱体部分区的标定热流计，则具体为将目标舱体迎风面对应的模拟舱体的标定热流计替换为目标热流计。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明的标定方法，建立与目标舱体结构尺寸相同的模拟舱体，并用标定热流计取代目标热流计，在标定过程中不损坏目标舱体，不会因使用为目标热流计带来损坏的风险；将模拟舱体分区，对各区分别标定，减小各区受环境影响差异对标定结果的影响；采集不同灯阵热流计的热流值对应的标定热流计的热流值，通过多项式拟合得到各区灯阵热流计与标定热流计的对应关系方程，需要对舱体进行加热时，可以方便快捷的得到灯阵热流计需要的热流值，便于对各区的红外灯阵进行控制。通过目标热流计对前述的标定结果进行验证，进一步保证了标定方法的准确性。通过比对不同氮气消防压力下的标定结果，确定了最佳氮气消防压力，便于再次标定时确定氮气消防压力，同时，也为目标舱体的提供了最佳氮气消防压力的选取依据。

2.本发明调整红外灯阵输出热量时，使灯阵热流计的热流值覆盖目标舱体相应区的工作热流范围，在进行热流标定的同时，也验证了灯阵热流计能否满足目标舱体工作时的加载需求。

3.本发明选用水冷式热流计，精度更高。

4.本发明在采用目标热流计进行验证时，抽检选取迎风面安装目标热流计，该区域热流量较小，不易损坏目标热流计。

附图说明

图1为本发明中模拟舱体的侧视结构示意图；

图2为本发明中模拟舱体的周向分区示意图；

图3为舱体与红外灯阵的安装结构示意图。

其中，1-后锥段、2-前锥段、3-柱段、4-舱体、5-红外灯阵。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。

本发明的姿控动力系统整机热环境模拟分区热流标定方法可用于液体姿控动力系统整机地面热壁试车。如图3，红外灯阵5套设于舱体4***，通过红外灯阵5对舱体4表面加热，红外灯阵5的分区与舱体4表面的分区相对应，舱体4的每个分区由对应分区的红外灯阵5进行加热，舱体4和红外灯阵5均安装于支架上，且同轴布置。通过对红外灯阵供电，由此产生红外辐射，实现对舱体表面热流密度的加载；为满足整机舱体表面分区热流加载的目的，热环境装置采用模块化灯阵构成，共分成12个独立加热区，与模拟舱体的十二个区相对应，同时各自布置一支闭环高温热流计，该热流计处于灯管和舱体表面之间，与舱体表面的到达热流会有一定的差距。设计与目标舱体外形结构保持一致的模拟舱体为标定载体，具体的标定方法如下：

步骤1，建立模拟舱体

制作与目标舱体结构和尺寸相同的模拟舱体，在模拟舱体***按照目标舱体与红外灯阵相同的布置结构设置相同的红外灯阵，即模拟舱体和目标舱体一致，且红外灯阵的安装也与目标舱体一致，保证标定的准确性。如图1，其中，所述模拟舱体沿轴向分为三段：柱段3、前锥段2和后锥段1；

步骤2，将模拟舱体分为十二个区

将柱段、前锥段和后锥段分别沿周向均匀分为四个区；各区对应的红外灯阵相互独立；

将柱段3沿周向均匀分为四个区域，分别定义为一区、二区、三区和四区；将前锥段2沿周向均匀分为四个区域，分别定义为五区、六区、七区和八区；将后锥段1沿周向均匀分为四个区域，分别定义为九区、十区、十一区和十二区；其中一区、五区和九区沿轴向投影重叠，二区、六区和十区沿轴向投影重叠，三区、七区和十一区沿轴向投影重叠，四区、八区和十二区沿轴向投影重叠。如图2，左下角区域，即柱段迎风面对应区域为一区，以柱段中心为圆心，建立直角坐标系，一区对应为柱段第一象限，沿顺时针方向分别为二区、三区和四区，对应为柱段第二象限、柱段第三象限和柱段第四象限；同理，前锥段2和后锥段1各分为四个区，对应定义前锥段第一象限、前锥段第二象限、前锥段第三象限和前锥段第四象限，以及后锥段第一象限、后锥段第二象限、后锥段第三象限和后锥段第四象限。

步骤3，安装灯阵热流计

在红外灯阵和模拟舱体外表面之间安装灯阵热流计，模拟舱体的十二个区中每个区各对应一个灯阵热流计；所述灯阵热流计的感应面朝向红外灯阵；

在本发明的一个实施例中，12个区灯阵热流计的安装位置如表1：

表1灯阵热流计安装位置表

同时，安装标定热流计

在模拟舱体每个区的表面各嵌入一个与灯阵热流计规格型号相同的标定热流计，同一区域内灯阵热流计与标定热流计处于模拟舱体沿轴向的同一位置；

步骤5，采集热流值，拟合计算

在氮气消防压力不变的条件下，调整红外灯阵输出热量，可以分别使灯阵热流计的热流值为10kW/m²、20kW/m²、30kW/m²、40kW/m²、50kW/m²、60kW/m²、70kW/m²、80kW/m²，分别采集模拟舱体各区标定热流计和灯阵热流计的热流值，通过多项式拟合得到各区灯阵热流计与标定热流计的三阶对应关系方程，即y＝P1+P2x+P3x²+P4x³，其中y为标定热流计的热流值，x为灯阵热流计的热流值，P1、P2、P3、P4为拟合系数。

其中，为了使舱体表面与氧气隔离，避免因温度过高出现燃烧现象，实际工作中会通过吹氮装置向舱体表面吹氮气，吹氮的压力即为氮气消防压力，压力过小隔离效果不足，压力过大会对舱体表面热流产生影响，因此需要合适的氮气消防压力，而且在标定时需要使氮气消防压力为固定值，避免对标定结果产生不良影响。另外，还可以再添加步骤6，采用目标舱体使用的目标热流计替换模拟舱体各区或部分区的标定热流计；调整红外灯阵输出热量，采集目标热流计的热流值，通过各区灯阵热流计与标定热流计的对应关系方程，计算红外灯阵输出热量相同时，目标热流计与标定热流计的差值，若差值超出预设差值，则调整标定热流计，再重复步骤4至步骤6；若差值符合预设差值，则各区灯阵热流计与标定热流计的对应关系方程适用。若采用目标舱体使用的目标热流计替换模拟舱体部分区的标定热流计，则具体为将目标舱体迎风面对应的模拟舱体的标定热流计替换为目标热流计。

还可以增加步骤7，在不同氮气消防压力下，重复步骤5和步骤6，得到各氮气消防压力下，各区灯阵热流计与标定热流计的对应关系方程，选取目标热流计与标定热流计的差值最小时对应的氮气消防压力，作为目标舱体的氮气消防压力。

以柱段一区为例，氮气消防压力为1MPa时，其拟合曲线为：y＝-0.549+0.706x+0.008x²-0.0001x³，拟合度高达0.9977，调节至2MPa时，y＝-1.425+0.934x-0.002x²+0.00001x³，拟合度高达0.9977，调节至3MPa时，y＝-1.008+0.994x-0.01x²+0.0002x³，拟合度高达0.998。三次的标定结果具有比较好的重复性，同时表明灯阵热流加载具有较好的稳定性，通过拟合系数即可获得加载任务要求目标热流曲线时，灯阵热流计应达到的热流数值，从而可以实现全程加热过程中的闭环控制或开环控制。

同上所述，对灯阵剩余的11个分区均进行了1MPa、2MPa、3MPa吹氮压力条件下的热流密度标定，标定结果见表2：

表2各区拟合系数统计表

吹氮压力1MPa和3MPa时，灯阵热流计的热流值相同时，采用灯阵热流计标定，模拟舱体表面的热流值与目标热流计验证采集到的热流值进行对比，对比结果如表3：

表3目标热流计校准对比表

由此可见，采用闭灯阵热流计进行模拟舱体壁面热流校准时，与采用实际产品的目标热流计校准时结果偏差很小，效果基本一致。由此可见，本发明所采用的分区热流标定方法可用于各个分区的热流校准，校准结果是可以满足姿控动力系统整机热环境模拟分区热流加载要求的。

以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。