CN117871026A - 一种高焓流场辐射热流试验系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高焓流场辐射热流试验系统和方法，飞行器高速飞行时，由于强烈的气动加热导致飞行器驻点温度极高，同时激波层高温导致辐射加热很强，辐射现象会加剧表面的受热，长时间的辐射加热带来的累积效应会对防热系统带来挑战。本发明利用大尺寸自由活塞脉冲风洞，基于高空间分辨率光辐射和热辐射特性精细化识别技术，建立一种高焓流场辐射热流试验系统和方法，获得辐射总热流中，及其紫外、可见光和红外各波段以及辐射强度较大光谱的辐射热流占比，为理论建模与数值仿真分析研究提供精确的验证数据，支撑新型飞行器的低冗余精细设计。
Description
技术领域
本发明涉及一种高焓流场辐射热流试验系统和方法，属于高超声速空气动力学试验领域。
背景技术
高超声速飞行器因其飞行速度快、巡航飞行高度高、突防能力强和打击距离远等特点，作战能力可覆盖全球目标，可用于超远程、中短程等多种任务需求下的快速投送，对于国家的战略安全具有举足轻重的作用。基于空间环境的特殊性和高超声速飞行器的运动特性，发展新型飞行器，需要解决以下关键技术：气动设计、热防护、机动控制以及制导与控制技术。本发明正是着眼于热防护所需要的风洞试验技术，解决宽波段辐射场模拟及其气动热精确评估问题。
飞行器在30～60km较稠密的大气中长航时飞行，最高速度超过3km/s。在此区域超高速飞行，飞行器周围空气通过激波加热和黏性阻滞作用，产生数千度高温，引起气体介质内在属性的深刻变化，产生分子振动激发、离解甚至电离等一系列复杂的物理化学过程，使得飞行器被一团高温、高压和高速的气流包履。高超声速流动物理现象认识上的局限，导致其物理建模的不适当，进而使得数值计算存在一定的不确定性，因此通过试验研究高超声速流动规律显得非常重要。
针对高超声速光辐射强度认识不全，以及高温、高压和高速环境辐射热难以准确评估问题，需要利用高焓激波风洞进行地面模拟。本发明利用大尺寸自由活塞高焓激波风洞，采用宽辐射场及其气动热辨识测量技术，测量高焓流场辐射热流。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种高焓流场辐射热流试验系统和方法；
针对高超声速宽辐射场及其气动热特点，从发展宽辐射场波段参数显示和识别技术入手，结合辐射光谱和辐射强度测试技术对模型表面流场光辐射参数进行测量和确认，获得辐射热流中紫外、可见光和红外各波段以及辐射强度较大光谱的辐射热流占比，能为理论建模与数值仿真分析研究提供精确的验证数据，解决不同波段的辐射光谱对辐射热流的测量难题。
本发明的技术方案：
本发明公开了一种高焓流场辐射热流试验系统，包括高焓脉冲风洞，光谱仪，辐射计，光学玻璃，热流传感器，数据采集和处理系统；其中，
高焓脉冲风洞，为飞行器试验模型提供高焓流场；
光谱仪，用于测量高焓流场辐射光谱；
辐射计，用于测量高焓流场的辐射强度和辐射亮度；
光学玻璃，安装在模型表面，与模型表面光滑过渡，光学玻璃的一侧安装热流传感器；
热流传感器，用于测量热流信息；
数据采集和处理系统，用于对光谱仪采集的辐射光谱，辐射计采集的辐射强度和辐射亮度，热流传感器采集的热流信息进行数据处理。
进一步地，在上述试验系统中，光谱仪测量光谱波长范围为0.1nm～12nm；光谱分辨率小于100nm；热流传感器的温度大于1000K，热流传感器的重复性误差小于5％，热流传感器的内径小于2mm。
进一步地，在上述试验系统中，所述光谱仪，测量激波通过测量位置后一段时间内的光谱强度分布，利用光谱仪测量氧化氮NO、氧气O和氮气N的组份特征辐射光谱强度分布，验证气体光谱分布及强度算法。
进一步地，在上述试验系统中，所述辐射计为双狭缝结构。
进一步地，在上述试验系统中，根据紫外、可见、红外以及强辐射波段的波长范围，选择截止频率不同的光学玻璃。
进一步地，在上述试验系统中，根据辐射强度对应的波长曲线范围为S1～S2，选择透过光谱的光学玻璃范围为S1-100nm～S2+100nm。
进一步地，在上述试验系统中，光学玻璃的光吸收系数小于0.01，光学玻璃的紫外和可见光辐射光谱的光谱透过率大于95％，红外辐射的光谱透过率大于90％。
本发明公开了一种高焓流场辐射热流试验方法，包括：
S1、对两套辐射计和光谱仪进行标定；
S2、将已标定好的辐射计和光谱仪中一套内置在模型中；另一套安装在试验段外；
S3、在模型表面安装光学玻璃；
S4、调整激波光路，使其照射在光学玻璃上，进行光学校准和验证；
S5、当入射激波到达激波管末端时，激波管末端传感器产生的触发信号使得光谱仪和辐射计启动，进行采集工作；
S6、更换不同波段的光学玻璃，重复步骤S3～S5，获得不同波段的辐射热流数据；
S7、根据不同波段的辐射热流数据，将有光学玻璃测量得到的总辐射热流与没有安装光学玻璃测量得到的总辐射热流进行分析，得到总热流中辐射热流的占比；
S8、根据不同波段的辐射热流数据，对没有安装光学玻璃测量得到的总辐射热流与不同波段的辐射热流进行分析，得到辐射热流与辐射光谱的对应关系以及不同波段对辐射热流的贡献值。
进一步地，在上述试验方法中，辐射计和光谱仪的标定方法为：
采用中温腔式黑体炉对红外光的辐射计标定；
采用高亮度宽带白光光源对紫外光的辐射计和可见光的辐射计进行标定；
采用标准灯在暗室对光谱仪进行校准，校准波长为选定的波长。
进一步地，在上述试验方法中，采用标准灯在暗室对光谱仪进行校准，具体为：
采用高精度直流稳压电源为标准灯供电；
标准灯的灯丝中心与白板中心在同一光轴上；
标准灯的灯光垂直入射，被测仪器与白板法线呈一定角度测量；
使用高温黑体炉对光谱仪的各个波长测量范围进行相对辐射强度定标，得到相机各个像素在不同测量波段的相对响应率，实现光谱仪的校准。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明采用截止频率精度达100nm可控波段透波测试方法，建立高焓流场总辐射热流辨识测量技术，开展紫外光、可见光和红外光光谱对辐射热流精细化测试，研究辐射热流中紫外、可见光和红外各波段以及辐射强度较大光谱的辐射热流占比，获得不同波段的辐射光谱对辐射热流的贡献，能为理论建模与数值仿真分析研究提供精确的验证数据。
附图说明
图1为高焓激波风洞驻室和自由流辐射光谱信息测试示意图；
图2为高焓流场辐射热流试验系统示意图；
图3为本发明辐射热流测量示意图。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
如图1和图2所示，本发明公开了一种高焓流场辐射热流试验系统，包括：高焓脉冲风洞，光谱仪3，辐射计7，光学玻璃9，热流传感器10，数据采集和处理系统；其中，
高焓脉冲风洞，为飞行器试验模型11提供高焓流场；
光谱仪3，用于测量高焓流场辐射光谱；
辐射计7，用于测量高焓流场的辐射强度和辐射亮度；
如图3所示，光学玻璃9，安装在模型表面，与模型表面光滑过渡，光学玻璃9的一侧安装热流传感器10；
热流传感器10，用于测量热流信息；
数据采集和处理系统，用于对光谱仪3采集的辐射光谱，辐射计7采集的辐射强度和辐射亮度，热流传感器10采集的热流信息进行数据处理。
优选地，光谱仪3测量光谱波长范围为0.1nm～12nm；光谱分辨率小于100nm；热流传感器10的温度大于1000K，热流传感器10的重复性误差小于5％，热流传感器10的内径小于2mm。
优选地，所述辐射计7获得喷管5和自由流辐射强度的信息，分析喷管5驻室和自由流紫外光、可见光、红外光光谱范围和光谱强度信息。
优选地，所述光谱仪3，测量激波通过测量位置后一段时间内的光谱强度分布，利用光谱仪3测量氧化氮NO、氧气O和氮气N的组份特征辐射光谱强度分布，验证气体光谱分布及强度算法。
优选地，所述辐射计7为双狭缝结构，测量流场紫外辐射强度、可见光辐射强度、红外辐射强度；利用辐射计7测量激波及波后气体在某辐射带内的辐射强度随时间的变化，验证气体辐射强度计算模型和方法；高温高压的试验气流发生了很强的振动激发、离解或者电离，流过喷管5后存在一定程度的热化学非平衡；利用辐射计7测量气体在某波段内的辐射强度，验证计算光谱分布和辐射强度计算模型和方法。
优选地，根据紫外、可见、红外以及强辐射波段的波长范围，选择截止频率不同的光学玻璃9，在截止频率以外的波段，光谱无法透过。
优选地，对不同尺寸不同厚度光学玻璃9对辐射光谱强度的影响进行分析，根据辐射强度对应的波长曲线范围为S1～S2，选择透过光谱的光学玻璃9范围为S1-100nm～S2+100nm。
优选地，为了减少光学玻璃9的界面反射和光谱辐射强度在玻璃中传输的能量损耗，选用的光学玻璃9的光吸收系数小于0.01，并在光学玻璃9表面涂敷表面增透膜层，提高透过率，提高辐射能量的透过率；光学玻璃9的紫外和可见光辐射光谱的光谱透过率大于95％，红外辐射的光谱透过率大于90％。
为了减少光学玻璃9在高压高温、真空低温的内外压力差和温度差的影响产生的变形，影响辐射热流的测量精度，分析光学玻璃9在内外压差以及高低温载荷下的变形对光线透射的影响。
本发明公开了一种高焓流场辐射热流试验方法，包括：
S1、对两套辐射计7和光谱仪3进行标定；
S2、将已标定好的辐射计7和光谱仪3中一套内置在模型中；另一套安装在试验段6外；
S3、在模型表面安装光学玻璃9；
S4、调整激波光路，使其照射在光学玻璃9上，进行光学校准和验证；
S5、当入射激波到达激波管1末端时，激波管1末端传感器产生的触发信号使得光谱仪3和辐射计7启动，进行采集工作；
S6、更换不同波段的光学玻璃9，重复步骤S3～S5，获得不同波段的辐射热流数据；
S7、根据不同波段的辐射热流数据，将有光学玻璃9测量得到的总辐射热流与没有安装光学玻璃9测量得到的总辐射热流进行分析，得到总热流中辐射热流的占比；
S8、根据不同波段的辐射热流数据，对没有安装光学玻璃9测量得到的总辐射热流与不同波段的辐射热流进行分析，得到辐射热流与辐射光谱的对应关系以及不同波段对辐射热流的贡献值。
优选地，辐射计7和光谱仪3的标定方法为：
采用中温腔式黑体炉对红外光的辐射计7标定；
采用亮度大于100cd/m2宽带白光光源对紫外光的辐射计7和可见光的辐射计7进行标定；
采用标准灯在暗室对光谱仪3进行校准，校准波长为选定的波长。
优选地，采用标准灯在暗室对光谱仪3进行校准，具体为：
采用高精度直流稳压电源为标准灯供电；
标准灯的灯丝中心与白板中心在同一光轴上；
标准灯的灯光垂直入射，被测仪器与白板法线呈一定角度测量；在不同的光栅入射角下，光谱测量系统具有不同的测量波段范围，使用高温黑体炉对光谱仪3的各个波长测量范围进行相对辐射强度定标，可以得到CCD各个像素在不同测量波段的相对响应率；辐射计7预热20分钟后测量，每隔10nm进行一次校准，测量的光谱的相对偏差需小于标准值。
实施例
飞行器高速飞行时，由于强烈的气动加热导致飞行器驻点温度极高，同时激波层高温导致辐射加热很强，辐射现象会加剧表面的受热，长时间的辐射加热带来的累积效应会对防热系统带来挑战。本发明利用大尺寸自由活塞脉冲风洞，基于高空间分辨率光辐射和热辐射特性精细化识别技术，建立一种高焓流场辐射热流试验系统和方法，获得辐射总热流中，及其紫外、可见光和红外各波段以及辐射强度较大光谱的辐射热流占比，为理论建模与数值仿真分析研究提供精确的验证数据，支撑新型飞行器的低冗余精细设计。
本实施例提供一种高焓流场辐射热流试验系统，包括高焓脉冲风洞，光谱仪，辐射计，光学玻璃，热流传感器，瞬态光谱采集和处理系统，光辐射数据采集、处理系统8和支杆12；
高焓脉冲风洞，包括激波管和喷管：为飞行器试验模型提供高焓流场；
光谱仪，包括光谱仪，瞬态光谱采集和处理系统：测量高焓流场辐射光谱，光谱波长范围0.1nm～12nm；
辐射计，包括辐射计，光辐射数据采集和处理系统8：测量高焓流场的辐射强度和辐射亮度；
光学玻璃：光谱截止频率小于100nm；
热流传感器：测量温度大于1000K，重复性误差小于5％，传感器内径小于2mm；
瞬态光谱采集和处理系统4：采集和处理光谱信息；
光辐射数据采集和处理系统8：采集和处理辐射强度、辐射亮度。
高焓脉冲风洞启动后，试验气体在激波管末端(驻室)反射后，产生高温高压的试验气体，试验气体流过喷管后，产生高速的自由流。
在高焓脉冲风洞启动后，光谱仪和辐射计开始工作，位于驻室和试验段的光谱仪和辐射计采集到高焓流场光谱和辐射信息，并进行处理。
利用光谱仪测量激波通过测量位置后某一时间段内的光谱强度分布，利用光谱仪测量NO、O、N等某种气体组份特征辐射光谱强度分布，验证气体光谱分布及强度算法。
利用流场紫外辐射强度、可见光辐射强度、红外辐射强度均采用双狭缝结构辐射计进行测量。利用辐射计测量激波及波后气体在某辐射带内的辐射强度随时间的变化，验证气体辐射强度计算模型和方法。高温高压的试验气流发生了很强的振动激发、离解或者电离，流过喷管后存在一定程度的热化学非平衡。利用辐射计测量气体在某波段内的辐射强度，验证计算光谱分布和辐射强度计算模型和方法。
根据紫外、可见、红外以及强辐射波段的波长范围，选择截止频率不同的光学玻璃，在截止频率以外的波段，光谱无法透过。
对不同尺寸不同厚度光学玻璃对辐射光谱强度的影响进行分析，获得辐射强度耗损的规律，用于选择不同规格的光学玻璃。
为了减少光学玻璃的界面反射和光谱辐射强度在玻璃中传输的能量损耗，选用的光学玻璃，其光吸收系数小于0.01，并在光学玻璃表面涂敷表面增透膜层，提高透过率，提高辐射能量的透过率。紫外和可见光辐射光谱的光谱透过率需要大于95％，红外辐射的光谱透过率需要大于90％。
为了减少光学玻璃在高压高温-真空低温的内外压力差和温度差的影响会产生变形，影响辐射热流的测量精度，需要分析光学玻璃在内外压差以及高低温载荷下的变形对光线透射的影响。
测量辐射热流时，根据模型特点，将特定波段的光学玻璃安装在模型表面，与模型其他表面光滑过渡，光学玻璃后方安装数个热流传感器。
测量辐射热流时，在试验段外安装光谱仪和辐射计，调整光路，使其照射在光学玻璃上，进行光学校准和验证。每次试验，更换不同波段的光学玻璃，获得不同波段的辐射热流数据。
当入射激波到达激波管末端时，激波管末端传感器产生的触发信号使得光谱仪和辐射计起动，进行采集工作。
为了提高辐射光谱和辐射强度的空间分辨率，将已标定的辐射计和光谱仪内置在模型中；同时为了对光辐射多层次验证和确认，增加一套已标定的辐射计和光谱仪外置于试验段，两套光谱同步采集。
将截止频率范围大的光学玻璃测量得到的总辐射热流与内有安装光学玻璃测量得到的总热流进行分析，得到总热流中辐射热流的占比；总辐射热流与不同波段的辐射热流进行分析，研究辐射热流与辐射光谱的对应关系以及不同波段对辐射热流贡献。
光辐射测量系统测试之前需要进行标定，包括光学窗、光学系统和辐射测量仪等各主要部件的标定和全系统标定。
不同波段的辐射计标定方式不一样，红外辐射计采用中温腔式黑体炉标定，红外辐射成像系统使用大面积黑体炉标定，紫外辐射计、可见光辐射计采用高亮度宽带白光光源进行标定。
光谱仪标定采用标准灯，在暗室进行校准，校准波长为选定的波长。光谱辐射照度标准灯，供电电源为高精度直流稳压电源；灯丝中心与白板中心在同一光轴上，垂直入射，被测仪器与白板法线呈一定角度测量。在不同的光栅入射角下，光谱测量系统具有不同的测量波段范围，使用高温黑体炉对光谱仪的各个波长测量范围进行相对辐射强度定标，可以得到CCD各个像素在不同测量波段的相对响应率。辐射计预热20分钟后测量，每隔10nm进行一次校准，测量的光谱的相对偏差需小于标准值。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种高焓流场辐射热流试验系统，其特征在于：包括高焓脉冲风洞，光谱仪，辐射计，光学玻璃，热流传感器，数据采集和处理系统；其中，
高焓脉冲风洞，为飞行器试验模型提供高焓流场；
光谱仪，用于测量高焓流场辐射光谱；
辐射计，用于测量高焓流场的辐射强度和辐射亮度；
光学玻璃，安装在模型表面，与模型表面光滑过渡，光学玻璃的一侧安装热流传感器；
热流传感器，用于测量热流信息；
数据采集和处理系统，用于对光谱仪采集的辐射光谱，辐射计采集的辐射强度和辐射亮度，热流传感器采集的热流信息进行数据处理。
2.根据权利要求1所述的一种高焓流场辐射热流试验系统，其特征在于，光谱仪测量光谱波长范围为0.1nm～12nm；光谱分辨率小于100nm；热流传感器的温度大于1000K，热流传感器的重复性误差小于5％，热流传感器的内径小于2mm。
3.根据权利要求1所述的一种高焓流场辐射热流试验系统，其特征在于：所述光谱仪，测量激波通过测量位置后一段时间内的光谱强度分布，利用光谱仪测量氧化氮NO、氧气O和氮气N的组份特征辐射光谱强度分布，验证气体光谱分布及强度算法。
4.根据权利要求1所述的一种高焓流场辐射热流试验系统，其特征在于：所述辐射计为双狭缝结构。
5.根据权利要求1所述的一种高焓流场辐射热流试验系统，其特征在于，根据紫外、可见、红外以及强辐射波段的波长范围，选择截止频率不同的光学玻璃。
6.根据权利要求1所述的一种高焓流场辐射热流试验系统，其特征在于：根据辐射强度对应的波长曲线范围为S1～S2，选择透过光谱的光学玻璃范围为S1-100nm～S2+100nm。
7.根据权利要求1所述的一种高焓流场辐射热流试验系统，其特征在于，光学玻璃的光吸收系数小于0.01，光学玻璃的紫外和可见光辐射光谱的光谱透过率大于95％，红外辐射的光谱透过率大于90％。
8.一种高焓流场辐射热流试验方法，其特征在于，包括：
S1、对两套辐射计和光谱仪进行标定；
S2、将已标定好的辐射计和光谱仪中一套内置在模型中；另一套安装在试验段外；
S3、在模型表面安装光学玻璃；
S4、调整激波光路，使其照射在光学玻璃上，进行光学校准和验证；
S5、当入射激波到达激波管末端时，激波管末端传感器产生的触发信号使得光谱仪和辐射计启动，进行采集工作；
S6、更换不同波段的光学玻璃，重复步骤S3～S5，获得不同波段的辐射热流数据；
S7、根据不同波段的辐射热流数据，将有光学玻璃测量得到的总辐射热流与没有安装光学玻璃测量得到的总辐射热流进行分析，得到总热流中辐射热流的占比；
S8、根据不同波段的辐射热流数据，对没有安装光学玻璃测量得到的总辐射热流与不同波段的辐射热流进行分析，得到辐射热流与辐射光谱的对应关系以及不同波段对辐射热流的贡献值。
9.根据权利要求8所述的一种高焓流场辐射热流试验方法，其特征在于，辐射计和光谱仪的标定方法为：
采用中温腔式黑体炉对红外光的辐射计标定；
采用高亮度宽带白光光源对紫外光的辐射计和可见光的辐射计进行标定；
采用标准灯在暗室对光谱仪进行校准，校准波长为选定的波长。
10.根据权利要求9所述的一种高焓流场辐射热流试验方法，其特征在于，采用标准灯在暗室对光谱仪进行校准，具体为：
采用高精度直流稳压电源为标准灯供电；
标准灯的灯丝中心与白板中心在同一光轴上；
标准灯的灯光垂直入射，被测仪器与白板法线呈一定角度测量；
使用高温黑体炉对光谱仪的各个波长测量范围进行相对辐射强度定标，得到相机各个像素在不同测量波段的相对响应率，实现光谱仪的校准。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311854996.8A CN117871026A (zh) | 2023-12-29 | 2023-12-29 | 一种高焓流场辐射热流试验系统和方法 |
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| CN202311854996.8A CN117871026A (zh) | 2023-12-29 | 2023-12-29 | 一种高焓流场辐射热流试验系统和方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| CN117871026A true CN117871026A (zh) | 2024-04-12 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118376379A (zh) * | 2024-06-21 | 2024-07-23 | 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 | 高焓瞬时流场光辐射多角度多波段的同时测量装置及方法 |
| CN118533420A (zh) * | 2024-07-26 | 2024-08-23 | 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 | 基于光纤的嵌入式模型绕流光辐射测量装置与测量方法 |
-
2023
- 2023-12-29 CN CN202311854996.8A patent/CN117871026A/zh active Pending
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