一种基于压敏/温敏漆的真空羽流气动力热全场测量系统

摘要

本发明提出一种基于压敏/温敏漆的真空羽流气动力热全场测量系统，包括真空舱、气动模型、发动机、压敏/温敏漆层、激发光组件、发射光通道和图像采集与分析模块；气动模型、发动机设于真空舱内；压敏/温敏漆层覆于气动模型待测表面；发射光通道包括在发射光观察方向上顺序设置的观察窗、分束镜、带通滤光片；图像采集与分析模块与发射光通道相连；当进行测量时，发射光通道接收压敏/温敏漆层所发光线并把经滤光和分束处理后的光送至图像采集与分析模块；计算机根据发动机工作前后气动模型压敏/温敏漆层的发光状态差异，同时获取气动模型表面的压力分布和温度分布；本发明能以非接触方式对真空羽流的气动力和气动热进行测量。

说明书

技术领域

本发明涉及测量设备技术领域，尤其是一种基于压敏/温敏漆的真空羽流气动力热全场测量系统。

背景技术

卫星、飞船和空间站等航天器上使用的姿轨控发动机在高真空环境下工作时，燃气从喷管高速喷出后迅速向真空中膨胀，形成真空羽流。羽流的影响范围很广，甚至会扩散到发动机前部，对航天器产生气动力和气动热效应，影响航天器的姿态保持和控制，造成局部热负载过高，从而降低航天器的寿命，严重时甚至会导致航天器的失效。

在地面真空模拟设备中使用真实发动机或模拟发动机产生羽流，模拟发动机在太空中的实际工况，是研究羽流气动力/热效应最直接有效的方法，且实验成本低，可以根据需要调整不同工况，适合工程分析和科学研究。目前最常用的羽流气动力/热测量方法是在模型表面布置一定数量的测压孔或测温点，连接压力传感器或温度传感器，测量模型表面离散点的压力或温度，进而通过插值和积分等方法换算为模型整体气动力或局部热流。这种方法虽然简单可靠，但因为测点离散，通过插值获得的孔间隔区域测量数据不可避免产生误差，且测量空间分辨率低；若布置过多测点，则会破坏模型表面，导致流场偏离实际情况，且时间和经济成本大大提高。

对比文件《2010102351235姿控发动机羽流对大型太阳能电池翼气动力的测量装置》公开的姿控发动机羽流对大型太阳能电池翼气动力的测量装置，采用位移传感器和电磁力校准装置测量太阳能电池翼整体所受的气动力，只能获得两个方向的整体气动力分量，无法得到模型表面压力分布细节，不利于对羽流气动力展开深入的科学研究；并且，该测量装置更换不同的太阳能电池翼或其它气动力模型时，需要重新设计支架和夹具；另外，该测量装置只适用于较大的受力表面，否则位移传感器无法分辨微小气动力造成的模型位移。

发明内容

本发明提出一种基于压敏/温敏漆的真空羽流气动力热全场测量系统，能以非接触方式对真空羽流的气动力和气动热进行测量。

本发明采用以下技术方案：

一种基于压敏/温敏漆的真空羽流气动力热全场测量系统，用于测量气动模型在发动机喷射的真空羽流作用下的气动力及气动热，所述测量系统包括真空舱、气动模型、发动机、压敏/温敏漆层、激发光组件、发射光通道和图像采集与分析模块；所述气动模型、发动机设于真空舱内；所述压敏/温敏漆层为包含压敏发光分子和温敏发光分子并喷涂覆于气动模型待测表面的漆层；所述激发光组件包括在出光方向上顺序设置的激光光源、低通滤光片和光导；所述发射光通道包括在发射光观察方向上顺序设置的观察窗、分束镜、带通滤光片；所述图像采集与分析模块包括相机、计算机；当进行测量时，所述激发光组件激发压敏/温敏漆层使之发光，所述压敏/温敏漆层受激而发出的发射光经所述发射光通道分为压敏光束和温敏光束后，由相机分别采集，并传送至计算机进行分析；所述计算机根据发动机工作前后压敏/温敏漆层的发光状态差异，同时获取气动模型表面的压力分布和温度分布。

所述压敏/温敏漆层的压敏发光分子和温敏发光分子具有相近的激发波长和可明显区分的发射波长；所述低通滤光片的工作波长与压敏/温敏漆层的激发波长匹配；所述发射光通道的带通滤光片包括两种具备不同工作波长的带通滤光片；发射光通道两种带通滤光片的工作波长分别与压敏发光分子和温敏发光分子的发光波长匹配；两种不同工作波长的带通滤光片分别位于分束镜的两个出光面处。

所述光导的始端与低通滤光片相邻；光导经穿舱法兰穿入真空舱内，光导末端的出光面朝向压敏/温敏漆层；当发动机工作时，光导的舱内部分位于发动机羽流的主要流场以外。

所述发动机工作时以常温气体或高温燃烧产生羽流，其羽流中含有对压敏/温敏漆具有猝灭效应气体中的一种或几种；所述对压敏/温敏漆具有猝灭效应的气体包括O₂、NO和NO₂。

当所述发动机工作时以高温燃烧产生羽流时，所述气动模型、发动机之间的距离使气动模型表面温度不超过压敏/温敏漆的最高工作温度。

所述测量系统的工作方法依次包括以下步骤；

A1、首先将真空舱抽真空至指定真空度，记录舱内背景压力及气动模型温度；

A2、开启相机预热，确保发动机处于关闭状态，开启激光光源照射气动模型；

A3、待激光光源的光强稳定后，相机分别记录气动模型上喷涂的压敏发光分子和温敏发光分子在无风工况时所发出的两种波长的光强分布及；

A4、启动发动机产生真空羽流，相机分别记录气动模型上喷涂的压敏发光分子和温敏发光分子在吹风工况时发出的两种波长的光强分布及；

A5、通过计算机进行数据处理，根据校准公式和，由吹风工况下的光强分布和求出模型表面的压力分布和温度分布；其中，、、及、、为校准系数，由校准实验获得。

本发明的优点在于：

（1）基于压敏温敏漆对真空羽流气动力/热进行高分辨率的全场测量，数据采集率大大提高，不仅可以获得模型表面流场细节，而且容易转化为模型整体所受的气动力及热流；

（2）基于压敏温敏漆对真空羽流气动力/热进行同步测量，在一次关舱试验中同时获得模型表面的压力、温度分布，数据相互独立，亦可互补修正。

（3）采用非接触式光学方法测量真空羽流气动力/热，不影响羽流流场，使得流场状态与实际工作流场的状态更为接近，而且此设备大大简化真空舱内测量装置的附属结构，缩短试验准备时间，降低试验成本。

关于非接触式光学方法，本发明采用的压敏漆或温敏漆包含特殊的发光分子和用以将发光分子固结在模型表面的基层，基本原理是猝灭分子对发光分子光致发光的“猝灭”效应：用短波激发光照射压敏漆或温敏漆，压敏漆或温敏漆会发出长波发射光，光强与基层内的猝灭分子浓度有关，浓度越高，猝灭效应越明显，光强越低。通过校准建立光强与表面压力或温度的关系，从而将发光图像转化为模型表面的压力或温度分布。空气中的O₂以及发动机常见燃烧产物NO、NO₂等顺磁性气体，都具有猝灭效应。选取具有特殊激发波长和发射波长的分别对压力和温度敏感的发光分子，与基层共同配制成压敏/温敏漆并喷涂于模型表面，就可以在不接触模型的前提下，同时获得模型表面的压力和温度，还可利用获得的温度结果修正对温度敏感的压敏漆压力数据。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

附图1是本发明的示意图

图中：1-发动机；2-真空舱；3-气动模型；4-穿舱法兰；5-光导；6-低通滤光片；7-激光光源；8-观察窗；9-分束镜；10-带通滤光片；11-相机；12-带通滤光片；13-相机；14-计算机。

具体实施方式

如图1所示，一种基于压敏/温敏漆的真空羽流气动力热全场测量系统，用于测量气动模型在发动机喷射的真空羽流作用下的气动力及气动热，所述测量系统包括真空舱2、气动模型3、发动机1、压敏/温敏漆层、激发光组件、发射光通道和图像采集与分析模块；所述气动模型、发动机设于真空舱内；所述压敏/温敏漆层为包含压敏发光分子和温敏发光分子并喷涂覆于气动模型待测表面的漆层；所述激发光组件包括在出光方向上顺序设置的激光光源7、低通滤光片6和光导5；所述发射光通道包括在发射光观察方向上顺序设置的观察窗8、分束镜9、带通滤光片10和12；所述图像采集与分析模块包括相机11和13、计算机14；当进行测量时，所述激发光组件激发压敏/温敏漆层使之发光，所述压敏/温敏漆层受激而发出的发射光经所述发射光通道分为压敏光束和温敏光束后，由相机11和13分别采集，并传送至计算机14进行分析；所述计算机14根据发动机工作前后压敏/温敏漆层的发光状态差异，同时获取气动模型表面的压力分布和温度分布。

所述压敏/温敏漆层的压敏发光分子和温敏发光分子具有相近的激发波长和可明显区分的发射波长；所述低通滤光片的工作波长与压敏/温敏漆层的激发波长匹配；所述发射光通道的两种带通滤光片包括具备不同工作波长的带通滤光片；发射光通道带通滤光片的两种工作波长分别与压敏发光分子和温敏发光分子的发光波长匹配；两种不同工作波长的带通滤光片分别位于分束镜的两个出光面处。

所述光导的始端与低通滤光片相邻；光导经穿舱法兰4穿入真空舱内，光导末端的出光面朝向压敏/温敏漆层；当发动机工作时，光导的舱内部分位于发动机羽流的主要流场以外。

所述发动机工作时以常温气体或高温燃烧产生羽流，其羽流中含有对压敏/温敏漆具有猝灭效应气体中的一种或几种；所述对压敏/温敏漆具有猝灭效应的气体包括O₂、NO和NO_2>。

当所述发动机工作时以高温燃烧产生羽流时，所述气动模型3、发动机1之间的距离使气动模型表面温度不超过压敏/温敏漆的最高工作温度。

所述测量系统的工作方法依次包括以下步骤；

A1、首先将真空舱抽真空至指定真空度，记录舱内背景压力及气动模型温度；

A2、开启相机预热，确保发动机处于关闭状态，开启激光光源照射气动模型；

A3、待激光光源的光强稳定后，相机分别记录气动模型上喷涂的压敏发光分子和温敏发光分子在无风工况时所发出的两种波长的光强分布及；

A4、启动发动机产生真空羽流，相机分别记录气动模型上喷涂的压敏发光分子和温敏发光分子在吹风工况时发出的两种波长的光强分布及；

通过计算机进行数据处理，根据校准公式和，由吹风工况下的光强分布和求出模型表面的压力分布和温度分布；其中，、、及、、为校准系数，由校准实验获得。

本发明中，激光光源发出的激光经低通滤光片过滤后，经光导引入真空舱内照射气动模型的待测表面，以激发其表面覆盖的压敏/温敏漆层发光，漆层被激发时，漆层内的压敏发光分子和温敏发光分子发出两种不同波长的发射光，发射光通过观察窗后被分束镜分为两束，这两束光分别被与压敏发光分子和温敏发光分子发射波长匹配的带通滤光片10和12过滤后，形成压敏发射光束和温敏发射光束，其光强分别被相机11和13记录后，传送至计算机进行分析，转换为模型表面的压力分布和温度分布，实现真空羽流气动力热的同步全场测量。