一种基于瞬态热流控制的热防护系统性能验证装置及方法与流程

本发明属于航天器热控技术领域，尤其涉及一种基于瞬态热流控制的高温热防护系统性能验证装置及方法。

背景技术：

航天器上设置了多种类型推力器以满足姿轨控要求，包括内嵌式大推力发动机以及外置推力器。推力器点火时间较长，其热辐射和羽流会对器表舱板和设备造成耦合热影响，导致设备温度超过指标而损坏，因此需要设置热防护系统来隔绝热影响。

热防护系统设计的正确性通过地面热试验来进行验证。以往的试验方法中，热源和试验件紧靠在一起，通过高温覆盖层的温度反馈值来模拟推力器点火过程中的温度变化，但试验中升温段热流总量和时间不可控，加热结束后热回浸较真实状态严酷，具体如下所述：

(1)真实点火过程中推力器在点火后，其壁面温度在一段时间内升高到最高温度并稳定；热防护表面温度受发动机辐射影响，滞后于发动机壁面的升温，同样更长时间才能升高到稳定温度，发动机点火时间为试验件需满足的防护时间。而以往的试验过程中，试验件与热源紧靠在一起，同时使用温度作为反馈，热防护表面的升温过程无法准确模拟，因此将试验件高温覆盖层表面温度达到热防护表面最高温度的时刻作为试验初始时刻，持续最长点火时间后结束考核。这造成试验件的考核条件过于严苛：一方面试验考核开始时刻热防护表面温度就达到最高，覆盖了真实情况下的升温过程；另一方面，在考核时间之前试验升高到最高温度的过程不计入考核时间，就造成了这段时间的加热量未计入考核统计。特别是对于时间短、热流密度高的羽流效应，此试验方法的未计入考核的热量占整个过程总加热量比例较大，考核余量过大；

(2)对于推力器停止工作后的传热过程，真实条件下，热防护系统表面与推力器的角系数较小，高温覆盖层温度迅速降低，热量主要通过高温覆盖层表面排散。而传统试验装置为了使升温段的时间尽量短，热源与试验件表面正对并紧贴在一起，热源周围的其他表面均包覆高温防护以防止漏热。而在热防护系统满足防护时间后，虽然热源停止加热，但热源和试验件间的热量只能通过试验件和其他侧面缓慢排散出去，导致试验后热回浸的条件过于恶劣；

(3)使用传统方法进行热防护系统考核，考核结果可以包络真实状态，造成热防护系统隔热能力大于任务需求值，即热防护系统占用重量资源较多。

技术实现要素：

为解决以往热防护系统性能验证方法中边界条件不准确、试验前升温段和试验后热回浸段过考核的问题，通过准确控制热防护试验件表面瞬态热流的方式，真实模拟推力器点火过程中对热防护系统表面的到达热流曲线，验证热防护系统性能并优化重量。本发明提供一种基于瞬态热流控制的高温热防护系统性能验证方法。

一种基于瞬态热流控制的高温热防护系统性能验证装置，包括真空罐1以及安装在1内的热源装置2、热防护试验件3、试验件支架4、导轨5、电机6、被防护件9、热流计10以及箱体支架11；

导轨5上安装有试验件支架4，同时电机6驱动试验件支架4在导轨5上运动；

箱体支架11上安装有热源装置2；

热源装置2为一个侧面开敞的箱体，开敞面正对热防护试验件3，箱体内安装有加热管8作为热源；

试验件支架4上安装有热防护试验件3与被防护件9；

热防护试验件3内安装有温度传感器，且热防护试验件3根据实际在轨状态安装在被防护件9上；

被防护件9的模拟板表面粘贴热电偶和加热片作为控温回路，用于控制被防护件9的温度变化；同时被防护件9还安装有热流计10，且热流计10的测量表面与热防护试验件3的高温面处于同一平面；

高温面为热防护试验件3与热源装置2相对的侧面。

真空罐1用于提供在轨时的低温边界，并实现0～1个大气压的压力调节。

热源装置2除开敞面外其他表面均设置隔热材料7与热电偶；隔热材料7使用纳米气凝胶或耐高温高硅氧隔热毡材料，且隔热材料7朝向加热管8的面包覆低发射率金属薄膜。

被防护件9的模拟板使用在轨时被防护件9采用的舱板，或者与舱板等热容的铝合金板或碳复合材料板。

热防护试验件3采用多层形式的隔热组件，或使用纳米气凝胶单组分材料。

电机6壳体表面、导轨5的两个侧面与下表面均粘贴有加热片与热电偶作为控温回路，同时包覆多层隔热组件。

热防护试验件3通过螺钉紧固套件、尼龙搭扣、销钉或者不锈钢丝安装在被防护件9上；安装的同时要求隔热组件的厚度不发生变化。

热防护试验件3有用于安装热流计10的开孔，且热流计10与热防护试验件3开孔接触的壁面上包覆隔热材料。

一种基于权利要求1的瞬态热流控制的高温热防护系统性能验证方法，包括以下步骤：

步骤一：模拟初始边界条件；将热防护试验件3向热源装置2移动并紧贴开敞面；启动被防护件9控温回路，使被防护件9达到在轨时出现的最高初始温度；热源装置加电，缓慢将热防护试验件3表面温度增加到在轨时出现的最高初始温度；待温度稳定后，开始模拟推力器点火过程；

模拟推力器点火过程的具体步骤包括：

(1)将热防护试验件3移动到远离热源装置2的导轨5另一端；

(2)将加热管8电流加到最大，使得加热管8升温到最高值后再将热防护试验件3移动并靠近热源装置2；

(3)确定热流计10的热流实测值与推力器初始点火时刻目标值吻合的时刻并将其作为试验开始时刻，不断调整加热管8的加热功率和热防护试验件3与热源装置2的距离，控制热流计10实测的试验热流曲线与在推力器点火过程中热防护系统表面的到达热流曲线一致；

步骤二：点火时间结束后，模拟推力器的热回浸阶段；首先将热源装置2功率降到最低，根据热流实测值调整热防护试验件3与热源装置2的距离以及热源装置2的加热功率，使高温面的温度变化符合在轨状态下的热回浸阶段到达热流曲线的变化趋势；如果热流实测值大于推力器热回浸过程中的到达热流目标值，则增大热防护试验件3与热源装置2的距离；如果热流实测值小于推力器热回浸过程中的到达热流目标值，则减小热防护试验件3与热源装置2的距离；如果通过移动热防护试验件3无法满足试验要求时，则通过调节热源装置2功率改变高温面的实测热流值使其符合到达热流曲线。

通过对比热流实测值与到达热流目标值，采用PID自主控制程序，通过耦合调整加热功率和热防护试验件3移动距离的方式控制试验热流曲线与到达热流曲线吻合。

有益效果：

(1)本发明的基于瞬态热流控制的高温热防护系统性能验证装置，将热源装置、热防护试验件以及被防护件等器件放放置于真空罐中，具有安装简单、维护方便的特点。

(2)根据高温热防护表面热流反馈，通过耦合控制热源功率和热源与热防护试验件距离的模式，可以准确模拟真实在轨状态热防护系统表面点火过程和热回浸过程的到达热流曲线，解决了传统热防护系统性能验证方法中边界条件不准确的问题，减少了试验前升温段和试验后热回浸段不可控的考核时间和温度余量，达到瞬态高热流密度试验边界条件的精细化控制，从而准确验证热防护系统的隔热性能，指导热防护系统的优化设计，使整个热防护系统占用重量资源较少。

附图说明

图1为本发明高温热防护系统性能试验系统示意图。

图2为本发明高热流密度热源装置示意图。

图3为本发明热防护试验件安装示意图。

图4为本发明瞬态热流控制方式示意图。

其中，1-真空罐，2-热源装置，3-热防护试验件，4-试验件支架，5-导轨，6-电机，7-隔热材料，8-加热管，9-被防护件，10-热流计，11-箱体支架，12-支架车，13-平台。

具体实施方式

下面结合附图和具体优选的实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明提出的高温隔热屏真空隔热性能试验方法，试验思路是设计一套瞬态热流模拟系统，通过耦合控制热源加热功率及热防护试验件与热源距离的方式，较准确控制试验过程的瞬态热流边界条件。

(1)空间边界条件模拟系统采用真空罐1，真空罐1可提供低温边界条件，罐内气氛为氮气，可实现0～1个大气压的调节；热源装置2、热防护试验件3、被防护件9、试验件支架4、导轨5以及电机6均安装在真空罐1内固定的支架车12与平台13上；真空罐1内所有测控电缆表面包覆多层隔热组件，其中测控电缆将热源装置2、热防护试验件3上的热电偶和热流计、被防护件9、导轨5上的热电偶和加热片及电机6与罐外测控系统连接；试验中使用的所有测控系统均需适应不同压力环境，其中测控系统包括内部测控器件，即加热片、热电偶、电源、电机以及热流计，还有测控电缆、外部电源、数据采集卡以及计算机数据处理终端；可移动装置放置于试验支架4上，通过电驱动导轨运动，热防护试验件支架4安装在导轨5上，电机6控制精度为10mm，移动速度为100mm/s；电机6壳体表面粘贴加热片并包覆多层隔热组件，通过粘贴在电机6表面的热电偶进行控温；在导轨两个侧面与下表面也粘贴加热片并实施多层隔热组件，通过热电偶控温；电机6和导轨5需使用真空润滑剂；

(2)热源装置2为侧面开敞式六面体箱体，将高温加热管8安装于箱体中，除了开敞面，其他面均设置高温隔热材料7减小向真空罐壁漏热，使所有热流均传递到热防护试验件3表面；开敞面竖直放置，保障试验时热防护系统厚度方向的传热不受重力影响；

(3)热防护试验件3按照设计状态制作，制作过程中在热防护试验件3各部位设置不同量程的K型热电偶、T型热电偶；热防护试验件3表面热流最高可达200kW/m²；根据在轨时的热防护系统的真实安装方式通过螺钉紧固套件、尼龙搭扣、销钉或者不锈钢丝将热防护试验件3安装在被防护件9上，安装方式要求隔热组件厚度不发生变化；被防护件9背面粘贴加热片和热电偶；在被防护件9上安装高温热流计10，且热流计10测量端面穿过被防护件9，并与热防护试验件3高温面保持在同一平面；

(4)试验开始前，设置满足要求的真空度，将热防护试验件3靠近热源装置2并紧贴开敞面；试验测控系统采集热防护试验件3、被防护件9等温度信号，首先模拟初始边界条件，被防护件9在轨时出现的最高初始温度通过被防护件9控温回路模拟；通过控制热源装置2功率缓慢将热防护试验件3表面温度增加到真实在轨状态出现的最高初始温度并达到稳定；

(5)待试验系统满足初始边界条件并稳定10min后，开始模拟发动点火过程。开始点火前，首先通过热分析得到高温热防护系统表面到达热流曲线在推力器点火过程中随着时间的变化，作为瞬态热流控制条件输入到计算机控制程序中；然后将热防护试验件3远离热源装置2，将热源装置2功率加到最大，待高温加热管8温度升高到最高温度后，将热防护试验件3靠近热源装置；将热流计10读数与热防护试验件3表面初始热流值吻合时刻作为试验初始时刻；试验开始计时后，根据热流计10实时测量结果，不断调整热源装置2功率以及热源装置2和热防护试验件3间的距离，使实测的试验热流曲线与输入条件一致；

(6)在推力器点火时间满足要求后的热回浸过程开始后，先将热源装置2功率降到最低，根据热防护试验件3表面热流计反馈，若实测热流值大于到达热流目标值，则增大热防护试验件3与热源装置2间距，若实测热流值小于到达热流目标值，减小热防护试验件3与热源装置2间距；若通过移动热防护试验件3无法满足试验要求时，通过热源装置2功率的调节改变热防护试验件3高温面实测热流值。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。