一种用于低密度风洞的压力测量系统及微小压力测量方法与流程

本发明涉及一种用于低密度风洞的压力测量系统及微小压力测量方法，属于飞行器表面压力测量。

背景技术：

1、高速飞行器正朝空域更高、速度更快的方向发展。随着空域的升高，气体分子的平均自由程增大，稀薄效应显著，使得飞行器表面的压力急剧降低，升阻比减小，对飞行器姿态的精确控制提出挑战。因此，如何准确获得飞行器表面的压力分布成为解决飞行器高空域航行的关键问题之一。

2、风洞现有的表面压力测量元件为真空计，首先在模型表面打测压孔；然后通过焊接或胶粘的方式将测压管路(材料为不锈钢或铜)与测压孔进行连接；随后将测压管路从模型尾部引出，与真空计连接；最后将真空计与测量系统相连。其中，为避免真空计长时间工作于高温气流中，一般选择增大测压管路的长度(大于2.5m)，使真空计远离试验气流。上述传统的测压传感器布置方式仅考虑了热防护措施，忽略了压力平衡时间对降低微小压力测量精度以及提高风洞运行成本的影响。根据以往的测量经验，压力平衡时间与测压管路的长度呈正相关关系，目前用于高空域稀薄大气的模拟设备主要为低密度风洞，其试验段内流场的来流静压低于10pa，当被测压力过低时(小于10pa)，还可能出现压力无法平衡现象，即无法得到测量结果。

3、开展风洞试验前，需要对测量系统的每一处连接处进行气密性检测，主要包括测压孔和测压管路、测压管路和真空计之间连接的密封性。当测量系统搭载完毕后，还需要对整个压力测量系统进行气密性检测。一般采用专业的气密性检测仪，该仪器主要工作过程分为4步：充气、平衡、检测和排气。常用的气密性检测仪测量精度为1pa量级，更高精度的检测仪器价格相对昂贵。上述传统的气密性检测方法，对于常规风洞百帕或千帕量级压力测量的气密性检测尚佳，对于低密度风洞10pa以下微小压力测量的气密性检测精度无法较好满足。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种用于低密度风洞的压力测量系统及微小压力测量方法，从管路气密性检测和传感器布置方式进行改进与优化，提高了10pa以下微小压力的测量精度，同时减少压力平衡时间和风洞吹风时间，降低了运行成本。

2、本发明的技术解决方案是：

3、一种压力测量系统，包括测量模块、管路组件以及数据处理模块；

4、测量模块，采用测压传感器进行压力测量，测压传感器套装隔热套，整体固定在试验模型内壁上；

5、管路组件，包括测压孔套管、测压管和球头，测压孔套管的一端与试验模型上的测压孔连接，另一端通过测压管与球头连接，球头与测压传感器通过球面配合连接；

6、数据处理模块，通过线缆连接测压传感器，对测压传感器采集的电压值进行处理，得到测压传感器对应测孔位置的压力数据。

7、进一步地，所述隔热套与测压传感器之间采用过盈配合，隔热套为空心圆柱体，空心区域的外轮廓与测压传感器外轮廓相匹配。

8、进一步地，为便于套装测压传感器，所述隔热套从中心截面处一分为二，从测压传感器的两侧分别套装。

9、进一步地，所述隔热套为非金属材料，壁厚为3mm～6mm。

10、进一步地，测压管路采用退火处理后的铜管，长度为200mm～500mm。

11、进一步地，套装隔热套的测压传感器固定在试验模型尾部的腔体内壁上。

12、一种用于低密度风洞的微小压力测量方法，采用上述压力测量系统，包括：

13、对管路组件进行管路气密性检测，管路气密性检测通过后，将管路组件分别与试验模型、测压传感器连接，再将试验模型安装在低密度风洞中，对测量系统进行气密性检测，直至满足设计要求的保压条件；

14、对风洞试验参数进行设置：预置飞行器攻角角度值及每个攻角的停留时间；

15、开启风洞试验，获取试验过程中的总温和总压数据，同时采集每个攻角下各测压传感器输出的电压值；风洞试验完成后，风洞关车；

16、数据处理模块根据总温和总压数据、各攻角下各测压传感器输出的电压值，计算在每一个攻角下每一个测压传感器所对应的测压孔处压力值，计算方法为：

17、将总温、总压和测压传感器曲线放置在同一张数据表内，选择总温和总压稳定区间作为有效试验时间；其中，稳定区间即信号平稳的区间，上下偏差在设定比例范围以内；

18、在总温和总压有效试验时间内，选择攻角到位后的测压传感器压力信号作为处理信号，将测压传感器输出信号稳定时间达到设定时间的区间作为测压传感器有效信号区间，信号稳定的判断标准为信号幅度上下浮动5％以内；将设定时间内的压力信号取算术平均作为所述攻角下传感器的压力输出结果；

19、提取各攻角到位后测压传感器有效信号区间内各时刻采集的压力信号，根据相应时刻总压值，计算得到各攻角下测压传感器对应测压孔位置的压力系数。

20、进一步地，将管路组件分别与试验模型、测压传感器连接，再将试验模型安装在低密度风洞中，对测量系统进行气密性检测，具体包括：

21、将测压管通过工业胶或采用焊接的方式与测压孔连接，再将球头与测压管尾端焊接；之后将气密检测仪器与球头接口通过螺纹拧紧，将气密检测仪器通过导线连接至测压传感器的测量通道内；

22、用真空泵通过橡胶软管在测压孔表面进行抽真空操作，抽取5-10秒或压力达到真空计测量范围后，关闭真空泵；按紧橡胶软管，使真空泵与测压孔表面密封连接，观察真空计的读数变化，若10秒内压力上升值小于0.1pa，则认定测量系统密封完好。

23、进一步地，计算各攻角下测压传感器对应测压孔位置的压力系数，计算方法为：

24、提取各攻角到位后测压传感器有效信号区间内各时刻采集的压力信号，根据测压传感器的压力系数，计算得到所述攻角下测压传感器对应测压孔位置在各时刻的压力值；

25、根据总压数据，计算在相应时刻的来流静压值、动压值；

26、将每一时刻下的压力值减去静压值后再除以动压值，得到相应时刻下测压传感器对应测压孔位置的压力系数；

27、统计各攻角到位后测压传感器有效信号区间内所有时刻下的测压传感器对应测压孔位置的压力系数，求平均后获得各攻角下测压传感器对应测压孔位置的压力系数。

28、进一步地，在隔热套与测压传感器之间插入热电偶丝，检测试验过程中测压传感器的温升，若温升大于测压传感器的耐温极限则立即停止试验。

29、本发明与现有技术相比的优点在于：

30、(1)本发明通过优化气密性检测方法，将高精度的测压传感器作为气密检测的输出模块，提高了10pa以下微小压力的测量精度。由0.1pa量级提升至0.01pa量级。

31、(2)本发明通过优化测压模块布置方法，将传统的测压模块外置改为内置，显著降低压力测量的平衡时间，减少风洞运行时间，降低能源消耗，单车次试验时间可以缩短15-30秒，年累计节约运行成本20-40万元；同时为测压传感器提供隔热以及温度检测装置，降低传感器损坏的风险，节约器材成本。

32、(3)本发明通过记录每一个采集时刻下的总压和传感器输出压力来计算压力系数，然后再作算术平均，优化了压力系数的计算方法，优化了参数选择，使测量结果更加精确。