本發(fā)明測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種防熱層層間溫度及碳化程度復(fù)合測量裝置和方法。

背景技術(shù)：

臨近空間飛行器以高超聲速飛行，氣動加熱將致使防熱層溫度升高并產(chǎn)生溫度梯度。對于應(yīng)用較廣泛的樹脂基材料防熱層而言，長時間的飛行將產(chǎn)生嚴(yán)重的燒蝕、熱解及碳化，在飛行試驗(yàn)中防熱層的層間溫度的測量有助于了解飛行熱環(huán)境的嚴(yán)酷程度，并能用于判斷燒蝕；對防熱層的熱解碳化程度的測量有助于判斷防熱層狀態(tài)?；趯娱g溫度的測量數(shù)據(jù)和熱解碳化程度的測量數(shù)據(jù)，可以完善樹脂基材料防熱層在臨近空間飛行條件下的燒蝕、熱解及溫度場的計(jì)算方法。

目前，通常是通過分層溫度傳感器對防熱材料層的層間溫度進(jìn)行測量，通過連續(xù)式測量燒蝕傳感器對防熱材料層的碳化程度進(jìn)行測量。分層溫度傳感器和連續(xù)式測量燒蝕傳感器之間相互獨(dú)立，安裝在防熱材料層的不同位置處，也即，分層溫度傳感器和連續(xù)式測量燒蝕傳感器之間存在一定的安裝距離。然而，由于臨近空間飛行器熱環(huán)境分布的復(fù)雜性，分層溫度傳感器和連續(xù)式測量燒蝕傳感器之間的安裝距離通常會影響測量得到的層間溫度測量數(shù)據(jù)和熱解碳化程度測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對測量數(shù)據(jù)的分析以及測量目的的實(shí)現(xiàn)將帶來不利的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種防熱層層間溫度及碳化程度復(fù)合測量裝置和方法，旨在克服不能同時測量同一位置的層間溫度和熱解碳化程度的問題，提高了獲取的測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，以及，測量數(shù)據(jù)的可分析度。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明公開了一種防熱層層間溫度及碳化程度復(fù)合測量裝置，包括：芯棒組件(1)和中空結(jié)構(gòu)的底座(2)，所述芯棒組件(1)安裝在所述底座(2)上；

其中，所述芯棒組件(1)包括：上芯棒(11)、下芯棒(12)、一次纏繞保護(hù)層(13)、二次纏繞保護(hù)層(14)、合金絲(15)和至少一個熱電偶；

所述上芯棒(11)和所述下芯棒(12)連接；

所述一次纏繞保護(hù)層(13)包裹在所述上芯棒(11)和所述下芯棒(12)的外表面；

所述二次纏繞保護(hù)層(14)包裹在所述一次纏繞保護(hù)層(13)的外表面；

所述合金絲(15)設(shè)置在所述一次纏繞保護(hù)層(13)與所述上芯棒(11)和所述下芯棒(12)的外表面之間，以及，所述二次纏繞保護(hù)層(14)與所述一次纏繞保護(hù)層(13)之間；

所述至少一個熱電偶分別內(nèi)嵌在所述上芯棒(11)和所述下芯棒(12)中。

在上述防熱層層間溫度及碳化程度復(fù)合測量裝置中，

所述上芯棒(11)為凹字型結(jié)構(gòu)，包括：凹型槽(111)、第一安裝槽(112)、以及、設(shè)置在所述第一安裝槽(112)的槽兩端的第一通孔(1121)和第二通孔(1122)；其中，所述第一安裝槽(112)設(shè)置在所述上芯棒(11)的遠(yuǎn)離所述凹型槽(111)的一端的頂面；

所述下芯棒(12)為凸字型結(jié)構(gòu)，包括：與所述凹型槽(111)相匹配的凸臺(121)、第二安裝槽(122)、第三安裝槽(123)、第四安裝槽(124)、以及、設(shè)置在所述第二安裝槽(122)的槽兩端的第三通孔(1221)和第四通孔(1222)、設(shè)置在所述第三安裝槽(123)的槽兩端的第五通孔(1231)和第六通孔(1232)、設(shè)置在所述第四安裝槽(124)的槽兩端的第七通孔(1241)和第八通孔(1242)；其中，所述第二安裝槽(122)設(shè)置在所述凸臺(121)的頂面；第三安裝槽(123)和第四安裝槽(124)分別設(shè)置在所述凸臺(121)的左右兩肩。

在上述防熱層層間溫度及碳化程度復(fù)合測量裝置中，所述至少一個熱電偶包括：第一熱電偶(161)、第二熱電偶(162)、第三熱電偶(163)和第四熱電偶(164)；

所述第一熱電偶(161)、第二熱電偶(162)、第三熱電偶(163)和第四熱電偶(164)依次對應(yīng)設(shè)置在所述第一安裝槽(112)、第二安裝槽(122)、第三安裝槽(123)和第四安裝槽(124)內(nèi)；

其中，各個熱電偶與各個安裝槽之間的間隙處填充環(huán)氧樹脂；各熱電偶的引線處包裹有陶瓷套管；各熱電偶的引線分別從對應(yīng)的通孔處引出，并從所述底座(2)的中空處穿出。

在上述防熱層層間溫度及碳化程度復(fù)合測量裝置中，所述合金絲(15)包括：連接在一起的第一部分合金絲(151)和第二部分合金絲(152)；

所述第一部分合金絲(151)從所述下芯棒(12)的下方起、至所述上芯棒(11)的上方止，纏繞在所述上芯棒(11)和所述下芯棒(12)的外表面；

所述一次纏繞保護(hù)層(13)包裹在所述第一部分合金絲(151)外側(cè)；

所述第二部分合金絲(152)從所述上芯棒(11)的上方起、至所述下芯棒(12)的下方止，纏繞在所述一次纏繞保護(hù)層(13)的外表面；

所述二次纏繞保護(hù)層(14)包裹在所述第二部分合金絲(152)外側(cè)。

在上述防熱層層間溫度及碳化程度復(fù)合測量裝置中，

在所述第一部分合金絲(151)纏繞在所述上芯棒(11)和所述下芯棒(12)的外表面之后，芯棒組件(1)的當(dāng)前總直徑為D1；

在所述第二部分合金絲(52)纏繞在所述一次纏繞保護(hù)層(3)的外表面之后，芯棒組件(1)的當(dāng)前總直徑為D2；

在所述二次纏繞保護(hù)層(4)包裹在所述第二部分合金絲(52)外側(cè)之后，芯棒組件(1)的當(dāng)前總直徑為D3；

其中，D1與D2的差值不大于1mm；D2與D3的差值不小于2mm。

在上述防熱層層間溫度及碳化程度復(fù)合測量裝置中，所述底座(2)為柱狀翻邊中空結(jié)構(gòu)；

所述底座(2)與下芯棒(12)之間采用型面配合、限制下芯棒(12)的旋轉(zhuǎn)自由度和縱向自由度的方式連接。

在上述防熱層層間溫度及碳化程度復(fù)合測量裝置中，

所述底座(2)、上芯棒(11)和下芯棒(12)為樹脂基復(fù)合材料；所述上芯棒(11)和所述下芯棒(12)通過環(huán)氧樹脂粘接；

所述合金絲(15)為6J20軟態(tài)鎳鉻基合金絲；

所述一次纏繞保護(hù)層(13)為有機(jī)纖維布，呈薄殼柱狀結(jié)構(gòu)；

所述二次纏繞保護(hù)層(14)為樹脂基復(fù)合材料，呈薄殼柱狀結(jié)構(gòu)。

相應(yīng)的，本發(fā)明還公開了一種防熱層層間溫度及碳化程度復(fù)合測量方法，包括：

在臨近空間飛行器飛行時，通過內(nèi)嵌在上芯棒和下芯棒中的至少一個熱電偶輸出電信號；

根據(jù)輸出的電信號，確定所述防熱層當(dāng)前位置的層間溫度；

獲取合金絲的電阻變化狀態(tài)；其中，所述合金絲分別設(shè)置在一次纏繞保護(hù)層與所述上芯棒和所述下芯棒的外表面之間，和，二次纏繞保護(hù)層與所述一次纏繞保護(hù)層之間；

根據(jù)獲取的合金絲的電阻變化狀態(tài)，確定所述防熱層當(dāng)前位置的實(shí)時碳化量；

輸出所述當(dāng)前位置的層間溫度和實(shí)時碳化量。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明可以對防熱層同一位置處的層間溫度和碳化程度同時進(jìn)行測量，實(shí)現(xiàn)了臨近飛行器同一部位的兩類測量(層間溫度測量和碳化程度測量)的同時執(zhí)行，使得兩類測量的測量數(shù)據(jù)之間可以相互印證，提高了測量數(shù)據(jù)的可分析度。

(2)本發(fā)明以單點(diǎn)位置測量的代價實(shí)現(xiàn)了對層間溫度和碳化程度的同時測量，節(jié)省了傳感器的數(shù)量。

(3)相比現(xiàn)有的連續(xù)式燒蝕傳感器，本發(fā)明解決了傳感器本身碳化程度與飛行器防熱層碳化程度不一致的問題。

附圖說明

圖1是是本發(fā)明實(shí)施例中一種防熱層層間溫度及碳化程度復(fù)合測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1中位置A處的局部放大示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例中一種芯棒組件的俯視圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例中一種防熱層層間溫度及碳化程度復(fù)合測量方法的步驟流程圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明公共的實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

參照圖1，示出了本發(fā)明實(shí)施例中一種防熱層層間溫度及碳化程度復(fù)合測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。在本實(shí)施例中，所述防熱層層間溫度及碳化程度復(fù)合測量裝置包括：芯棒組件1和中空結(jié)構(gòu)的底座2，所述芯棒組件1安裝在所述底座2上。其中，所述芯棒組件1包括：上芯棒11、下芯棒12、一次纏繞保護(hù)層13、二次纏繞保護(hù)層14、合金絲15和至少一個熱電偶。

如圖1所示，在本實(shí)施例中，所述上芯棒11和所述下芯棒12連接；所述一次纏繞保護(hù)層13包裹在所述上芯棒11和所述下芯棒12的外表面；所述二次纏繞保護(hù)層14包裹在所述一次纏繞保護(hù)層13外表面；所述合金絲(15)設(shè)置在所述一次纏繞保護(hù)層(13)與所述上芯棒(11)和所述下芯棒(12)的外表面之間，以及，所述二次纏繞保護(hù)層(14)與所述一次纏繞保護(hù)層(13)之間；所述至少一個熱電偶分別內(nèi)嵌在所述上芯棒(11)和所述下芯棒(12)中。

優(yōu)選的，參照圖2，圖2是圖1中位置A處的局部放大示意圖。結(jié)合圖1和圖2，在本實(shí)施例中，所述上芯棒11為凹字型結(jié)構(gòu)，包括：凹型槽111和第一安裝槽112；其中，所述第一安裝槽112設(shè)置在所述上芯棒11的遠(yuǎn)離所述凹型槽111的一端的頂面。所述下芯棒12為凸字型結(jié)構(gòu)，包括：與所述凹型槽111相匹配的凸臺121、第二安裝槽122、第三安裝槽123和第四安裝槽124；其中，所述第二安裝槽122設(shè)置在所述凸臺121的頂面；第三安裝槽123和第四安裝槽124分別設(shè)置在所述凸臺121的左右兩肩。

進(jìn)一步的，參照圖3，示出了本發(fā)明實(shí)施例中一種芯棒組件的俯視圖。結(jié)合圖1、圖2和圖3，在本實(shí)施例中，優(yōu)選的，所述上芯棒11還包括：設(shè)置在所述第一安裝槽112的槽兩端的第一通孔1121和第二通孔1122。所述下芯棒12還包括：設(shè)置在所述第二安裝槽122的槽兩端的第三通孔1221和第四通孔1222、設(shè)置在所述第三安裝槽123的槽兩端的第五通孔1231和第六通孔1232、設(shè)置在所述第四安裝槽124的槽兩端的第七通孔1241和第八通孔1242。其中，需要說明的是，各個通孔均為縱向貫穿所述防熱層層間溫度及碳化程度復(fù)合測量裝置的通孔。

在本發(fā)明的一可行方案中，優(yōu)選的，所述至少一個熱電偶可以為5個，包括：第一熱電偶161、第二熱電偶162、第三熱電偶163和第四熱電偶164。如圖2，所述第一熱電偶161、第二熱電偶162、第三熱電偶163和第四熱電偶164依次對應(yīng)設(shè)置在所述第一安裝槽112、第二安裝槽122、第三安裝槽123和第四安裝槽124內(nèi)。其中，需要說明的是，各個熱電偶與各個安裝槽之間的間隙處填充環(huán)氧樹脂；各熱電偶的引線處包裹有陶瓷套管；各熱電偶的引線分別從對應(yīng)的通孔處引出，并從所述底座2的中空處穿出。

在本發(fā)明的一可行方案中，優(yōu)選的，如圖1所示，在本實(shí)施例中，所述合金絲15包括：連接在一起的第一部分合金絲151和第二部分合金絲152。其中，所述第一部分合金絲151從所述下芯棒12的下方起、至所述上芯棒11的上方止，纏繞在所述上芯棒11和所述下芯棒12的外表面；所述一次纏繞保護(hù)層13包裹在所述第一部分合金絲151外側(cè)；所述第二部分合金絲152從所述上芯棒11的上方起、至所述下芯棒12的下方止，纏繞在所述一次纏繞保護(hù)層13的外表面；所述二次纏繞保護(hù)層14包裹在所述第二部分合金絲152外側(cè)。

需要說明的是所述合金絲15是一個完整的合金絲，在本實(shí)施例中為了便于描述，故將其分為第一部分合金絲151和第二部分合金絲152進(jìn)行描述。此外，所述合金絲15也可以用碳絲代替。其中，合金絲15的具體纏繞操作流程可以如下：步驟S1，在上芯棒11和下芯棒12連接之后，在所述上芯棒11和下芯棒12的組合結(jié)構(gòu)圓柱面的外表面纏繞合金絲15，合金絲15自所述下芯棒12的下方起、至所述上芯棒11的上方止，而后將合金絲15線匝保護(hù)。步驟S2，在步驟S1完成之后，在完成一次纏繞的部件上使用一次纏繞保護(hù)層13包裹。S3，自所述上芯棒11的上方起、至所述下芯棒12的下方止，繼續(xù)纏繞合金絲15。S4，在步驟S3完成之后，在完成二次纏繞的部件上使用二次纏繞保護(hù)層14包裹，并將所述二次纏繞保護(hù)層14加工至合適厚度。

在本實(shí)施例中，在所述第一部分合金絲151纏繞在所述上芯棒11和所述下芯棒12的外表面之后，芯棒組件1的當(dāng)前總直徑為D1；在所述第二部分合金絲52纏繞在所述一次纏繞保護(hù)層3的外表面之后，芯棒組件1的當(dāng)前總直徑為D2；在所述二次纏繞保護(hù)層4包裹在所述第二部分合金絲52外側(cè)之后，芯棒組件1的當(dāng)前總直徑為D3。其中，優(yōu)選的，D1與D2的差值不大于1mm；D2與D3的差值不小于2mm。例如，一組優(yōu)選的尺寸可以如下：D3＝Φ12mm，D2＝Φ10mm，D1＝Φ9mm。

優(yōu)選的，所述底座2具體可以為柱狀翻邊中空結(jié)構(gòu)。所述底座2在與所述芯棒組件1連接時具體可以采用如下方式：所述底座2與下芯棒12之間采用型面配合、限制下芯棒12的旋轉(zhuǎn)自由度和縱向自由度的方式連接。

需要說明的是，在本實(shí)施例中，優(yōu)選的，所述防熱層可以是樹脂基材料，所述底座2、上芯棒11和下芯棒12均可以采用與防熱層相同的樹脂基復(fù)合材料；所述上芯棒11和所述下芯棒12通過環(huán)氧樹脂粘接。所述合金絲15為6J20軟態(tài)鎳鉻基合金絲。所述一次纏繞保護(hù)層13為有機(jī)纖維布，呈薄殼柱狀結(jié)構(gòu)。所述二次纏繞保護(hù)層14為樹脂基復(fù)合材料，呈薄殼柱狀結(jié)構(gòu)。

此外，還需要說明的是，優(yōu)選的，安裝在第一安裝槽112內(nèi)的第一熱電偶161位于所述上芯棒11的表面(遠(yuǎn)離底座2的一面)；安裝在第二安裝槽122內(nèi)的第二熱電偶162距所述上芯棒11的表面為h1；安裝在第三安裝槽123內(nèi)的第三熱電偶163距所述上芯棒11的表面為h3；安裝在第四安裝槽124內(nèi)的第四熱電偶164距所述上芯棒11的表面h2。其中，h1、h2和h3的具體值可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置，各安裝槽內(nèi)的熱電偶的種類視使用環(huán)境確定。例如，一組優(yōu)選的取值可以如下：h1＝3mm，h2＝6mm，h3＝10mm；各安裝槽的槽深為0.4mm、槽寬為0.8mm。

進(jìn)一步的，所述防熱層層間溫度及碳化程度復(fù)合測量裝置在使用時，可以在臨近空間飛行器上制孔，孔徑與所述防熱層層間溫度及碳化程度復(fù)合測量裝置的直徑相匹配(間隙不大于0.2mm，間隙內(nèi)使用耐高溫硅橡膠封堵)，將所述防熱層層間溫度及碳化程度復(fù)合測量裝置自臨近空間飛行器的艙內(nèi)安裝于臨近空間飛行器上，保證所述防熱層層間溫度及碳化程度復(fù)合測量裝置的外表面與所述臨近空間飛行器的外表面齊平(高度差不大于0.1mm)。

在上述裝置實(shí)施例的基礎(chǔ)上，本發(fā)明實(shí)施例還公開了一種防熱層層間溫度及碳化程度復(fù)合測量方法。參照圖4，示出了本發(fā)明實(shí)施例中一種防熱層層間溫度及碳化程度復(fù)合測量方法的步驟流程圖。在本實(shí)施例中，所述脂基材料防熱層層間溫度及碳化程度復(fù)合測量方法包括：

步驟401，在臨近空間飛行器飛行時，通過內(nèi)嵌在上芯棒和下芯棒中的至少一個熱電偶輸出電信號。

在本實(shí)施例中，臨近空間飛行器在飛行時，表面受到氣動加熱作用，安裝于臨近空間飛行器上的防熱層層間溫度及碳化程度復(fù)合測量裝置中的各個熱電偶在探測到溫度變化時，輸出電信號。

步驟402，根據(jù)輸出的電信號，確定所述防熱層當(dāng)前位置的層間溫度。

步驟403，獲取合金絲的電阻變化狀態(tài)。其中，所述合金絲分別設(shè)置在一次纏繞保護(hù)層與所述上芯棒和所述下芯棒的外表面之間，和，二次纏繞保護(hù)層與所述一次纏繞保護(hù)層之間。

在本實(shí)施例中，隨著臨近空間飛行器的防熱層發(fā)生碳化，一次纏繞保護(hù)層和二次纏繞保護(hù)層將同步碳化，由于碳化層的導(dǎo)電特性良好，設(shè)置在一次纏繞保護(hù)層與所述上芯棒和所述下芯棒的外表面之間的第一部分合金絲與設(shè)置在二次纏繞保護(hù)層與所述一次纏繞保護(hù)層之間的第二部分合金絲之間發(fā)生短路，合金絲的電阻產(chǎn)生變化.

步驟404，根據(jù)獲取的合金絲的電阻變化狀態(tài)，確定所述防熱層當(dāng)前位置的實(shí)時碳化量。

在本實(shí)施例中，根據(jù)合金絲的電阻科研換算可得到防熱層的實(shí)時碳化量。

步驟405，輸出所述當(dāng)前位置的層間溫度和實(shí)時碳化量。

在本實(shí)施例中，可以同步輸出防熱層各層的層間溫度以及防熱層的實(shí)時碳化量。

對于方法實(shí)施例而言，由于其與裝置實(shí)施例相對應(yīng)，所以描述的比較簡單，相關(guān)之處參見裝置實(shí)施例部分的說明即可。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例所述的防熱層層間溫度及碳化程度復(fù)合測量和方法，可以對防熱層同一位置處的層間溫度和碳化程度同時進(jìn)行測量，實(shí)現(xiàn)了臨近飛行器同一部位的兩類測量(層間溫度測量和碳化程度測量)的同時執(zhí)行，使得兩類測量的測量數(shù)據(jù)之間可以相互印證，提高了測量數(shù)據(jù)的可分析度。

其此，本發(fā)明實(shí)施例所述的防熱層層間溫度及碳化程度復(fù)合測量和方法，以單點(diǎn)位置測量的代價實(shí)現(xiàn)了對層間溫度和碳化程度的同時測量，節(jié)省了傳感器的數(shù)量。

此外，相比現(xiàn)有的連續(xù)式燒蝕傳感器，本發(fā)明實(shí)施例所述的防熱層層間溫度及碳化程度復(fù)合測量和方法還解決了傳感器本身碳化程度與飛行器防熱層碳化程度不一致的問題。

本說明中的各個實(shí)施例均采用遞進(jìn)的方式描述，每個實(shí)施例重點(diǎn)說明的都是與其他實(shí)施例的不同之處，各個實(shí)施例之間相同相似的部分互相參見即可。

以上所述，僅為本發(fā)明最佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。