[发明专利]一种基于压敏/温敏漆的真空羽流气动力热全场测量系统

说明书

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。

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。