[发明专利]一种低焓电弧加热器气流焓值诊断系统及诊断方法

说明书

本发明涉及一种低焓电弧加热器气流焓值诊断系统及诊断方法，是利用近红外激光吸收光谱诊断技术直接测量电弧加热器喷管出口自由流的流场参数，基于H₂O双线测温获得电弧加热器喷管出口自由流的气流温度和速度，结合热平衡气流焓值与温度、压力的定量关系获得喷管出口的当地气流总焓，该方法提高了焓值测量的精度，适用于焓值范围1500kJ/kg‑7500kJ/kg内的管式、交流、长分段等多种类型的低焓电弧加热器气流焓值测量；同时该方法为一种非接触式的测量方法，对流场没有干扰，不依赖于其他测量参数和机械加工的精度，可实现流场参数的精确测量，可作为目前焓值测量方法的有力补充。

技术领域

本发明涉及一种低焓电弧加热器气流焓值诊断系统及诊断方法，属于飞行器地面气动热试验研究领域。

背景技术

电弧加热器是研究飞行器气动热防护问题的重要试验平台，其通过电弧加热的方式产生高温气流，模拟飞行器再入过程中的焓值和热流参数，开展热防护系统的地面试验研究。对于气动热地面模拟试验，其关键之一在于获得准确的模拟参数：气流总焓。

目前关于电弧加热器焓值测量主要有以下几种方法：

1.能量平衡法。

这种方法是通过投入的功率(电弧电压×电弧电流)减去电弧加热器各部件冷却水带走的能力损失获得净投入功率，净投入的功率与质量流量之比即为气体总焓。这种方法非常简单，但是它对于电弧加热器各部件冷却水能量损失的测量要求很高，在空气流量较低时，其误差会进一步方法，目前不作为本研究室焓值测量的首选手段。

2.平衡声速法。

平衡声速流量法是假定喷管喉道前的气流处于热平衡、等熵、一元均质流、定常条件下，利用连续方程、能量方程和高温气体热力学性能，通过测量电弧加热器内的压力，上游供气流量，喷管喉道来获得总焓。该方法是由Winovich,W在1964年通过大量实验数据拟合而成，目前已成为应用最广泛的一种焓值确定方法之一。但应用平衡声速法测量焓值主要面临三个问题：

1)拟合公式与对应实际试验数据存在偏差，Winovich提出，公式(1) 中的偏差在4％左右，反映到焓值的偏差在10％。NASA研究人员在AIAA 2011-3475一文中提出，保守估计，在95％置信度上该公式计算值偏差高于5％；

(2)方法本身依赖于混合室压力、供气压力、供气温度测量精度和音速喷嘴直径、喷管喉道直径的机械加工精度。气流总焓对上述参数变化非常敏感，混合室压力、上游压力测量变化1％，反映到焓值变化均为 2.519％；音速喷嘴直径、喷管喉道直径变化1％，反映到焓值变化均高于 5％，而喷管喉道经受多车次、长时间的高热流烧蚀，其实际喉道面积与名义面积的偏差不断变大，这些因素的影响对于焓值精确测量提出了很高的要求；

(3)该方法获得气体总焓是喷管前加热器混合室内的容积焓，在喷管绝热假设下，将其等同于喷管出口自由流的当地气流总焓。对于实际电弧风洞试验，喷管部分存在热损失，出口气流总焓和混合室内容积焓之间存在偏差。