[发明专利]用于常规风洞的变姿态热图测量方法、系统及装置

说明书

本发明公开了一种用于常规风洞的变姿态热图测量方法、系统及装置，所述方法包括：在试验前无气流的情况下，通过相机依次采集模型处于各个预定姿态时的无气流热图；在试验时有气流的情况下，通过攻角机构连续变化模型处于所述各个预定姿态，并通过相机记录模型处于各个预定姿态的有气流热图；对所述无气流热图和所述有气流热图按照所述各个预定姿态进行挑选、分类和重新编号；采用数据处理算法依次处理模型处于各个预定姿态时重新分类和编号后的热图，获得处于各个预定姿态时模型表面对应的热流。本发明降低了常规风洞热图测量的试验成本和试验时间；并能够在常规风洞中同时进行测热和测力。

技术领域

本发明涉及热图测量技术领域，尤其是涉及一种用于常规风洞的变姿态热图测量方法、系统及装置。

背景技术

针对高超声速飞行器的热环境预测，传统的接触式点测热方法借助热流传感器获得离散的热流分布。接触式点测热方法的核心在于传感器的设计、安装和使用，固然借助接触式的测量可以得到局部的准确热流，但也产生了相应的限制：

(1)为了安装传感器，需要在模型表面加工出和传感器配合的安装孔、安装槽(矩形或异型，取决于传感器的外形特定)等复杂的配合面，不仅增加了模型设计和加工的难度；而且各种装配结构在飞行器的曲面存在各种缝隙、凹槽等局部结构，这些结构都会对局部甚至全局的流场产生影响，最终在测量结果中引入无法评估的测量误差。

(2)接触式点测热的热流测点布置密度受到诸多因素(如结构强度降低、传感器之间存在的互相干扰、内部走线空间有限等)的限制，使得热流测量的分辨率低、实施成本高、安装繁琐，无法在大面积热流测量的场景应用。例如，柱状铂膜热电阻(Φ2mm直径)的安装孔间距极限一般为7mm到8mm，如果要在一个200mm×200mm面积的曲面上测量热流达到8mm的分辨率，需要大约25×25个(共625个)传感器来测量热流。其高昂的成本、复杂的模型设计、繁琐传感器安装和仅仅8mm的分辨率效果，对于大面积热流的预测来说是难以接受的。而一体式热电偶可以实现分辨率1mm的热流测量，但是其测量成本极高，以致于在大面积热流的预测中应用几乎无望。

(3)接触式点测热借助热流传感器来测量热流，则必然面临感温材料在＝受高速来流冲刷的问题。对于热电阻而言，气流冲刷会导致铂膜厚度减小，感温材料的阻值变化，产生难以评估的系统误差。对于通过胶粘连接的热电偶(一般安装在受到严重冲刷的头部、舵面等位置)而言，气流冲刷或使热电偶发生应变导致结点发生位移，增加随机误差；或产生高温使热电偶表面氧化，引入难以评估的系统误差。

(4)由于成本限制，接触式点测热传感器的布置每一次都需要进行针对性的布置，需要预先知道大致的全局热流分布才能实现高效的测量，否则只能用大量冗余的测点来避免错过热流分布的关键点。

综上，接触式点测热方法在得到局部准确热流的同时也存在分辨率低、模型设计复杂、气流冲刷问题无法避免的限制。接触式点测热更适合的应用场景应当是在初步得知大面积热流分布的前提下针对性的获取特定局部区域(如高热流区、存在特殊热流现象区域等)的热流分布。但是对于模型(特别是热流分布较为复杂的模型)表面热流的预测，又不可能直接跳过全局热流预测。

为了解决大面积热流预测的问题，研究者们逐渐转向光学测量，并发展出了热图技术。该技术借助温敏材料，通过光学测量实现了低成本的大面积热流测量，在不干扰流场的前提下能够获得大面积的热流数据，成为了热流测量技术发展的重要方向。并且，该测量方法并不需要预先知道全局热流分布，只要在相机的拍摄范围即可，尤其适用于大面积热流预测的应用场景。仍旧以200mm×200mm面积的曲面为例，热图技术的分辨率只取决于相机和焦距，可以达到1mm以下。此外，由于不需要大量加工孔、槽等，模型的设计、加工的难度时间都大幅减少，结构强度则更有保证。

该技术和接触式点测热互补，使得热流测量技术(如果你愿意把各种不同的测量技术看做互补的一个整体的话)更加完善，应用场景更为宽广。

当然，热图技术发展至今也还并未完善，存在以下限制：