[發明專利]適用于高焓中低熱流環境的陶瓷壁面復合塞式熱流傳感器

有效

• 申請號: 201611024191.0
• 申請日: 2016-11-14
• 公開（公告）號: CN106706166B
• 公開（公告）日: 2019-04-30
• 發明（設計）人: 徐曉亮;曹占偉;王振峰;侯宜朋;黃建棟;閔昌萬;付斌;景麗;顏維旭;任晶志;周啟超;紀兵兵;崔占中;白光輝
• 申請（專利權）人: 北京臨近空間飛行器系統工程研究所;中國運載火箭技術研究院
• 主分類號: G01K17/06
• 分類號: G01K17/06
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 范曉毅

適用于高焓中低熱流環境的陶瓷壁面復合塞式熱流傳感器，涉及陶瓷壁面熱流傳感器設計領域；熱流傳感器包括石墨烯柱、剛性陶瓷隔熱套、紫銅柱、熱電偶、陶瓷涂層；其中，石墨烯柱的軸向一端與紫銅柱固定連接，石墨烯柱的軸向另一端覆蓋有陶瓷涂層；在石墨烯柱的外側壁和紫銅柱遠離石墨烯柱的軸向端面包覆有剛性陶瓷隔熱套；在紫銅柱的端面設置有熱電偶；本發明解決了無法直接在紫銅柱表面制備陶瓷涂層的問題，緩解平面方向的熱擴散，有效規避了陶瓷材料導熱系數小，熱響應慢的問題，為高超聲速飛行器地面防熱試驗提供了更加精確的測熱傳感器。

技術領域

本發明涉及一種陶瓷壁面熱流傳感器設計領域，特別是一種適用于高焓中低熱流環境的陶瓷壁面復合塞式熱流傳感器。

背景技術

當飛行器以高超聲速飛行時，由于其對前方空氣的壓縮及與周圍空氣的摩擦，飛行器絕大部分的動能會以激波及尾流渦旋的形式耗散于大氣中，剩下的一部分動能則轉化為熱能，導致其周圍的空氣溫度急劇升高，并以對流和輻射兩種形式向航天器表面傳遞熱量，即“氣動加熱”。為了考核飛行器所選用的防隔熱材料在氣動加熱條件下能否滿足防隔熱設計需求，通常需要在地面試驗設備上設計并開展防隔熱材料性能考核試驗，最常見的地面防熱試驗主要基于電弧/高頻風洞加熱設備，其工作原理為：通過高壓電弧放電或電磁感應加熱，將空氣電離為高溫離子態氣體，再經過拉瓦爾噴管將氣體加速到一定馬赫數，使氣體總焓達到或接近真實飛行條件。

受地面加熱設備能力的限制，電弧/高頻風洞加熱設備噴管出口模擬的動焓通常遠小于飛行條件，往往需要事先將試驗氣體電離，以增加試驗氣體的離解焓的形式實現對飛行條件下總焓的模擬，即將一部分能量以電離能的形式貯存在離解氣體中。如果這部分能量在材料壁面能夠完全釋放出來，則材料壁面實際感受到的熱流與飛行條件相當，反之，如果這部分能量無法完全釋放，則材料壁面實際感受到的熱流將低于飛行條件，造成地面試驗的欠考核。

事實上，電弧/高頻風洞試驗氣體中貯存的離解焓能否完全釋放，在很大程度上受到材料壁面催化特性的制約，而風洞試驗中無法回避的一個難題是由熱流測試用的塞式傳感器與試驗件材料壁面催化系數存在較大差異，即傳統的塞式熱流傳感器測得的熱流與試驗件表面實際感受到的熱流不符。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的上述不足，提供適用于高焓中低熱流環境的陶瓷壁面復合塞式熱流傳感器，解決了無法直接在紫銅柱表面制備陶瓷涂層的問題，緩解平面方向的熱擴散，有效規避了陶瓷材料導熱系數小，熱響應慢的問題，為高超聲速飛行器地面防熱試驗提供了更加精確的測熱傳感器。

本發明的上述目的是通過如下技術方案予以實現的：

適用于高焓中低熱流環境的陶瓷壁面復合塞式熱流傳感器，包括石墨烯柱、剛性陶瓷隔熱套、紫銅柱、熱電偶、陶瓷涂層；其中，石墨烯柱的軸向一端與紫銅柱固定連接，石墨烯柱的軸向另一端覆蓋有陶瓷涂層；在石墨烯柱的外側壁和紫銅柱遠離石墨烯柱的軸向端面包覆有剛性陶瓷隔熱套；在紫銅柱的端面設置有熱電偶。

在上述的適用于高焓中低熱流環境的陶瓷壁面復合塞式熱流傳感器，所述陶瓷涂層厚度小于50μm。

在上述的適用于高焓中低熱流環境的陶瓷壁面復合塞式熱流傳感器，所述熱電偶沿紫銅柱軸線方向設置在紫銅柱的中心處，熱電偶垂直穿過剛性陶瓷隔熱套，且熱電偶一端與紫銅柱端面的接觸點為溫度測點，熱電偶的另一端伸出陶瓷隔熱套。

在上述的適用于高焓中低熱流環境的陶瓷壁面復合塞式熱流傳感器，熱電偶伸出陶瓷隔熱套的一端引出引線與外部測量裝置連接，實現對紫銅柱底端面溫度的測量。

在上述的適用于高焓中低熱流環境的陶瓷壁面復合塞式熱流傳感器，所述石墨烯柱為片層結構，片層厚度小于紫銅柱母線長度的1/5。

在上述的適用于高焓中低熱流環境的陶瓷壁面復合塞式熱流傳感器，加工石墨烯柱的過程中，保證石墨烯柱沿厚度方向為片層結構的方向。