一种基于物理模型的戈登式热流计瞬态外推方法与流程

1.本发明涉及航天器地面试验技术领域，涉及一种在航天器试验中，通过瞬态热流计的未平衡数据，预测其平衡值的技术，尤其涉及一种基于物理模型的戈登式热流计瞬态外推方法。


背景技术：

2.在航天器试验中，热流计是测量热流航天器表面入射、吸收热流的重要传感器之一，戈登式热流计广泛用于航天器高温、高热流模拟试验中，如再入段模拟、推力器点火等试验中。
3.近年来，随着深空探测等领域的发展，星球表面返回器往往需要在地外星球表面进行点火、起飞，大推力发动机对于着陆器以及上升器等组件表面带来了每平米高达数十千瓦级的大热流，而以往的地球轨道航天器中往往不存在这种特殊的环境。为了对发动机羽流对探测器表面产生的大热流进行测量，往往需要在模拟的空间环境下的进行测试。
4.但是，受限于试验环境，对于发动机的热流测量往往诸多问题：首先，在地面空间环境模拟容器内部进行发动机点火时，压力的维持依靠真空系统进行，即只能通过多个真空泵以及低温冷板的方式对发动机羽流气体进行吸附，吸附能力往往无法满足发动机稳态工作下的气体排出需求，在几百毫秒左右压力已经可从0.01pa上升至10pa左右，而背压的改变往往带来了发动机工作状态的改变，使试验与实际工作的无限大空间存在显著的差异。其次，对于戈登式热流计而言，一般时间常数在几十至数百毫秒左右，在1个时间常数的时间内，往往只能达到63％的热流，而到达7倍时间常数时才能达到实际热流值的99.9％。因此，对于在真空、低温环境下模拟大功率发动机点火的过程，热流计达到平衡时，试验压力往往已达到10pa量级，使此时的测量热流已经不具有参考意义，而使用前段数据时，由于热流计尚未稳定，又会带来较大的误差。只能使用热流计尚未稳定的数据去预示其在稳定下的可能输出。
5.因此，设计和发明一种基于物理模型的戈登式热流计瞬态外推方法具有积极的现实意义。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为了解决的上述问题，而提出的一种基于物理模型的戈登式热流计瞬态外推方法。
7.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
8.本发明提供一种对戈登式热流计的瞬态测量进行外推的方法，包括以下步骤：
9.s1：试验前标定，通过激光等手段对热流计进行测试，获得热流计的输出系数、响应时间等关键参数；
10.s2：试验后数据处理，以戈登式热流计的非平衡态数据，预测达到平衡后的数据，以解决试验时间短，热流计无法平衡的问题，包括以下步骤：
11.b1：收集试验数据；
12.b2：数据预裁剪；
13.b3：数据预拟合；
14.b4：测量数据线性化；
15.b5：非线性点剔除；
16.b6：数据拟合；
17.b8：稳态热流预示。
18.在一些实施例中，本发明还包括以下技术特征：
19.步骤s1中，通过激光等手段产生一个近似于阶跃的热流，并持续对戈登式热流计的输出毫伏信号进行采集直到输出信号稳定，并对数据曲线按照理论曲线进行拟合，一般标定热流的范围不小于试验中的可能热流范围。
20.步骤s1中，根据传感器的稳态热流q0与传感器输出信号v，获得所述输出系数；进而按照理论输出曲线拟合，其中τ为时间常数(s)。拟合数据的时间起始点一般选取标定装置启动至少30ms后，以降低设备启动的影响，拟合数据的时间终止点至少为7倍的时间常数，以使热流达到稳定热流的至少99.9％；
21.步骤b2由人工完成，根据试验中的时间，对戈登式热流计的试验数据进行裁剪，裁剪后的起点至少覆盖试验的起始时间，裁剪的终点至少覆盖试验的终止时间。
22.所述试验数据的采集频率一般优于100hz。
23.步骤b3为根据当前数据，以关联式的形式对数据自动拟合，其中t为自变量时间(s)，q为因变量热流密度(w/m2),根据采集的毫伏数据和输出系数进行计算，τ为时间常数，根据试验前的标定过程设为定值，t0、c均为常数，分别代表自变量和因变量的偏移，以对时间、热流的测量误差进行补偿，q0为初步获得的预示稳态热流。
24.步骤b4用于将数据预拟合的结果进行线性化处理，具体地，按照步骤b4用于将数据预拟合的结果进行线性化处理，具体地，按照的方式对所有数据进行处理。
25.步骤b5用于对线性化后的点集(xn,yn)进行处理，按照y＝ax的形式进行拟合，并计算所有点与直线y＝ax的欧氏距离，以对数据进行第二次裁剪，筛除由于试验件特性未稳定及其他原因导致的无法使用的数据点。
26.步骤b6用于对第二次裁剪后的数据再次进行拟合，拟合式为步骤b6用于对第二次裁剪后的数据再次进行拟合，拟合式为其中t为自变量时间(s)，q为因变量热流密度(w/m2),根据采集的毫伏数据和输出系数进行计算，τ
*
为根据初步获得的预示稳态热流q0所线性插值的时间常数，为固定值。自变量偏移t0、因变量偏移c、预示热流q1为通过拟合获得常数。
27.步骤b8输出拟合获得的q1值，作为预示热流的平均值，并根据拟合获得的95％ci，输出热流q1的95％置信区间作为参考值。
28.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果：本方法基于戈登式热流计的实际物理模型和标定参数，可基于热流计在100ms左右的试验数据，快速判断处于发动
机正常工作的点，并对符合规律的数据点进行快速、精准的拟合，并给出预示真实热流的置信区间，尤其适用于发动机点火试验等持续时间极短的热流测试。
附图说明
29.图1为本发明实施例中的适用热流计示意图；
30.图2为本发明实施例中的试验前标定流程的具体工作步骤；
31.图3为本发明实施例中的试验后的数据处理的具体工作步骤；
32.图4为本发明实施例中的试验前标定过程的数据范例；
33.图5为本发明实施例中的试验后数据处理中的数据预拟合、数据线性化、非线性点剔除过程数据示意图；
34.图6为本发明实施例中的试验后数据处理中的试验数据拟合，稳态热流预示过程；
35.其中，101为入射热流方向，102为康铜箔，103为铜柱，104为铜线，201为发动机启动段，202为发动机稳定工作段，203为发动机数据偏离段，301为预示热流上限，302为预示热流均值，303为预示热流下限，401为测量热流数据，402为线性化过程，403为非线性点群1，404为可用数据，405为非线性点群2，406为裁剪下限，407为裁剪上限。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
37.请参阅图1为本技术一种基于物理模型的戈登式热流计的瞬态外推方法的适用对象，即戈登式热流计的剖面图，其中101为入射热流方向，即测量发动机羽流产生热流的入射方向；102为康铜箔，即为敏感片；103为铜柱，一般为纯铜制造的柱体，与康铜箔102连接，部分热流计的铜柱内部还具有填充绝热材料；104为铜线，焊接于康铜箔102的中心位置。当热流沿入射热流方向101入射时，康铜箔表面吸收外热流后，由于外侧与铜柱103连接的部分在短时间内可认为是恒温，而康铜箔102的中心位置温度将会显著高于四周温度，中心、边缘之间的温差可与入射热流的大小建立一一对应的关系。同时，康铜箔102与铜柱103形成一个热电偶，康铜箔102与铜线104也形成一个热电偶，通过测量仪器对两个热电偶间的毫伏级电动势进行测量，即可对康铜箔中心、边缘位置的温差进行测量，并间接对吸收热流密度的大小进行表征。
38.请参阅图2为本技术一种基于物理模型的戈登式热流计的瞬态外推方法的试验前标定的具体流程，其中：
39.a0：标定开始环节，对所有试验硬件、软件进行准备；
40.a1：开始采集毫伏信号，即开启测量仪器，如数字万用表、毫伏变送器等，对戈登式热流计的毫伏信号进行采集，一般采集频率不低于100hz；
41.a2：施加热流，一般通过激光器等手段对热流计施加近似于阶跃响应的快速、稳定热流，一般需要施加多组热流，覆盖范围不小于试验中的测量范围；
42.a3：等待采集信号稳定，由于戈登式热流计使用温差测量的原理对热流的大小进
行表征，因此形成稳定的温差往往需要数百毫秒至数秒的时间，因此需要持续对数据进行采集，直到测量数据稳定；
43.a4：判断是否完成所有工况，根据试验规划，直到完成所有热流曲线的标定工作；
44.a5：根据稳态信号计算传感器系数，根据标定设备的稳态施加热流q0，及传感器的稳态输出v，即可获得传感器输出系数a＝q0/v；
45.a6：拟合时间常数τ，根据已经获得的传感器的输出系数，可按照的形式对传感器的瞬态输出曲线进行拟合，其中q为每个时刻测量毫伏电动势的对应热流值w/m2，为因变量。t为时间(s),为自变量。经过最小二乘法等方法拟合后，即可获得时间常数τ。
46.a7：评估标准误差，由于标定设备可形成近似于阶跃信号的热流，但对于前数十ms的数据，往往与理论阶跃不同，而是线性上升过程，因此对拟合结果进行评估，一般τ的标准误差应在τ的均值的1％以内，如果标准误差超过范围，则应当对数据进行裁剪，去除线性上升段，并重新拟合，直到标准误差满足要求。
47.a8：结束，保存所有的标定数据。
48.请参阅图3为本技术一种基于物理模型的戈登式热流计的瞬态外推方法的试验后数据处理的具体流程：
49.b0：开始，即开启戈登式热流计的数据采集程序，设置试验对象，对数据进行采集；
50.b1：收集试验数据，对热流、环境温度、压力等信号进行采集、存储；
51.b2：数据预裁剪，根据环境温度范围，判断数据的可用范围，以对数据进行预裁剪。以航天器发动机试验为例，如发动机的正常工作压力为5pa以下，则裁剪数据的起始点为发动机启动前，裁剪数据的截止点为压力达到5pa左右的时间点；
52.b3：数据预拟合，根据裁剪后的数据，以关联式的形式对数据自动拟合，其中t为自变量时间(s)，q为因变量热流密度(w/m2),根据采集的毫伏数据和输出系数进行计算，τ为时间常数，根据试验前的标定过程设为定值，t0、c均为常数，分别代表自变量和因变量的偏移，以对时间、热流的测量误差进行补偿，q0为初步获得的预示稳态热流，通过数据预拟合可初步建立测量数据的变化规律；
53.b4：测量数据线性化，将数据预拟合的结果进行线性化处理，即按照的方式对所有数据进行处理，经过线性化后的数据，可更容易对偏离规律的点进行剔除，以减少发动机启动后再稳定工作的点、压力超限导致数据不可信点的影响；
54.b5：非线性点剔除，根据测量数据线性化b4过程的线性化结果，对线性化后的点集(xn,yn)进行处理，按照y＝ax的形式进行拟合，并计算所有点与直线y＝ax的欧氏距离，以对数据进行第二次裁剪，其中前部的非线性点主要由于试验件特性未稳定导致，后部的非线性点主要由于压力超限导致发动机工作状态出现改变导致，提出非线性点后现有数据点代表了发动机在真空环境稳定工作状态的性能；
55.b6：数据拟合,用于对第二次裁剪后的数据再次进行拟合，拟合式为
其中t为自变量时间(s)，q为因变量热流密度(w/m2),根据采集的毫伏数据和输出系数进行计算，τ
*
为根据初步获得的预示稳态热流q0所线性插值的时间常数，为固定值。自变量偏移t0、因变量偏移c、预示热流q1为通过拟合获得常数。通过使用插值后的时间常数τ
*
，可减少热流大小对康铜敏感片温度的影响，以补偿康铜片物性参数变化导致的时间常数的差异；
56.b7：线性度判断，拟合结果，判断是否已经删除所有的非线性点，如果剩余点的线性度不满足要求，则返回非线性点剔除b5环节，继续对非线性点进行剔除；
57.b8：获得预示稳态热流和95％ci，根据数据拟合b6中的结果，输出拟合获得的q1值，作为预示热流的平均值，并根据拟合获得的95％ci，输出热流q1的95％置信区间作为参考值；
58.b9：对参数进行输出。
59.请参阅图4为本发明一种基于物理模型的戈登式热流计瞬态外推方法的试验前标定过程的数据范例。如图中所示分别对300kw/m2～1000kw/m2的热流进行了测试，可充分覆盖试验中可能的热流测量范围，以降低试验中热流不同导致的康铜片温度差异，进而对传感器时间常数产生影响的现象。
60.请参阅图5为本发明一种基于物理模型的戈登式热流计瞬态外推方法的试验后数据处理中的数据预拟合、数据线性化、非线性点剔除过程数据示意图。其中401为测量热流数据，一般为接近指数曲线的点集；402为线性化后的数据，即对测量热流数据按照进行变换的结果，可产生近似线性的点集；403为非线性点群1，即通过线性化过程，从线性化后的数据402中筛选的非线性数据，在发动机试验中，其一般是由于发动机启动过程中的非稳定状态导致，需要在预示中进行剔除；405为非线性点群2，即通过线性化过程，从线性化后的数据402中筛选的非线性数据，在发动机试验中，其一般由于发动机工作一段时间后背压太高进而导致发动机工作状态产生变化所导致，需要在预示数据中剔除；404为可用数据，即剔除现有数据头部的非线性点群1和尾部的非线性点群2所得到的结果；406、407分别为裁剪下限、裁剪上限，分别用于剔除非线性点群1和非线性点群2。通过图5所述的处理后，可剔除无效的试验数据，进而可对数据进行拟合，获得真实的热流值。
61.请参阅图6为本发明一种基于物理模型的戈登式热流计瞬态外推方法的试验后数据处理中的试验数据拟合，稳态热流预示过程，其中所采用的数据是根据图5所述数据预拟合、数据线性化、非线性点剔除过程处理后的数据。其中201为发动机启动段，由于其工作尚未稳定，因此数据已在前述步骤中剔除；202为发动机稳定工作段，是拟合的所用数据，通过该部分数据拟合，可获得q1的均值和95％ci；203为发动机数据偏离段，即由于背压变化，导致发动机工作状态出现差异的数据，已在前述数据中剔除。
62.301为预示热流上限，即根据拟合数据获得的95％ci上限值；302为预示热流均值，即q1，303为预示热流下限，即根据拟合数据获得的95％ci下限值。通过该过程，即可获得置信度95％的实际热流区间，实现对试验中稳态热流的预示。
63.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，
任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种对戈登式热流计的瞬态测量进行外推的方法，包括以下步骤：s1：试验前标定，通过激光等手段对热流计进行测试，获得热流计的输出系数、响应时间等关键参数；s2：试验后数据处理，以戈登式热流计的非平衡态数据，预测达到平衡后的数据，以解决试验时间短，热流计无法平衡的问题，包括以下步骤：b1：收集试验数据；b2：数据预裁剪；b3：数据预拟合；b4：测量数据线性化；b5：非线性点剔除；b6：数据拟合；b8：稳态热流预示。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s1中，通过激光等手段产生一个近似于阶跃的热流，并持续对戈登式热流计的输出毫伏信号进行采集直到输出信号稳定，并对数据曲线按照理论曲线进行拟合。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤s1中，根据传感器的稳态热流q0与传感器输出信号v，获得所述输出系数；进而按照理论输出曲线拟合，其中τ为时间常数(s)。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b2由人工完成，根据试验中的时间，对戈登式热流计的试验数据进行裁剪，裁剪后的起点至少覆盖试验的起始时间，裁剪的终点至少覆盖试验的终止时间。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述试验数据的采集频率优于100hz。6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤b3为根据当前数据，以关联式的形式对数据自动拟合，其中t为自变量时间(s)，q为因变量热流密度(w/m2),根据采集的毫伏数据和输出系数进行计算，τ为时间常数，根据试验前的标定过程设为定值，t0、c均为常数，分别代表自变量和因变量的偏移，以对时间、热流的测量误差进行补偿，q0为初步获得的预示稳态热流。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤b4用于将数据预拟合的结果进行线性化处理，具体地，按照的方式对所有数据进行处理。8.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤b5用于对线性化后的点集(x
n
，y
n
)进行处理，按照y＝ax的形式进行拟合，并计算所有点与直线y＝ax的欧氏距离，以对数据进行第二次裁剪，筛除由于试验件特性未稳定及其他原因导致的无法使用的数据点。9.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤b6用于对第二次裁剪后的数据再次进行拟合，拟合式为其中t为自变量时间(s)，q为因变量热流密度(w/m2),根据采集的毫伏数据和输出系数进行计算，τ
*
为根据初步获得的预示稳态热流q0所线性插值的时间常数，为固定值，自变量偏移t0、因变量偏移c、预示热流q1为通过拟合获得
常数。10.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤b8输出拟合获得的q1值，作为预示热流的平均值，并根据拟合获得的95％ci，输出热流q1的95％置信区间作为参考值。

技术总结
本发明涉及一种对戈登式热流计的瞬态测量进行外推的方法，包括试验前标定和试验后数据处理两个主要步骤。其中试验前标定过程通过激光等手段对热流计进行测试，获得热流计的输出系数、响应时间等关键参数，试验后数据处理过程主要包括数据预裁剪、数据预拟合、数据线性化、非线性点剔除、数据拟合、稳态热流预示等步骤。通过引入本发明，可在热流计输出参数尚未稳定时对稳态的热流参数进行预示，有效解决推力器试验中工作时间极短，可用数据极少，导致的热流计尚未平衡，热流测量误差大的问题，相对于其他数据推测方法，本申请充分考虑了热流计的实际物理模型，结合了统计学方法，可对真实热流的范围进行高效、高置信度的推算。高置信度的推算。高置信度的推算。


技术研发人员：李西园 吴东亮 李春杨 柳晓宁 李长勋 杨东升 郭芹良
受保护的技术使用者：北京卫星环境工程研究所
技术研发日：2023.07.03
技术公布日：2023/10/6