一、热流密度:防热设计最直接的考核输入
火箭主动段发动机喷流的热辐射、尾段外壁的对流加热,以及高速飞行中外表面的气动加热,最终都以热流密度(W/m²)的形式作用在结构和防热层上。防热材料的烧蚀/隔热考核、热防护方案优化,都离不开飞行实测热流数据——温度测量只能给出某点的温度响应,而热流测量直接给出单位面积的热输入,是热环境遥测的核心参数。
智腾微电子热流产品采用成熟的圆箔式(Gardon式)测量原理:康铜箔焊接在铜热沉上,一根热电偶丝焊在箔片中心、另一根焊在热沉上,构成差分热电偶;箔片表面涂黑(吸收率≥95%)以充分吸收入射热流。热流被吸收后沿箔片径向向大热容热沉传导,箔片中心迅速升温而热沉温升很小,箔片中心与边缘的温差即与入射热流呈确定函数关系,经标定后直接输出热流密度对应的热电势信号。
二、辐射热流与总热流:测什么、怎么分
辐射热流传感器测量的是热辐射分量,通常采用带窗口(隔对流)的结构,只让辐射热到达敏感面;总热流传感器敏感面直接暴露在气流中,辐射与对流加热一并计入,输出的是总热流密度。两者配合可以分解对流/辐射比例,为喷流热环境建模提供数据。智腾微电子JCR4-10A-XX系列为辐射热流传感器,法兰盘安装、6×M3螺钉固定、插入深度37mm,敏感面要求与被测表面齐平;JCR4-4系列与JCR4-10-X系列为总热流传感器,用于尾段外壁热流测量,量程按型号分档覆盖0~80、0~150、0~200、0~300、0~400、0~600、0~700 kW/m²乃至0~1000、0~2000 kW/m²等多档,测量精度±5%,响应时间小于1s(τ=0.632),重量不大于300g(含0.5m电缆)。另有JGD-B2-X系列箔式热流传感器,量程覆盖0~100至0~1500 kW/m²分档,响应时间小于100ms、精度±10%量级,适合需要更快响应的热流瞬态过程测量。
三、量程分级与热流变换器配套
热流传感器输出为mV级微弱热电势(满量程输出约10mV量级),不能直接远距离传输,必须配热流变换器。智腾微电子JYA8-145热流变换器采用高共模抑制比、低线性误差、低噪声的仪表放大器,对输入信号做仪表放大、滤波和限幅处理,输出0.2~4.8V标准电压,线性度≤0.2%,输入端设差模/共模滤波、输出端采用T型滤波器抑制干扰,并以稳压二极管实现限幅保护;其输入插入电压按型号分8mV、12mV、15mV、18mV等档,与不同灵敏度的热流传感器配对选用。设计时传感器与变换器量程要联合核算:先按热环境预计值选热流传感器量程档(留约1.5~2倍裕度),再按传感器满量程输出电势选变换器输入档,保证输出落在0.2~4.8V有效区间内。
四、安装与使用的工程注意事项
圆箔式热流计对安装状态十分敏感。其一,敏感面必须与被测表面齐平,凸出或凹陷都会改变局部流场、引入对流误差;其二,法兰安装要保证密封和隔热,防止热量从安装孔旁路传导;其三,涂黑层是测量基准,装配中不得划伤、污染敏感箔片,否则吸收率变化直接带来系统偏差;其四,热沉需要维持"冷端"条件,安装基体应具备足够热容或散热路径;其五,同批次传感器常温通路电阻有一致性要求(同批次差异不超过约1Ω~2Ω),敷设电缆时注意热电势回路的极性与屏蔽。热流通道在飞行中变化相对缓慢,但在点火、级间分离等事件附近会出现快速台阶,选用JGD-B2这类百毫秒级响应产品有利于捕捉瞬态。
青岛智腾微电子有限公司具备从芯片设计到系统集成的全国产化自主可控能力,热流传感器与热流变换器成套配套、逐只标定,并建有完整的环境试验与标定检测能力,可为防热结构考核提供从传感器选型到数据换算的全链条支持。