一种应对高温环境的光谱采集系统冷却方法技术方案

本发明专利技术属于一种液体火箭发动机尾焰光谱采集系统在高温下的冷却设备技术领域，具体涉及光谱采集系统的冷却系统的设计以及优化，其包括以下几个步骤：(1)采用热电偶设备测量液体火箭发动机试车时周围一定距离内的温度场大致分布特征；(2)依据试车台温度场数据以及光谱采集设备自身抗热能力，确定采集系统的安全边界；(3)采用主被动复合冷却方式对于尾流光测设备进行冷却，使得光测设备能够尽量靠近发动机尾流；(4)利用数值模拟以及试验研究，进行采集系统冷却方案的研究以及优化迭代；(5)采用模块化设计思路，对优化之后符合要求的冷却方案进行定型设计。本发明专利技术以仿真和建模相结合的优化迭代方式，可以保障尾焰周围高温环境下，光测设备的正常运行；同时以模块化的设计，灵活应对多光谱采集系统的冷却需求。灵活应对多光谱采集系统的冷却需求。灵活应对多光谱采集系统的冷却需求。

【技术实现步骤摘要】
一种应对高温环境的光谱采集系统冷却方法


[0001]本专利技术属于一种液体火箭发动机尾焰光谱采集系统在高温下的冷却设备
，具体涉及光谱采集系统的冷却系统的设计以及优化。

技术介绍

[0002]液体火箭发动机是运载火箭的重要子系统，为火箭提供动力，其是否可以成功运行以及航天发射成功与否，所以对其进行故障诊断可有效提高发动机可靠性与安全性。利用尾焰光谱对液体火箭发动机进行健康监测具有非侵入式、覆盖信息广、误检率低以及反应灵敏等特点。
[0003]为了准确而详细的光谱数据，光谱采集系统系统应尽可能近的布置在尾焰周围，但尾焰周围高温的工作环境，迫切需要进行冷却系统，保障光测设备的正常运行。传统液冷方式较为单一，无法满足光测设备在高温环境下的需求。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术存在的某种或者某些缺憾，本专利技术提供一种应对高温环境的光谱采集系统冷却方法
[0005]根据本专利技术的一种应对高温环境的光谱采集系统冷却方法，其步骤如下所示：
[0006](1)采用热电偶设备测量液体火箭发动机试车时周围一定距离内的温度场大致分布特征。
[0007](2)依据试车台温度场数据以及光谱采集设备自身抗热能力，确定采集系统的安全边界。
[0008](3)采用主被动复合冷却方式对于尾流光测设备进行冷却，使得光测设备能够尽量靠近发动机尾流。
[0009](4)利用数值模拟以及试验研究，进行采集系统冷却方案的研究以及优化迭代。
[0010](5)采用模块化设计思路，对优化之后符合要求的冷却方案进行定型设计。
[0011]本专利技术采用以上技术方案，有以下优点：
[0012](1)本专利技术对确定光谱采集系统的安全边界，可以更近距离的采集尾焰光谱数据。
[0013](2)本专利技术采用主被动复合冷却技术，即采用良好被动散热材料，又使用主动冷却装置，具有更加优良的散热效果。
[0014](3)本专利技术利用数值模拟和试验研究，对整个冷却系统的实际进行优化迭代，得到符合要求的最优解。
[0015](4)本专利技术采用模块化设计思路，实际应用中可以根据光测设备的数量增减冷却模块，灵活运用。
附图说明
[0016]图1为光谱采集系统冷却装置研究技术路线；
[0017]图2为液体火箭尾焰周围温度场初步测量方案；
[0018]图3为主被动复合冷却模块总体方案设计。
[0019]具体实施方法
[0020]为了使本专利技术所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本专利技术进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0021]1.液体火箭发动机试车台周围温度场测量方案
[0022]如图1所示，本专利技术的热电偶空间布置在不同半径处成交错排列的方式布置，尽量减少相互之间的干扰；同时结合火箭试车台的结构布置，初步选取距离3m、4m、和5m三个不同半径开展测量；初步总计包括10个热电偶测量得到90
°
锥角范围内的温度。在这样的布置下，经过一次完整试车后将得到火箭周围一定角度视野内较为完整的温度场的分布，结合火箭流场本身的(不完美)轴对称特性，可以大致估计得到火箭周围一定距离内的温度场。
[0023]面对试车台附件高温的热环境，同时保证在整个试车过程中(试车时间大概50s)测量尾焰周围环境温度的准确性，需采用铠装、高速(10Hz)热电偶
[0024]根据相应的试验数据，确定各种光测设备的安全边界，从而据此采取对应的降温措施或者是选择合适的探测距离
[0025]2.冷却装置仿真分析以及迭代优化
[0026]如图2所示，本专利技术中，冷却装置的总体方案研究设计主要包括两个方面的迭代优化，分别是基于仿真研究的迭代优化和基于试验研究的迭代优化。
[0027]当试车尾焰热环境参数和光测设备的防热需求(≤70℃)确定时，作为后续设计的边界条件，然后根据需求观测距离处的温度，设计总体冷却方案以及防热目标。
[0028]基于仿真研究的迭代优化，主要是预设评价指标，比如目标温度、冷却剂用量和被动层用量等，通过建立集总参数法进行总体冷却效果评估刷选，然后利用三维数值建模对细节部分进行优化，对总体方案不断优化迭代。
[0029]基于试验研究的迭代优化，其主要是利用仿真研究优化之后的冷却方案，进行实验考核，结合实际高温场景继续优化冷却方案，同样预设评价指标，比如目标温度、冷却剂用量、被动层用量、系统可靠性和被动材料用量等。
[0030]3.冷却模块定型设计
[0031]本专利技术采用模块化设计思路，光测发射端和接收端为一组，冷却模块以一组光测设备为基本单位，后续可以根据光测设备的数量增减冷却模块，灵活运用。
[0032]如图3所示，冷却模块设备呈箱型，内部装有光测设备，冷却设备最外层为耐火隔热材料(常见硅铝系耐热材料、氧化铝纤维、碳酚醛复合材料、碳碳化硅复合材料等)以及光测视窗(耐高温玻璃)，视窗外侧设置有冷却气帘，以保证视窗不超温；第二层为箱体，起到承力、密封、隔热的作用，箱体拟采用双层不锈钢或单层不锈钢搭配钢化/耐高温玻璃，夹层内为常压空气层，起到隔热作用，箱体内部为主动冷却区域；第三层为多孔布风板，第二和第三层中间设置分布式冷却剂喷嘴，冷却剂喷出后经多孔布风板形成均匀出流，提高整个空间的温度均匀性，其中备选冷却剂为液氮、高压氮气(膨胀预冷)等；多孔布风板内部空间供光测设备使用，根据设备发热情况以及设备支架安装实际情况，可设置局部冷却剂补偿喷嘴，解决可能的局部高温问题；最后一部分是进出接口，箱体开孔外接管道以供冷却剂和
线缆进出，从而满足交互需求；拟开单孔以减小换热面积，也可结合实际需求考虑是否在管路外层设置隔热层对管道进行水冷，如果工作空间冷却剂完成冷却之后温度仍较低，可从外接管道直接排出，起到冷却管道的作用。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应对高温环境的光谱采集系统冷却方法，其包括以下步骤：(1)采用热电偶设备测量液体火箭发动机试车时周围一定距离内的温度场大致分布特征。(2)依据试车台温度场数据以及光谱采集设备自身抗热能力，确定采集系统的安全边界。(3)采用主被动复合冷却方式对于尾流光测设备进行冷却，使得光测设备能够尽量靠近发动机尾流。(4)利用数值模拟以及试验研究，进行采集系统冷却方案的研究以及优化迭代。(5)采用模块化设计思路，对优化之后符合要求的冷却方案进行定型设计。2.根据权力要求1所述一种应对高温环境的光谱采集系统冷却方法，其特征在于：在步骤(1)中，采用高速热电偶、多点多角度测量方法以及火箭流场本身的(不完美)轴对称特性，可以估计火箭周围一定距离内的温度场。3.根据权力要求1所述一种应对高温环境的光谱采集...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜俞光，苏童，雷庆春，李响，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：