火星探測器進入過程防熱層溫度測量方法

鄒 昕，饒 煒，李 瑩，韓承志，張榮華，高 陽

（1.北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094； 2.北京遙測技術(shù)研究所，北京 100076）

0 引言

防熱層是進/再入航天器的重要防熱結(jié)構(gòu)。在進/再入大氣過程中，防熱層溫度沿由艙外向艙內(nèi)方向逐漸降低，隨深度不同呈梯度式分布。在軌測量防熱層不同位置、不同深度溫度的變化歷程，對于進/再入航天器防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要意義[1-2]。此外，通過測量數(shù)據(jù)辨識獲得真實飛行的氣動熱數(shù)據(jù)和熱環(huán)境，對于驗證氣動熱地面試驗和數(shù)值計算結(jié)果，校準(zhǔn)和改進地面試驗和數(shù)值模擬算法，研究和預(yù)測湍流轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象，分析防熱材料性能，以及優(yōu)化防熱設(shè)計都具有不可替代的價值[3-4]。

航天器防熱層燒蝕溫度的測量，要求傳感器：能夠測量1000 ℃以上的高溫；能夠測量防熱層不同深度分層的溫度變化歷程；易于安裝，不會破壞防熱結(jié)構(gòu)本身的防熱性能；安裝位置須有安全防護設(shè)計和驗證，即在防熱層上的局部開孔不能給航天器造成安全性影響。

溫度測量包括接觸式和非接觸式。前者通常使用熱電偶或熱電阻等測溫敏感元件；后者通常基于輻射原理、光纖原理、聲學(xué)原理等。目前，對于防熱層燒蝕溫度的在軌測量主要使用的是測溫晶體和鎧裝熱電偶。測溫晶體[5-7]通過晶粒在高溫環(huán)境下的形態(tài)改變來測量環(huán)境溫度，能測量1000 ℃以上的高溫，易于在結(jié)構(gòu)內(nèi)不同深度安裝，且體積小，不會對防熱結(jié)構(gòu)造成破壞；但它只能記錄測量過程中的最高溫度，無法反映和記錄溫度變化過程，所獲得的測量數(shù)據(jù)應(yīng)用價值有限。鎧裝熱電偶[8]可實現(xiàn)對防熱層不同位置、不同深度的溫度測量，能測量1000 ℃以上的高溫；但是由于熱電偶需要鎧裝加固，故測溫存在一定響應(yīng)遲滯，在溫度急劇變化時無法及時捕獲到瞬時高溫或低溫，從而導(dǎo)致其在溫度變化速率快的工況下的測量精度不高。

為更全面地滿足防熱層燒蝕溫度測量需求，本文提出采用防熱層柱塞式結(jié)構(gòu)大底分層測溫探頭和U 形結(jié)構(gòu)背罩測溫探頭，并與電纜及多通道溫度變換器共同組成溫度傳感器，實現(xiàn)對航天器進/再入大氣過程中溫度呈梯度式分布的防熱層不同位置、不同深度的溫度變化全過程的高精度、快響應(yīng)測量，并能有效得到氣動熱環(huán)境參數(shù)的辨識。本文主要從測溫探頭熱電偶元件選取、結(jié)構(gòu)形式及安裝方式設(shè)計，以及信號集中放大變換、自動冷端補償?shù)确矫娼榻B溫度傳感器的設(shè)計與驗證方法。

1 測量方法

根據(jù)火星探測器進入過程溫度測量需求，防熱層測點要求的最高測量溫度為1300℃，因此首選接觸式的熱電偶作為敏感測量元件，同時，熱電偶精度高、體積小、響應(yīng)快，非常適合測量防熱層溫度[9-11]。使用熱電偶測量防熱層燒蝕溫度不僅可以多點分層布置，測量整個溫度場分布，而且能夠測量進/再入全過程的溫度變化。然而，在軌應(yīng)用時，熱電偶存在偶絲易折斷、信號微弱難以采集、需要自動冷端補償、開孔后須進行整器安全防護驗證等難題。為此，本文進行了以下針對性設(shè)計。

1.1 測溫探頭的設(shè)計

1.1.1 測溫敏感元件的選取

測溫敏感元件用于感受溫度變化，并輸出與溫度呈函數(shù)關(guān)系的熱電動勢。根據(jù)防熱層燒蝕過程中測點的具體測量范圍要求，敏感元件可選用適合-100～1300 ℃測量溫區(qū)的鎳鉻-鎳硅（K 型）熱電偶和鎳鉻硅-鎳硅（N 型）熱電偶。這2 種熱電偶具有基本相同的優(yōu)點——線性度好、熱電動勢較大、靈敏度較高、穩(wěn)定性和均勻性較好、抗氧化能力強等，但K 型熱電偶的使用最廣泛，同時對K 型熱電偶I 級熱電偶絲進行全量程標(biāo)定得到其測量精度滿足0.4%（0～1300 ℃）、2.0%（-50～0 ℃）、3.0%（-100～-50 ℃）的測量需求。因此，本文選用I 級K 型熱電偶作為航天器防熱層溫度測量的測溫敏感元件。

1.1.2 測溫探頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1）大底測溫探頭

大底測溫結(jié)構(gòu)的主要功能是作為測溫敏感元件的載體，采用柱塞式結(jié)構(gòu)（如圖1 所示），實現(xiàn)整體安裝，其安裝方便、簡單、可靠，熱電偶埋入測溫探頭的深度靈活可控且熱響應(yīng)快。由于大底防熱層由蜂窩式骨架填充低密度材料構(gòu)成，為保證與防熱層的熱匹配性，大底測溫探頭結(jié)構(gòu)材料選用與被測部位熱物性相同或相近的低密度防熱材料，以減少不同材料之間的導(dǎo)熱性能差異帶來的影響，降低對被測部位溫度場的擾動程度，提高測量準(zhǔn)確性。為保證結(jié)構(gòu)強度和可加工性，探頭直徑設(shè)計為30 mm；將熱電偶敏感元件預(yù)埋在探頭防熱材料內(nèi)部，預(yù)埋深度分別對應(yīng)防熱層各分層的深度，熱電偶的信號輸出線沿柱塞結(jié)構(gòu)軸向引出。

圖1 柱塞式結(jié)構(gòu)大底分層測溫探頭Fig.1 Plunger type probe to measure stratified temperatures of the structural bottom

測溫探頭處于工作模式時，其外表面為氣動加熱狀態(tài)，沿探頭結(jié)構(gòu)的軸向溫度梯度較大，徑向可視為等溫分布。熱電偶材料與燒蝕材料的導(dǎo)熱性差異較大，熱電偶導(dǎo)熱誤差不容忽視。為了減少熱電偶導(dǎo)熱對測量端溫度的影響，須采取熱電偶等溫線設(shè)計，即在規(guī)定深度上沿探頭結(jié)構(gòu)的徑向開槽敷設(shè)熱電偶絲，如圖2 所示，槽內(nèi)填充高溫膠，測量端位于徑向開槽的圓心，信號輸出線由柱塞截面圓心沿軸向垂直引出。

圖2 測溫探頭內(nèi)部熱電偶絲走線布局示意Fig.2 Layout of the thermocouple wiring inside the temperature measurement probe

2）背罩測溫探頭

背罩部位測量的溫度為防熱層表面燒蝕溫度，為在最小打孔代價的前提下布置傳感器，將背罩測溫探頭設(shè)計為熱電偶絲直接插裝的U 形結(jié)構(gòu)，如圖3 所示，可使熱電偶絲的徑向走線尺寸增大，以提高測量精度。熱電偶絲外包陶瓷套管和聚四氟乙烯套管絕緣，無其他附加結(jié)構(gòu)。

圖3 背罩測溫探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.3 Structural design of the back shell temperature measurement probe

1.2 測溫探頭的安裝方式

大底測溫探頭安裝前需先在大底承力結(jié)構(gòu)上開直徑10 mm 的通孔，一方面保證測溫探頭所需的器表開口，另一方面保證測溫探頭的可靠安裝與大底承力結(jié)構(gòu)的承載能力。安裝時將大底測溫探頭植入防熱層結(jié)構(gòu)預(yù)留孔中，測溫探頭端面與防熱層結(jié)構(gòu)外表面平齊，不得出現(xiàn)臺階。大底測溫探頭安裝方式為膠粘，采用與防熱層材料相容的黏結(jié)劑（或樹脂）將柱塞式探頭圓周與大底防熱結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合，測溫探頭出線結(jié)構(gòu)為直引線，用壓板固定，如圖4(a)所示。背罩測溫探頭的安裝同樣需預(yù)留有一定正公差的安裝孔（通孔），也采用膠粘的安裝方式，測溫探頭的外表面與防熱材料外表面平齊。背罩測溫探頭埋置于背罩防熱涂層內(nèi)部，基于防熱涂層的工藝特性，埋置完畢后可通過抹平方式實現(xiàn)防熱層表面狀態(tài)平滑，如圖4(b)所示。

圖4 測溫探頭安裝方式示意Fig.4 Installation mode diagram of the temperature measurement probe

1.3 測溫信號集中放大變換和冷端補償

將安裝在防熱結(jié)構(gòu)不同位置、不同深度的所有測溫探頭的甩線電纜匯聚，統(tǒng)一連接至多通道溫度變換器進行信號放大和冷端補償，繼而連接至采集設(shè)備。測溫探頭、電纜及多通道溫度變換器共同組成溫度傳感器，如圖5 所示。

圖5 溫度傳感器構(gòu)成示意Fig.5 Schematic of the temperature sensor configuration

溫度變換器與多路測溫探頭配套使用，將熱電偶輸出的微弱毫伏電壓信號轉(zhuǎn)化為0～5 V 標(biāo)準(zhǔn)信號，包含電源電路、信號變換電路及冷端補償電路。溫度變換器工作原理如圖6 所示，電源電路為變換器提供穩(wěn)定的工作電源，保護總電源不受變換器影響；信號變換電路對微弱的電壓信號進行放大；冷端補償電路對熱電偶溫度傳感器進行冷端補償。

圖6 溫度變換器工作原理Fig.6 Working principle of the temperature converter

溫度變換器第i路熱電偶的輸出電動勢為

式中：Vi為第i路熱電偶產(chǎn)生的微弱電壓，mV；P′為溫度變換器零輸入偏置電壓，mV；A為溫度變換器放大倍數(shù)。

則由溫度變換器的輸出信號可得到第i路熱電偶的測量溫度為

式中ki為熱電偶的溫度系數(shù)，其值與熱電偶的材料和結(jié)構(gòu)相關(guān)。

在傳統(tǒng)的測量方式中，溫度變換器包括溫差電勢及冷端溫度電勢2 類電壓輸出[12-13]，解算需要2 次線性公式反解、1 次求和及2 次查表過程，較為煩瑣。因此，本文在溫度變換器內(nèi)部設(shè)計了自動冷補電路，通過比例運算將冷端溫度電勢與熱電偶溫差電勢在變換器內(nèi)部處理求和，使變換器直接對0 ℃參考點的電勢差進行變換輸出，則解算時只需要1 次線性公式反解與1 次查表過程，縮減了解算步驟與工作量，實現(xiàn)了自動冷端補償?shù)墓δ堋＿x取鉑電阻測溫法進行熱電偶冷端補償，鉑電阻元件一致性好，可靠穩(wěn)定。

2 地面標(biāo)定和風(fēng)洞專項試驗

溫度傳感器在第三方計量單位進行了標(biāo)定試驗，對I 級熱電偶絲進行了全量程標(biāo)定，測量精度分別可達(dá)到0.28%（0～1300 ℃）、0.31%（-50～0 ℃）、1.96%（-100～-50 ℃）。

根據(jù)進/再入大氣熱環(huán)境開展地面模擬風(fēng)洞試驗，對測溫探頭安裝位置進行安全性和設(shè)計適應(yīng)性考核與驗證，尤其是驗證大底和背罩局部開孔對探測器安全性的影響。大底測溫探頭局部試驗均采用駐點模型進行燒蝕試驗，背罩測溫探頭局部試驗采用平板剪切模型進行燒蝕試驗。試驗?zāi)Ｐ桶? 件大底模型和3 件背罩模型。試驗過程中測溫探頭輸出曲線連續(xù)、平滑，測溫探頭工作正常，未出現(xiàn)脫落、剝離等安全性故障。獲取燒蝕過程中大底和背罩模型的溫度分布數(shù)據(jù)如圖7 和圖8 所示。

圖7 大底風(fēng)洞試驗的表面溫度和背面溫度Fig.7 Front and back temperatures of the bottom during wind tunnel test

圖8 背罩風(fēng)洞試驗的表面溫度和背面溫度Fig.8 Front and back temperatures of the back shell during wind tunnel test

根據(jù)風(fēng)洞試驗結(jié)果，大底和背罩的各自3 個模型間的質(zhì)量燒蝕量、線燒蝕量與背面溫升差別較小，表明模型的試驗結(jié)果重復(fù)性較好。試驗后，大底模型表面出現(xiàn)發(fā)黑炭化，中心附近出現(xiàn)鼓包膨脹，但燒蝕后模型中心未出現(xiàn)明顯臺階；背罩模型表面出現(xiàn)輕微發(fā)黑炭化。以上表明測溫探頭的安裝對背罩和大底的局部燒蝕安全性沒有影響，驗證了測溫探頭安裝方式的正確性及測溫探頭設(shè)計的合理性，測溫探頭的功能、性能滿足任務(wù)要求。

3 在軌應(yīng)用

我國首次火星探測任務(wù)“天問一號”探測器應(yīng)用本文設(shè)計的溫度傳感器成功測量了火星探測器在進入、下降和著陸過程中，背罩和大底防熱層不同位置、不同深度的溫度變化歷程，計算得到著陸巡視器外表面熱流變化情況和總加熱量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了氣動熱環(huán)境辨識。溫度傳感器測溫探頭分布于著陸巡視器的12 個測溫點，其中3 個位于背罩外表面，9 個位于大底（包括13 mm、10 mm 和3 mm共3 種不同埋入深度），加上大底和背罩各1 路的冷補測溫，溫度傳感器共輸出32 路測量數(shù)據(jù)，其中大底第1 個測溫點從外到內(nèi)對應(yīng)溫度傳感器第1、2、3 路輸出，大底第2 個測溫點從外到內(nèi)對應(yīng)溫度傳感器第4、5、6 路輸出，依此類推，大底第9 個測溫點從外到內(nèi)對應(yīng)溫度傳感器第25、26、27 路輸出，背罩3 個測溫點依次對應(yīng)溫度傳感器第28、29、30 路輸出，大底和背罩冷補測溫點分別對應(yīng)溫度傳感器第31、32 路輸出。在進入初始階段，著陸巡視器整體溫度較低；隨防熱層的不斷燒蝕，較高溫度區(qū)域逐漸增多，著陸巡視器整體溫度不斷升高，大底和背罩測溫點的最高溫分別達(dá)到870 ℃和229 ℃，測溫誤差小于2.4 ℃。溫度傳感器的在軌測溫曲線如圖9（Ti代表溫度傳感器的工程值）所示，可以看出，本文設(shè)計的溫度傳感器測量了進入過程防熱層不同分層溫度變化的全過程，且測量數(shù)據(jù)連續(xù)、完整。說明通過多測點的安裝布局，可以精確獲取整個著陸巡視器在燒蝕過程中的溫度場分布變化，并實現(xiàn)氣動熱參數(shù)辨識。

圖9 溫度傳感器在軌測溫曲線Fig.9 In-orbit temperature measurement curves of the temperature sensors

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種用于火星探測器防熱層在軌溫度測量的溫度傳感器，重點設(shè)計了柱塞式結(jié)構(gòu)大底分層測溫探頭和U 形結(jié)構(gòu)背罩測溫探頭，包括熱電偶元件選取、結(jié)構(gòu)形式和安裝方式設(shè)計，以及信號放大變換、自動冷端補償?shù)取Ｍㄟ^全量程標(biāo)定和風(fēng)洞試驗驗證，該溫度傳感器測溫精度高、響應(yīng)快，能夠測量防熱層不同分層的溫度變化過程，并在我國首次火星探測任務(wù)“天問一號”探測器的著陸巡視器上成功應(yīng)用，可為后續(xù)進/再入航天器燒蝕溫度在軌測量提供重要的借鑒和參考。