陳麗平　顧征　王　彤　吳建強　鄧湘金　鄒　昕　薛　博（北京空間飛行器總體設計部，北京 00094）（山東航天電子技術研究所，山東煙臺 64670）

返回器防熱層在軌測溫的熱電偶地面標定新方法

陳麗平1顧征1王彤1吳建強2鄧湘金1鄒昕1薛博1
（1北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）（2山東航天電子技術研究所，山東煙臺 264670）

針對返回式航天器防熱層在軌測溫的微型鎧裝熱電偶利用傳統(tǒng)標定方法不能進行標定的問題，文章設計了一種適用于改進微型鎧裝熱電偶的新地面標定方法，該方法包括試驗系統(tǒng)、試驗過程和數(shù)據(jù)處理等主要組成部分，通過地面標定試驗測試和在軌驗證，證明了該方法的有效性，可為防熱層測溫的鎧裝熱電偶的地面標定提供參考。

航天器；防熱層；在軌測溫；鎧裝熱電偶；標定方法

1　引言

返回式航天器（簡稱返回器）在再入返回大氣過程中，為了保證艙內溫度滿足要求，須設計相應防熱層。返回器在再入返回過程中與大氣摩擦，產(chǎn)生高溫環(huán)境，由外向內加熱返回艙，導致防熱層溫度由艙外向艙內依次降低，不同深度的溫度呈梯度式分布，且同一深度的溫度變化較快。在軌詳細記錄再入返回過程中防熱層不同位置不同深度的溫度變化歷程，是評估和改進防熱設計的一種重要手段［1-2］。

返回器防熱層厚度有限、安裝空間狹小，在不同深度的測量溫度，要求測溫熱電偶尺寸小、易于安裝和控制測溫深度。傳統(tǒng)地面測溫應用的鎧裝熱電偶［3］尺寸大，在不破壞防熱結構性能的前提下不便在返回器上安裝，因此不適合直接用于返回器防熱層在軌測溫。改進的微型鎧裝熱電偶已成功應用在探月工程三期返回器防熱層不同位置、不同深度的在軌測溫［4］，但不能采用傳統(tǒng)方法進行地面標定。

熱電偶加固鎧裝后，測量端增加了加固材料，熱傳導特性發(fā)生改變，須重新對其進行標定。地面用的鎧裝熱電偶按照鎧裝熱電偶校準規(guī)范［5］的傳統(tǒng)方法進行標定，采用比較法，將標準溫度計與被標定鎧裝熱電偶插入均溫塊相同位置處，均溫塊由檢定爐［6-7］提供，要求鎧裝測量端插入中心恒溫區(qū)深度大于測量端面直徑的10倍，且恒溫區(qū)熱場均勻，溫度持續(xù)不變。傳統(tǒng)標定方法對于返回器防熱層在軌測溫用的微型鎧裝熱電偶的標定存在以下缺陷:①返回器防熱層測溫用的鎧裝熱電偶采用微型化設計，具有尺寸小、測溫端可插入部分短等特點，不能滿足傳統(tǒng)標定方法中對于測溫端插入恒溫區(qū)長度的要求；②在再入返回過程中，返回器防熱層不同深度的溫度呈梯度式分布，且同一深度的溫度變化較快，熱場復雜，采用熱電偶測溫很可能出現(xiàn)測溫誤差，既要標定數(shù)據(jù)反演公式，還要標定誤差情況，以對在軌測量數(shù)據(jù)進行處理。傳統(tǒng)標定方法溫度場與在軌不一致，不能獲取測溫誤差數(shù)據(jù)。

基于此，本文針對返回式航天器防熱層在軌測溫用微型鎧裝熱電偶利用傳統(tǒng)標定方法不能進行標定的問題，根據(jù)返回器防熱層在軌測溫用微型鎧裝熱電偶的特點，提出了一種新的地面標定方法，模擬在軌工作環(huán)境構建了物理仿真的試驗系統(tǒng)，并對試驗實施、數(shù)據(jù)處理等過程進行了針對性設計，既能標定在軌數(shù)據(jù)反演公式，又能獲得在軌測溫誤差修正公式。該標定方法和系統(tǒng)已成功應用于返回器防熱層測溫用鎧裝熱電偶的地面標定和在軌數(shù)據(jù)處理中。

2　微型鎧裝熱電偶

根據(jù)返回器防熱層不同位置不同深度的測溫要求，以及安裝空間約束，將熱電偶進行微型鎧裝改進設計［4］，并將其加工為規(guī)則外形，方便安裝和控制測溫深度，具體如圖1所示。改進的鎧裝熱電偶主要包括鎧裝金屬外殼、熱偶絲及固封材料等。鎧裝金屬外殼的材料采用鋁，包括頭部和尾部，在器上安裝后頭部預留在防熱層外，其高度h2與寬度S2取決于熱偶絲的最小轉彎半徑，尾部插入防熱層內，其長度h與測量深度直接相關。熱偶絲為鎳鉻-鎳硅，中間熱偶焊點為測溫點，距離平底約0.5mm，頭部出口部分的熱偶絲采用聚四氟乙烯套管包裹，以防止磨損，并使其與金屬殼絕緣，引線長度h1與鎧裝熱電偶的安裝位置和電纜走向相關。固封材料用于固定鎧裝熱電偶內部的熱偶絲，并使其與外殼絕緣，頭部與尾部的固封材料分別為高溫密封膠和氧化鎂。

圖1　鎧裝熱電偶結構示意圖Fig.1　Armoured thermocouple structure

從圖1中可以看出，改進的微型鎧裝熱電偶為絕緣型［8］，為了確保測溫精度，測溫端采用平底臺階式鎧裝結構，安裝時在平底周圍涂抹與防熱層結構材料相同的膠，確保其與被測平面緊密接觸。另外，鎧裝偶的直徑S1為2mm，在防熱結構上只開Φ2.1mm的孔用于安裝，且頭部與防熱結構中間的空隙采用GD414膠固封，盡可能減少對防熱層熱性能的影響。

3　標定方法

傳統(tǒng)標定方法不能對改進的微型鎧裝熱電偶進行地面標定，新標定方法根據(jù)改進的微型鎧裝熱電偶測溫端尺寸小、長度短的特點，以及其測量對象溫度不同深度呈梯度式分布、同一深度溫度變化較快的應用環(huán)境，解決了改進微型鎧裝熱電偶［4］的地面標定問題，既能標定在軌數(shù)據(jù)反演公式，又能獲得在軌測溫誤差修正公式，這是只能獲得熱電偶數(shù)據(jù)反演公式的傳統(tǒng)標定方法不具備的。當然，新標定方法的試驗系統(tǒng)、試驗過程及試驗數(shù)據(jù)處理等主要組成部分均與傳統(tǒng)方法不一致，因此須要進行針對性重新設計。

3.1試驗系統(tǒng)設計

鎧裝熱電偶成形后，均須利用專用試驗系統(tǒng)重新進行計量標定，以獲得每個熱電偶產(chǎn)品的分度表，即溫度與熱電動勢的對應關系。由于傳統(tǒng)標定方法的試驗系統(tǒng)，如管式檢定爐和恒溫油槽，要求熱電偶插入的深度較長，且不能模擬返回器防熱層在軌溫度環(huán)境，因此不能標定改進微型鎧裝熱電偶。新的標定試驗系統(tǒng)設計須根據(jù)改進鎧裝熱電偶的特點重新設計，以實現(xiàn)返回器防熱層在軌測溫用的微型鎧裝熱電偶的計量標定。

新的標定試驗系統(tǒng)包括平面恒溫場、溫度跟隨、防熱層結構和溫度采集等模塊，如圖2所示，為微型鎧裝熱電偶提供平面恒溫環(huán)境、在軌被測部位溫度變化模擬、器上模擬安裝環(huán)境和溫度采集等方面的條件和功能。

圖2　微型鎧裝熱電偶標定試驗系統(tǒng)組成圖Fig.2　Armoured micro-thermocouple calibration test system composition

平面恒溫場模塊主要由小型紅外燈陣及恒溫場銅板平面組成。恒溫場銅板平面在紅外燈陣加熱條件下保持全銅板平面溫度均勻，構成恒溫平面，同時采用K型熱電偶和S型標準熱電偶分別監(jiān)測溫度均勻情況和記錄標準溫度，如圖3所示，其中K型熱電偶配置若干支，有序布置在恒溫場銅板平面，而S型標準熱電偶配置1支，經(jīng)專業(yè)部門檢定，精度較高，安裝在待標定鎧裝熱電偶附近，作為待標定鎧裝熱電偶溫度測量結果比較標準。另外，圖3中恒溫場銅板上半徑為50 mm的內環(huán)圓內為防熱層結構塊的安裝位置。

圖3　S型標準熱電偶及K型熱電偶布置示意圖Fig.3　Layout of S type standard thermocouple and K type thermocouple

溫度跟隨模塊核心為控制算法，用于控制紅外燈陣熱量輸出，使平面恒溫場的溫度與給定溫度點一致，或按預定升溫曲線變化。平面恒溫場模塊在溫度跟隨模塊的控制下提供平面恒溫環(huán)境，也可模擬返回器防熱層在軌溫度環(huán)境。

防熱層結構塊與防熱層結構材料一致，厚度與待標定微型鎧裝熱電偶的在軌測溫深度相同，并預留了與微型鎧裝熱電偶測溫端直徑S1相同的通孔。標定試驗時，為消除待標定鎧裝熱電偶生產(chǎn)、安裝等工藝方面的差異性，單次標定取3支相同規(guī)格的鎧裝熱電偶，一次標定1種規(guī)格的微型鎧裝熱電偶，將鎧裝熱電偶仿照器上安裝方式，插入小型防熱層結構塊安裝孔，一起固定于恒溫場銅板，并采用平面鋼板壓緊待標定熱電偶和防熱層結構塊，使得防熱層結構塊及熱電偶測溫端面與恒溫場銅板緊密貼合，恒溫場銅板與壓緊鋼板之間采用石墨氈隔熱，以模擬器上安裝環(huán)境，確保鎧裝熱電偶測溫端溫度環(huán)境與在軌工作環(huán)境一致。防熱結構塊及鎧裝熱電偶安裝示意如圖4所示。溫度采集模塊在標定試驗時負責采集待標定微型鎧裝熱電偶、標準熱電偶的測量數(shù)據(jù)。

圖4　防熱結構塊及鎧裝熱電偶安裝示意Fig.4　Installation of heat shield structure and armoured thermocouple

3.2試驗過程設計

將待標定熱電偶甩線與溫度采集模塊連接好，并處理好鎧裝熱電偶冷端。標定試驗系統(tǒng)加電開機，在待標定鎧裝熱電偶測量范圍內選取5個標定溫度點，即T1（室溫），T2，T3，T4，T5（最大溫度）。按照標定溫度點從低到高的順序輸入給溫度跟隨模塊，溫度跟隨模塊控制紅外燈陣熱量輸出，在每個標定溫度點當恒溫場銅板平面上S型熱電偶的測量值偏離給定值在±2℃范圍內，溫度變化每分鐘不超過0.1℃時，開始讀數(shù)，記錄1支S型熱電偶的測量溫度和3支待標定鎧裝熱電偶的輸出電動勢平均值及M支K型熱電偶的測量溫度見表1。

表1　給定溫度點標定試驗數(shù)據(jù)讀數(shù)示例Table1　Test data for given temperature point calibration test

所有溫度點標定完成后，標定試驗系統(tǒng)斷電，更換防熱層結構塊，重新按照圖4的狀態(tài)和要求，在恒溫場銅板平面上安裝待標定鎧裝熱電偶及新的防熱層結構塊。恒溫場銅板的溫度變化曲線可根據(jù)返回器風洞試驗獲取，由返回器研制單位提供，輸入給溫度跟隨模塊。標定試驗系統(tǒng)重新加電開機，溫度跟隨模塊控制紅外燈陣熱量輸出，恒溫場銅板平面溫度按照給定溫度變化曲線由室溫升至最高溫度，過程中記錄1支S型熱電偶測量溫度和3支待標定鎧裝熱電偶的輸出電動勢平均值及M支K型熱電偶的測量溫度見表2。

表2　給定溫度變化曲線標定試驗讀數(shù)示例Table 2 Test data for given varied temperature curve calibration test

3.3數(shù)據(jù)處理方法

對表1中試驗數(shù)據(jù)進行處理，得到待標定熱電偶的溫度測量轉換公式。該轉換公式為分段線性公式，可分為0～V1、V1～V2、V2～V3、V3～V4和V4～V5等5段，以V1～V2為例，可利用標定數(shù)據(jù)得到待標定鎧裝熱電偶在V1～V2之間的溫度測量轉換公式如下:

式中:T為待標定鎧裝熱電偶的溫度（單位:℃），V為待標定鎧裝熱電偶測到的電動勢（單位:μV）。同理可得其他段內溫度測量轉換公式。

得到溫度測量轉換公式后，將表2中待標定鎧裝熱電偶所測電動勢v1、v2…vN—1，vN轉換為溫度數(shù)據(jù)，表示為T1，T2…TN—1，TN，與表2中標準S型熱電偶的溫度測量值進行比對，得到待標定鎧裝熱電偶測溫誤差，計算公式如下:

采用多項式對測溫誤差數(shù)據(jù)進行最小二乘擬合，擬合公式如下:

式中:ΔT為鎧裝熱電偶測溫偏差（單位:℃），X為鎧裝熱電偶測量溫度（單位:℃），ι表示多項式次數(shù)，根據(jù)鎧裝熱電偶測溫誤差曲線形狀確定。

鎧裝熱電偶在軌測得電動勢后，先利用式（1）得到溫度量，然后利用式（3）對溫度量進行誤差修正。

試驗過程中，在每個溫度采樣點，恒溫銅板的均勻性以K型熱電偶測溫結果最大與最小之差在±2℃以內為滿足要求。

4　在軌試驗驗證

探月工程三期飛行試驗器的返回器以第二宇宙速度再入返回大氣層，為記錄返回器防熱層在返回過程中的溫度情況，配備了多個鎧裝熱電偶，對多個位置不同深度進行溫度測量。鎧裝熱電偶在研制過程中，采用文中的方法進行地面標定，并對在軌測量數(shù)據(jù)進行處理。

為消除差異性，單次標定試驗取3支同規(guī)格的鎧裝熱電偶，其h尺寸為7.5mm，對應防熱層測溫深度為6.5mm［4］，地面風洞試驗給出防熱層在該位置和深度的溫度變化范圍為26.85～206.81℃，變化曲線如圖5所示。選取尺寸為Φ70mm× 6.5mm防熱層結構塊，在26～207℃內選取5個標定溫度點，按文中方法進行標定，先得到溫度測量轉換公式，然后再得到給定變溫條件下的測溫誤差曲線。3支鎧裝熱電偶與S型標準熱電偶在給定溫度變化曲線標定試驗過程中的測溫曲線如圖6所示，平均測溫誤差曲線及擬合后的測溫誤差修正曲線如圖7所示，測溫誤差曲線近似線性，因此采用的擬合公式為二次多項式，擬合系數(shù)及最大偏差見表3。

圖5　6.5mm深度防熱層溫度變化曲線Fig.5　Given varied temperature curve of heat shield at a depth of 6.5 mm

圖6　待標定鎧裝熱電偶測溫均值和S型標準熱電偶測溫曲線Fig.6　Mean temperature measurement values of armoured thermocouple to be calibrated and those of S type standard thermocouple

圖7　待標定鎧裝熱電偶測溫誤差擬合曲線與試驗數(shù)據(jù)的關系Fig.7　Relationship between error fitted curve and original test data of temperature measurement for armoured thermocouple to be calibrated

表3　待標定鎧裝熱電偶在軌測溫誤差公式的擬合系數(shù)及最大偏差Table3　Fitted coefficient and max bias of inflight temperature measurement error formula for calibrating armoured thermocouple

由圖6可知，待標定鎧裝熱電偶在給定溫度變化曲線標定試驗過程中的測溫范圍為24.97℃～144.97℃，對應S型標準熱電偶的測溫范圍為25.05℃～204.90℃，圖7中擬合曲線與試驗數(shù)據(jù)吻合較好，表3描述了待標定鎧裝熱電偶在軌測溫誤差修改公式的系數(shù)。另外，試驗過程中在各溫度采樣點，通過分析K型熱電偶的測溫數(shù)據(jù)表明，恒溫場銅板溫度均勻性均在±2℃范圍內，滿足試驗要求。

再入返回過程中，先對h尺寸為7.5mm的在軌測溫鎧裝熱電偶實測數(shù)據(jù)按照式（1）進行反演處理，得到其溫度變化曲線如圖8所示，恒溫段溫度變化緩慢，測溫誤差較小，不須修正，而變溫段從約—43.81℃，攀升到最高約13.30℃，變化較快，由標定試驗可知測溫誤差較大，須要修正。由于鎧裝熱電偶標定時的變溫段起始點為24.97℃，而實測溫度的變溫段起始值為—43.81℃，因此為了實現(xiàn)修正，先將實測溫度變溫段以起始點的差異平移，使實測與標定的起始點重合，然后采用表3對應系數(shù)的式（2）對在軌測溫數(shù)據(jù)進行修正，修正后的溫度變化曲線如圖9所示，測溫范圍為—43.81℃～49.10℃，使得鎧裝熱電偶在軌實測溫度變溫段的測量精度得到改善。

圖8　鎧裝熱電偶誤差修正前在軌測溫數(shù)據(jù)Fig.8　Original in-orbit temperature measurement data of armoured thermocouple

圖9　鎧裝熱電偶誤差修正前后在軌測溫數(shù)據(jù)Fig.9　Original and error modified in-orbit temperature measurement data of armoured thermocouple

從標定試驗和飛行結果可以看出，相對于傳統(tǒng)的標定方法，文中方法得到的熱電偶溫度測量轉換公式和測溫誤差修正公式，可對熱電偶在軌測量數(shù)據(jù)進行反演處理，并得到誤差修正后的熱電偶測溫數(shù)據(jù)。

5　結束語

本文根據(jù)返回器防熱層在軌測溫應用改進微型鎧裝熱電偶的特點及其在軌應用環(huán)境，設計了一種新的地面標定方法，重新對試驗系統(tǒng)、試驗過程和數(shù)據(jù)處理方法進行了針對性重新設計，該方法克服了傳統(tǒng)標定方法的不足，既能標定改進微型鎧裝熱電偶在軌數(shù)據(jù)反演公式，又能獲得其在軌測溫誤差修正公式，通過地面標定試驗測試和飛行數(shù)據(jù)處理驗證，證明了該方法的有效性，可為后續(xù)返回器防熱層測溫應用微型鎧裝熱電偶的標定提供借鑒和參考。

（References）

［1］張興，張志學，薛秀生，等.航空發(fā)動機測溫晶體的退火特性研究［J］.航空發(fā)動機，2013，39（4）:72-77 Zhang Xing，Zhang Zhixue，Xue Xiusheng，et al.Research on crystals annealing characteristic for aeroengine temperature measurement［J］.Aeroengine，2013，39（4）: 72-77（in Chinese）

［2］郭小波.飛機發(fā)動機測溫方法的探究與實踐［J］.航空科學技術，2011（1）:39-42 Guo Xiaobo.Exploration and practice of aero-engine temperature measurement method［J］.Aeronautical Science&Technology，2011（1）:39-42（in Chinese）

［3］張鋒.鍋爐金屬壁鎧裝熱電偶的安裝［J］.電力建設，2005，26（11）:11-16 Zhang Feng.Installation of armored thermocouples on boiler metallic wall［J］.Electric Power Construction，2005，26（11）:11-16（in Chinese）

［4］顧征，陳麗平，王彤，等.一種返回器燒蝕溫度在軌測量方法［J］.航天器工程，2015，24（2）:129-133 Gu Zheng，Chen Liping，Wang Tong，et al.A method for ablation temperature inflight measuring of reentry vehicle［J］.Spacecraft Engineering，2015，24（2）:129-133（in Chinese）

［5］國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.鎧裝熱電偶校準規(guī)范［S］.北京:國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2010 State Administration for Quality Supervision and Inspection and Quarantine.Armoured thermocouple calibration criterion［S］.Beijing:State Administration for Quality Supervision and Inspection and Quarantine，2010 （in Chinese）

［6］王浩.計量檢測用管式電阻爐溫度場均勻性的研究［D］.沈陽:東北大學，2010 Wang Hao.Research on temperature uniformity of tubular resistance furnace used in metrology and testing［D］. Shenyang:Northeastern University，2010（in Chinese）

［7］劉紅艷.工業(yè)熱電偶自動檢定系統(tǒng)設計與實現(xiàn)［D］.呼和浩特:內蒙古大學，2012 Liu Hongyan.The design and implementation of industrial thermocouple auto-verification experiment system ［D］.Hohhot:Inner Mongolia University，2012（in Chinese）

［8］四川儀表十七廠.鎧裝熱電偶［S］.北京:機械電子工業(yè)部，1992 Sichuan Seventeenth Instrument Factory.Armoured thermocouple［S］.Beijing:Ministry of Electromechanics，1992（in Chinese）

（編輯：李多）

A New Calibration Method of Thermocouple Used for Inflight Temperature Measurement in Heat Shield of Reentry Vehicle

CHEN Liping1GU Zheng1WANG Tong1WU Jianqiang2
DENG Xiangjin1ZOU Xin1XUE Bo1
（1 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）
（2 Shandong Astronautics Electronic Technology Institute，Yantai，Shandong 264670，China）

Because armoured micro-thermocouple used for inflight temperature measurement in heat shield of a reentry vehicle cannot be calibrated with traditional calibration method，a new method is proposed.The method is mianly composed of three parts includinig test system，test course and data processing.The effectiveness of the proposed method has been demonstrated by ground calibration test and inflight validation.The new method can be the future reference for ground calibration of armoured micro-thermocouple used for temperature measurement in heat shield.

spacecraft；heat shield；inflight temperature measurement；armoured thermocouple；calibration method

V476.3

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.03.019

2015-09-24；

2016-02-22

國家重大科技專項工程

陳麗平，男，碩士，工程師，從事航天器總體設計及工程參數(shù)測量方面的研究。Email：chenlipingzs@sina.com。