熱像儀應(yīng)用于火箭發(fā)動機(jī)熱分布

熱像儀應(yīng)用于火箭發(fā)動機(jī)熱分布

毫無疑問，火箭發(fā)動機(jī)是熱的。各種特殊的脈沖式磁等離子體火箭在執(zhí)行任務(wù)期間需要持續(xù)工作，因此需要一個合適的散熱系統(tǒng)，排除余熱并保持一個穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)工作溫度。

       在設(shè)計(jì)一個好的質(zhì)輕的冷卻系統(tǒng)中，對發(fā)動機(jī)內(nèi)的熱量的測量是至關(guān)重要的。位于休斯頓的Ad Astra 火箭公司正開發(fā)出一種高功率，電的，可變脈沖式磁等離子體火箭推進(jìn)引擎，使未來的載人飛行更快、成本更低。該公司使用德國Jenoptik 的遠(yuǎn)程控制的IR - 640 紅外熱像儀進(jìn)行熱分布測量。測量操作在真空罐中進(jìn)行，熱像儀具有640*480 像素的空間分辨率和的溫度分辨率（NETD<30mk）。

       Ad Astra 火箭公司通過打開電磁線圈并慢慢增加電流測試熱像儀抗磁場的能力。基于所述線圈的電流的磁場的計(jì)算結(jié)果表明，熱像儀可以正常工作到的場*約1500 高斯。真空罐里安裝的霍爾探頭的測量值確認(rèn)了線圈電流計(jì)算出的場強(qiáng)。運(yùn)行在脈沖模式下，熱像儀能夠拍攝發(fā)動機(jī)點(diǎn)火之前的照片，然后將發(fā)動機(jī)發(fā)動一會兒，再拍攝圖片，然后進(jìn)行測量，看看里面被加熱了多少。然而，較新的火箭設(shè)計(jì)將采用超導(dǎo)磁體而且運(yùn)行時間較長，而且研究人員也無法關(guān)閉磁場獲取圖像。

      為了滿足火箭公司的要求，在這種高磁通量環(huán)境下進(jìn)行動態(tài)熱成像，Jenoptik 集團(tuán)設(shè)計(jì)出高磁場環(huán)境中的熱成像實(shí)施方案，滿足了客戶的需求。

        初， IR- 640 中紅外熱像儀是用來對VX100 發(fā)動機(jī)， 100 千瓦的原型機(jī)進(jìn)行建模和測試。有了高磁通量方案，研究人員已經(jīng)準(zhǔn)備好進(jìn)行下一個里程碑式熱成像，這將是用在新的火箭發(fā)動機(jī)原型機(jī)。發(fā)動機(jī)運(yùn)行在200 千瓦電力下，使用一個介于3000 S 到5000 S 之間的一個特殊脈沖產(chǎn)生出幾牛頓推力。它也包括一個超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，固態(tài)射頻功率技術(shù)，機(jī)載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

圖1：沿火箭軸向觀察，顯示等離子管內(nèi)的熱分布熱成像圖。

       熱成像的三維分布

       要了解火箭的熱負(fù)荷，必須要觀察溫度隨時間的變化。基于這些數(shù)據(jù)，才能設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)睦鋮s系統(tǒng)，使火箭連續(xù)工作數(shù)月而無過熱。科學(xué)家們在一個圓柱形的真空罐管壁上進(jìn)行高分辨率的熱量測量，它就像一個電離腔室，其中所述中性氣體推進(jìn)劑被電離，形成等離子體（圖1） 。由于種種原因，熱電偶測量方法無法用于此處測量。因此科學(xué)家們采用紅外熱像儀，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)坐標(biāo)變換，將二維的圖像映射到三維管道上（圖2） 。

圖2。采集的溫度數(shù)據(jù)被映射到火箭發(fā)動機(jī)的電離腔。

        科學(xué)家們已開始建模下一個發(fā)動機(jī)原型機(jī)，能在10-7torr 的真空罐里進(jìn)行熱測量，此用于模擬深空環(huán)境下，火箭可能要長達(dá)數(shù)十年的飛行而設(shè)計(jì)的。熱分布設(shè)計(jì)的考慮是冷卻系統(tǒng)性能大化和重量小化的關(guān)鍵。