熱像儀應(yīng)用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)熱分布

毫無(wú)疑問(wèn)，火箭發(fā)動(dòng)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(gè)合適的散熱系統(tǒng)，排除余熱并保持一個(gè)穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)工作溫度。

       在設(shè)計(jì)一個(gè)好的質(zhì)輕的冷卻系統(tǒng)中，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的熱量的測(cè)量是至關(guān)重要的。位于休斯頓的Ad Astra 火箭公司正開(kāi)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(lái)的載人飛行更快、成本更低。該公司使用德國(guó)Jenoptik 的遠(yuǎn)程控制的IR - 640 紅外熱像儀進(jìn)行熱分布測(cè)量。測(cè)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(guò)打開(kāi)電磁線圈并慢慢增加電流測(cè)試熱像儀抗磁場(chǎng)的能力。基于所述線圈的電流的磁場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果表明，熱像儀可以正常工作到的場(chǎng)強(qiáng)大約1500 高斯。真空罐里安裝的霍爾探頭的測(cè)量值確認(rèn)了線圈電流計(jì)算出的場(chǎng)強(qiáng)。運(yùn)行在脈沖模式下，熱像儀能夠拍攝發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火之前的照片，然后將發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)一會(huì)兒，再拍攝圖片，然后進(jìn)行測(cè)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(shí)間較長(zhǎng)，而且研究人員也無(wú)法關(guān)閉磁場(chǎng)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(dòng)態(tài)熱成像，Jenoptik 集團(tuán)設(shè)計(jì)出高磁場(chǎng)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(lái)對(duì)VX100 發(fā)動(dòng)機(jī)， 100 千瓦的原型機(jī)進(jìn)行建模和測(cè)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(gè)里程碑式熱成像，這將是用在新的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)原型機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在200 千瓦電力下，使用一個(gè)介于3000 S 到5000 S 之間的一個(gè)特殊脈沖產(chǎn)生出幾牛頓推力。它也包括一個(gè)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(shí)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(wú)過(guò)熱。科學(xué)家們?cè)谝粋€(gè)圓柱形的真空罐管壁上進(jìn)行高分辨率的熱量測(cè)量，它就像一個(gè)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(cè)量方法無(wú)法用于此處測(cè)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(dòng)機(jī)的電離腔。

        科學(xué)家們已開(kāi)始建模下一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)原型機(jī)，能在10-7torr 的真空罐里進(jìn)行熱測(cè)量，此用于模擬深空環(huán)境下，火箭可能要長(zhǎng)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。