返回器防热层在轨测温的热电偶地面标定新方法

陈丽平　顾征　王　彤　吴建强　邓湘金　邹　昕　薛　博（北京空间飞行器总体设计部，北京 00094）（山东航天电子技术研究所，山东烟台 64670）

返回器防热层在轨测温的热电偶地面标定新方法

陈丽平1顾征1王彤1吴建强2邓湘金1邹昕1薛博1
（1北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）（2山东航天电子技术研究所，山东烟台 264670）

针对返回式航天器防热层在轨测温的微型铠装热电偶利用传统标定方法不能进行标定的问题，文章设计了一种适用于改进微型铠装热电偶的新地面标定方法，该方法包括试验系统、试验过程和数据处理等主要组成部分，通过地面标定试验测试和在轨验证，证明了该方法的有效性，可为防热层测温的铠装热电偶的地面标定提供参考。

航天器；防热层；在轨测温；铠装热电偶；标定方法

1　引言

返回式航天器（简称返回器）在再入返回大气过程中，为了保证舱内温度满足要求，须设计相应防热层。返回器在再入返回过程中与大气摩擦，产生高温环境，由外向内加热返回舱，导致防热层温度由舱外向舱内依次降低，不同深度的温度呈梯度式分布，且同一深度的温度变化较快。在轨详细记录再入返回过程中防热层不同位置不同深度的温度变化历程，是评估和改进防热设计的一种重要手段［1-2］。

返回器防热层厚度有限、安装空间狭小，在不同深度的测量温度，要求测温热电偶尺寸小、易于安装和控制测温深度。传统地面测温应用的铠装热电偶［3］尺寸大，在不破坏防热结构性能的前提下不便在返回器上安装，因此不适合直接用于返回器防热层在轨测温。改进的微型铠装热电偶已成功应用在探月工程三期返回器防热层不同位置、不同深度的在轨测温［4］，但不能采用传统方法进行地面标定。

热电偶加固铠装后，测量端增加了加固材料，热传导特性发生改变，须重新对其进行标定。地面用的铠装热电偶按照铠装热电偶校准规范［5］的传统方法进行标定，采用比较法，将标准温度计与被标定铠装热电偶插入均温块相同位置处，均温块由检定炉［6-7］提供，要求铠装测量端插入中心恒温区深度大于测量端面直径的10倍，且恒温区热场均匀，温度持续不变。传统标定方法对于返回器防热层在轨测温用的微型铠装热电偶的标定存在以下缺陷:①返回器防热层测温用的铠装热电偶采用微型化设计，具有尺寸小、测温端可插入部分短等特点，不能满足传统标定方法中对于测温端插入恒温区长度的要求；②在再入返回过程中，返回器防热层不同深度的温度呈梯度式分布，且同一深度的温度变化较快，热场复杂，采用热电偶测温很可能出现测温误差，既要标定数据反演公式，还要标定误差情况，以对在轨测量数据进行处理。传统标定方法温度场与在轨不一致，不能获取测温误差数据。

基于此，本文针对返回式航天器防热层在轨测温用微型铠装热电偶利用传统标定方法不能进行标定的问题，根据返回器防热层在轨测温用微型铠装热电偶的特点，提出了一种新的地面标定方法，模拟在轨工作环境构建了物理仿真的试验系统，并对试验实施、数据处理等过程进行了针对性设计，既能标定在轨数据反演公式，又能获得在轨测温误差修正公式。该标定方法和系统已成功应用于返回器防热层测温用铠装热电偶的地面标定和在轨数据处理中。

2　微型铠装热电偶

根据返回器防热层不同位置不同深度的测温要求，以及安装空间约束，将热电偶进行微型铠装改进设计［4］，并将其加工为规则外形，方便安装和控制测温深度，具体如图1所示。改进的铠装热电偶主要包括铠装金属外壳、热偶丝及固封材料等。铠装金属外壳的材料采用铝，包括头部和尾部，在器上安装后头部预留在防热层外，其高度h2与宽度S2取决于热偶丝的最小转弯半径，尾部插入防热层内，其长度h与测量深度直接相关。热偶丝为镍铬-镍硅，中间热偶焊点为测温点，距离平底约0.5mm，头部出口部分的热偶丝采用聚四氟乙烯套管包裹，以防止磨损，并使其与金属壳绝缘，引线长度h1与铠装热电偶的安装位置和电缆走向相关。固封材料用于固定铠装热电偶内部的热偶丝，并使其与外壳绝缘，头部与尾部的固封材料分别为高温密封胶和氧化镁。

图1　铠装热电偶结构示意图Fig.1　Armoured thermocouple structure

从图1中可以看出，改进的微型铠装热电偶为绝缘型［8］，为了确保测温精度，测温端采用平底台阶式铠装结构，安装时在平底周围涂抹与防热层结构材料相同的胶，确保其与被测平面紧密接触。另外，铠装偶的直径S1为2mm，在防热结构上只开Φ2.1mm的孔用于安装，且头部与防热结构中间的空隙采用GD414胶固封，尽可能减少对防热层热性能的影响。

3　标定方法

传统标定方法不能对改进的微型铠装热电偶进行地面标定，新标定方法根据改进的微型铠装热电偶测温端尺寸小、长度短的特点，以及其测量对象温度不同深度呈梯度式分布、同一深度温度变化较快的应用环境，解决了改进微型铠装热电偶［4］的地面标定问题，既能标定在轨数据反演公式，又能获得在轨测温误差修正公式，这是只能获得热电偶数据反演公式的传统标定方法不具备的。当然，新标定方法的试验系统、试验过程及试验数据处理等主要组成部分均与传统方法不一致，因此须要进行针对性重新设计。

3.1试验系统设计

铠装热电偶成形后，均须利用专用试验系统重新进行计量标定，以获得每个热电偶产品的分度表，即温度与热电动势的对应关系。由于传统标定方法的试验系统，如管式检定炉和恒温油槽，要求热电偶插入的深度较长，且不能模拟返回器防热层在轨温度环境，因此不能标定改进微型铠装热电偶。新的标定试验系统设计须根据改进铠装热电偶的特点重新设计，以实现返回器防热层在轨测温用的微型铠装热电偶的计量标定。

新的标定试验系统包括平面恒温场、温度跟随、防热层结构和温度采集等模块，如图2所示，为微型铠装热电偶提供平面恒温环境、在轨被测部位温度变化模拟、器上模拟安装环境和温度采集等方面的条件和功能。

图2　微型铠装热电偶标定试验系统组成图Fig.2　Armoured micro-thermocouple calibration test system composition

平面恒温场模块主要由小型红外灯阵及恒温场铜板平面组成。恒温场铜板平面在红外灯阵加热条件下保持全铜板平面温度均匀，构成恒温平面，同时采用K型热电偶和S型标准热电偶分别监测温度均匀情况和记录标准温度，如图3所示，其中K型热电偶配置若干支，有序布置在恒温场铜板平面，而S型标准热电偶配置1支，经专业部门检定，精度较高，安装在待标定铠装热电偶附近，作为待标定铠装热电偶温度测量结果比较标准。另外，图3中恒温场铜板上半径为50 mm的内环圆内为防热层结构块的安装位置。

图3　S型标准热电偶及K型热电偶布置示意图Fig.3　Layout of S type standard thermocouple and K type thermocouple

温度跟随模块核心为控制算法，用于控制红外灯阵热量输出，使平面恒温场的温度与给定温度点一致，或按预定升温曲线变化。平面恒温场模块在温度跟随模块的控制下提供平面恒温环境，也可模拟返回器防热层在轨温度环境。

防热层结构块与防热层结构材料一致，厚度与待标定微型铠装热电偶的在轨测温深度相同，并预留了与微型铠装热电偶测温端直径S1相同的通孔。标定试验时，为消除待标定铠装热电偶生产、安装等工艺方面的差异性，单次标定取3支相同规格的铠装热电偶，一次标定1种规格的微型铠装热电偶，将铠装热电偶仿照器上安装方式，插入小型防热层结构块安装孔，一起固定于恒温场铜板，并采用平面钢板压紧待标定热电偶和防热层结构块，使得防热层结构块及热电偶测温端面与恒温场铜板紧密贴合，恒温场铜板与压紧钢板之间采用石墨毡隔热，以模拟器上安装环境，确保铠装热电偶测温端温度环境与在轨工作环境一致。防热结构块及铠装热电偶安装示意如图4所示。温度采集模块在标定试验时负责采集待标定微型铠装热电偶、标准热电偶的测量数据。

图4　防热结构块及铠装热电偶安装示意Fig.4　Installation of heat shield structure and armoured thermocouple

3.2试验过程设计

将待标定热电偶甩线与温度采集模块连接好，并处理好铠装热电偶冷端。标定试验系统加电开机，在待标定铠装热电偶测量范围内选取5个标定温度点，即T1（室温），T2，T3，T4，T5（最大温度）。按照标定温度点从低到高的顺序输入给温度跟随模块，温度跟随模块控制红外灯阵热量输出，在每个标定温度点当恒温场铜板平面上S型热电偶的测量值偏离给定值在±2℃范围内，温度变化每分钟不超过0.1℃时，开始读数，记录1支S型热电偶的测量温度和3支待标定铠装热电偶的输出电动势平均值及M支K型热电偶的测量温度见表1。

表1　给定温度点标定试验数据读数示例Table1　Test data for given temperature point calibration test

所有温度点标定完成后，标定试验系统断电，更换防热层结构块，重新按照图4的状态和要求，在恒温场铜板平面上安装待标定铠装热电偶及新的防热层结构块。恒温场铜板的温度变化曲线可根据返回器风洞试验获取，由返回器研制单位提供，输入给温度跟随模块。标定试验系统重新加电开机，温度跟随模块控制红外灯阵热量输出，恒温场铜板平面温度按照给定温度变化曲线由室温升至最高温度，过程中记录1支S型热电偶测量温度和3支待标定铠装热电偶的输出电动势平均值及M支K型热电偶的测量温度见表2。

表2　给定温度变化曲线标定试验读数示例Table 2 Test data for given varied temperature curve calibration test

3.3数据处理方法

对表1中试验数据进行处理，得到待标定热电偶的温度测量转换公式。该转换公式为分段线性公式，可分为0～V1、V1～V2、V2～V3、V3～V4和V4～V5等5段，以V1～V2为例，可利用标定数据得到待标定铠装热电偶在V1～V2之间的温度测量转换公式如下:

式中:T为待标定铠装热电偶的温度（单位:℃），V为待标定铠装热电偶测到的电动势（单位:μV）。同理可得其他段内温度测量转换公式。

得到温度测量转换公式后，将表2中待标定铠装热电偶所测电动势v1、v2…vN—1，vN转换为温度数据，表示为T1，T2…TN—1，TN，与表2中标准S型热电偶的温度测量值进行比对，得到待标定铠装热电偶测温误差，计算公式如下:

采用多项式对测温误差数据进行最小二乘拟合，拟合公式如下:

式中:ΔT为铠装热电偶测温偏差（单位:℃），X为铠装热电偶测量温度（单位:℃），ι表示多项式次数，根据铠装热电偶测温误差曲线形状确定。

铠装热电偶在轨测得电动势后，先利用式（1）得到温度量，然后利用式（3）对温度量进行误差修正。

试验过程中，在每个温度采样点，恒温铜板的均匀性以K型热电偶测温结果最大与最小之差在±2℃以内为满足要求。

4　在轨试验验证

探月工程三期飞行试验器的返回器以第二宇宙速度再入返回大气层，为记录返回器防热层在返回过程中的温度情况，配备了多个铠装热电偶，对多个位置不同深度进行温度测量。铠装热电偶在研制过程中，采用文中的方法进行地面标定，并对在轨测量数据进行处理。

为消除差异性，单次标定试验取3支同规格的铠装热电偶，其h尺寸为7.5mm，对应防热层测温深度为6.5mm［4］，地面风洞试验给出防热层在该位置和深度的温度变化范围为26.85～206.81℃，变化曲线如图5所示。选取尺寸为Φ70mm× 6.5mm防热层结构块，在26～207℃内选取5个标定温度点，按文中方法进行标定，先得到温度测量转换公式，然后再得到给定变温条件下的测温误差曲线。3支铠装热电偶与S型标准热电偶在给定温度变化曲线标定试验过程中的测温曲线如图6所示，平均测温误差曲线及拟合后的测温误差修正曲线如图7所示，测温误差曲线近似线性，因此采用的拟合公式为二次多项式，拟合系数及最大偏差见表3。

图5　6.5mm深度防热层温度变化曲线Fig.5　Given varied temperature curve of heat shield at a depth of 6.5 mm

图6　待标定铠装热电偶测温均值和S型标准热电偶测温曲线Fig.6　Mean temperature measurement values of armoured thermocouple to be calibrated and those of S type standard thermocouple

图7　待标定铠装热电偶测温误差拟合曲线与试验数据的关系Fig.7　Relationship between error fitted curve and original test data of temperature measurement for armoured thermocouple to be calibrated

表3　待标定铠装热电偶在轨测温误差公式的拟合系数及最大偏差Table3　Fitted coefficient and max bias of inflight temperature measurement error formula for calibrating armoured thermocouple

由图6可知，待标定铠装热电偶在给定温度变化曲线标定试验过程中的测温范围为24.97℃～144.97℃，对应S型标准热电偶的测温范围为25.05℃～204.90℃，图7中拟合曲线与试验数据吻合较好，表3描述了待标定铠装热电偶在轨测温误差修改公式的系数。另外，试验过程中在各温度采样点，通过分析K型热电偶的测温数据表明，恒温场铜板温度均匀性均在±2℃范围内，满足试验要求。

再入返回过程中，先对h尺寸为7.5mm的在轨测温铠装热电偶实测数据按照式（1）进行反演处理，得到其温度变化曲线如图8所示，恒温段温度变化缓慢，测温误差较小，不须修正，而变温段从约—43.81℃，攀升到最高约13.30℃，变化较快，由标定试验可知测温误差较大，须要修正。由于铠装热电偶标定时的变温段起始点为24.97℃，而实测温度的变温段起始值为—43.81℃，因此为了实现修正，先将实测温度变温段以起始点的差异平移，使实测与标定的起始点重合，然后采用表3对应系数的式（2）对在轨测温数据进行修正，修正后的温度变化曲线如图9所示，测温范围为—43.81℃～49.10℃，使得铠装热电偶在轨实测温度变温段的测量精度得到改善。

图8　铠装热电偶误差修正前在轨测温数据Fig.8　Original in-orbit temperature measurement data of armoured thermocouple

图9　铠装热电偶误差修正前后在轨测温数据Fig.9　Original and error modified in-orbit temperature measurement data of armoured thermocouple

从标定试验和飞行结果可以看出，相对于传统的标定方法，文中方法得到的热电偶温度测量转换公式和测温误差修正公式，可对热电偶在轨测量数据进行反演处理，并得到误差修正后的热电偶测温数据。

5　结束语

本文根据返回器防热层在轨测温应用改进微型铠装热电偶的特点及其在轨应用环境，设计了一种新的地面标定方法，重新对试验系统、试验过程和数据处理方法进行了针对性重新设计，该方法克服了传统标定方法的不足，既能标定改进微型铠装热电偶在轨数据反演公式，又能获得其在轨测温误差修正公式，通过地面标定试验测试和飞行数据处理验证，证明了该方法的有效性，可为后续返回器防热层测温应用微型铠装热电偶的标定提供借鉴和参考。

（References）

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（编辑：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

国家重大科技专项工程

陈丽平，男，硕士，工程师，从事航天器总体设计及工程参数测量方面的研究。Email：chenlipingzs@sina.com。