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热像仪应用于火箭发动机热分布

2020.6.02

　　热像仪应用于火箭发动机热分布

　　毫无疑问，火箭发动机是热的。各种特殊的脉冲式磁等离子体火箭在执行任务期间需要持续工作，因此需要一个合适的散热系统，排除余热并保持一个稳定的稳态工作温度。

　　在设计一个好的质轻的冷却系统中，对发动机内的热量的测量是至关重要的。位于休斯顿的Ad Astra 火箭公司正开发出一种高功率，电的，可变脉冲式磁等离子体火箭推进引擎，使未来的载人飞行更快、成本更低。该公司使用德国Jenoptik 的远程控制的IR -640 红外热像仪进行热分布测量。测量操作在真空罐中进行，热像仪具有640*480 像素的空间分辨率和的温度分辨率（NETD<30mk）。

　　 Ad Astra 火箭公司通过打开电磁线圈并慢慢增加电流测试热像仪抗磁场的能力。基于所述线圈的电流的磁场的计算结果表明，热像仪可以正常工作到的场强大约1500 高斯。真空罐里安装的霍尔探头的测量值确认了线圈电流计算出的场强。运行在脉冲模式下，热像仪能够拍摄发动机点火之前的照片，然后将发动机发动一会儿，再拍摄图片，然后进行测量，看看里面被加热了多少。然而，较新的火箭设计将采用超导磁体而且运行时间较长，而且研究人员也无法关闭磁场获取图像。

　　为了满足火箭公司的要求，在这种高磁通量环境下进行动态热成像，Jenoptik 集团设计出高磁场环境中的热成像实施方案，满足了客户的需求。

　　初， IR -640 中红外热像仪是用来对VX100 发动机， 100 千瓦的原型机进行建模和测试。有了高磁通量方案，研究人员已经准备好进行下一个里程碑式热成像，这将是用在新的火箭发动机原型机。发动机运行在200 千瓦电力下，使用一个介于3000 S 到5000 S 之间的一个特殊脉冲产生出几牛顿推力。它也包括一个超导磁体系统，固态射频功率技术，机载计算机控制系统。

　　图1：沿火箭轴向观察，显示等离子管内的热分布热成像图。

　　热成像的三维分布

　　要了解火箭的热负荷，必须要观察温度随时间的变化。基于这些数据，才能设计出适当的冷却系统，使火箭连续工作数月而无过热。科学家们在一个圆柱形的真空罐管壁上进行高分辨率的热量测量，它就像一个电离腔室，其中所述中性气体推进剂被电离，形成等离子体（图1）。由于种种原因，热电偶测量方法无法用于此处测量。因此科学家们采用红外热像仪，将采集到的数据进行数学坐标变换，将二维的图像映射到三维管道上（图2）。

　　图2。采集的温度数据被映射到火箭发动机的电离腔。

　　科学家们已开始建模下一个发动机原型机，能在10-7torr 的真空罐里进行热测量，此用于模拟深空环境下，火箭可能要长达数十年的飞行而设计的。热分布设计的考虑是冷却系统性能大化和重量小化的关键。

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