熱像儀應(yīng)用于火箭發(fā)動機熱分布

毫無疑問，火箭發(fā)動機是熱的。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)計一個好的質(zhì)輕的冷卻系統(tǒng)中，對發(fā)動機內(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 的遠程控制的IR - 640 紅外熱像儀進行熱分布測量。測量操作在真空罐中進行，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算結(jié)果表明，熱像儀可以正常工作到的場強大約1500 高斯。真空罐里安裝的霍爾探頭的測量值確認了線圈電流計算出的場強。運行在脈沖模式下，熱像儀能夠拍攝發(fā)動機點火之前的照片，然后將發(fā)動機發(fā)動一會兒，再拍攝圖片，然后進行測量，看看里面被加熱了多少。然而，較新的火箭設(shè)計將采用超導磁體而且運行時間較長，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)境下進行動態(tài)熱成像，Jenoptik 集團設(shè)計出高磁場環(huán)境中的熱成像實施方案，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， 100 千瓦的原型機進行建模和測試。有了高磁通量方案，研究人員已經(jīng)準備好進行下一個里程碑式熱成像，這將是用在新的火箭發(fā)動機原型機。發(fā)動機運行在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。它也包括一個超導磁體系統(tǒng)，固態(tài)射頻功率技術(shù)，機載計算機控制系統(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)計出適當?shù)睦鋮s系統(tǒng)，使火箭連續(xù)工作數(shù)月而無過熱。科學家們在一個圓柱形的真空罐管壁上進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。因此科學家們采用紅外熱像儀，將采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)學坐標變換，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)動機的電離腔。

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