載人飛船用HB-3型超低風(fēng)速傳感器

1.引言

近年來，風(fēng)速傳感器的應(yīng)用越來越廣泛，特別是超低速(V<1m/s)的風(fēng)速傳感器被廣泛地應(yīng)用于航空、航天、氣象、生物醫(yī)學(xué)動力學(xué)和許多的民用工業(yè)、服務(wù)行業(yè)及體育運動場館等多個方面。同時，對風(fēng)速傳感器的測量范圍和測量精度要求也越來越高。

目前，國外許多廠家研制風(fēng)速傳感器，其測量風(fēng)速的分辨率都達到了V<0.01m/s的高靈敏度，這相當(dāng)于壓差式傳感器的靈敏度要達到△P<0.0025mm水柱的精度。測量誤差可以控制在讀數(shù)的5%以內(nèi)。近代風(fēng)速傳感器的迅猛發(fā)展，要首推丹麥，由于它的研究、生產(chǎn)和使用緊密結(jié)合的開發(fā)體制，使它始終居世界領(lǐng)先地位。其次是美國，近年來，日本也急起直追，居世界第三。但是半個世紀以來，我國風(fēng)速傳感器的研制和生產(chǎn)，長期處于較落后的狀態(tài)。特別對于V<1m/s的超低風(fēng)速，由于沒有合適的標定設(shè)備，給不出精度，仍然無法使用。特別不能用于像航空、航天等有高精度和高可靠性要求的領(lǐng)域。

　　近3～4年來，隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，中國航天科技集團公司七○一研究所與中國航天科技集團公司北京空間飛行器總體設(shè)計部合作，使我國熱球風(fēng)速傳感器的研制能力向前大大推進了一步。它所研制的第三代產(chǎn)品—HB-3型熱球風(fēng)速傳感器(圖1)已經(jīng)能滿足我國載人飛船的使用要求，它的綜合性能，與國內(nèi)同類產(chǎn)品相比，有以下優(yōu)點。

(1)安全可靠，杜絕短路，有很強的自我保護能力，滿足航天飛行第一需要。

(2)實行機電一體化設(shè)計，將電源線路和信號輸出線路合二為一，因而體積小，重量只有200克，滿足航天飛行重量輕體積小必要條件。

(3)測量風(fēng)速的分辨率V≤0.001m/s，能測出風(fēng)速的下限可延伸至V=0.02m/s，甚至可以更小的超低風(fēng)速，測量誤差能控制在量程范圍內(nèi)任一讀數(shù)的5%，也就是說，可以精確到V=0.001m/s的水平，相當(dāng)于壓差式傳感器的壓差△P=0.00025mm水柱的精度。它可以測量半球方向(三維)來流的風(fēng)速，除子午角φ=60°，180°，300°三個子午角方向的風(fēng)速，誤差達到10%左右外，其余φ=0°～360°的子午角和緯度角γ=0°～±90°方向的來流風(fēng)速測量誤差均小于讀數(shù)的5%。

(4)通過了飛船從地面發(fā)射到軌道飛行，返回地面全過程出現(xiàn)的各種力學(xué)環(huán)境的鑒定級和驗收級試驗。HB-3型風(fēng)速傳感器能承受的過載系數(shù)K=500g(g-重力加速度)，這意味著，一旦飛船故障著陸墜毀，而傳感器仍安全無恙。

(5)它具有電路短路保護，電磁兼容等能力，并通過了鑒定級和驗收級抗各種強電磁干擾的EMC試驗。

(6)使用方便，在標定中給出了每支傳感器輸出電壓與風(fēng)速之間的統(tǒng)一標定公式，而每一公式之間的區(qū)別，僅僅反映在公式中的系數(shù)和指數(shù)的差別，而這些系數(shù)和指數(shù)，都在標定中給出。在飛船上使用時，只要將地面遙測到的每支傳感器的輸出電壓值，代入對應(yīng)(編號)的公式中，就立即給出了飛船上各地區(qū)的風(fēng)速值，所以應(yīng)用十分方便。

2.標定設(shè)備簡介

為了標定這種高精度、高性能的超低速風(fēng)速傳感器，航天七○一所還建造了兩座標定設(shè)備。一座是BIA-C流場模擬裝置，可標定風(fēng)速的量程為V=0～2m/s，它的靈敏度可顯示出V=0.001m/s的風(fēng)速，同時還具備變壓力(P=0.01～0.01MPa)、變溫度(T=-20℃～45℃)、變濕度(RH=30%～100%)的功能。另一座是變密度低速風(fēng)洞，能標定風(fēng)速V=1～30m/s，標定誤差仍可控制在讀數(shù)的5% 以內(nèi)，壓力變化P=0.1～0.01MPa。這兩座標定設(shè)備的建立，滿足了神舟號載人飛船上使用的高精度高性能風(fēng)速傳感器的標定精度要求，對推進我國風(fēng)速傳感器的近代發(fā)展，起了很重要的作用。

3.風(fēng)速傳感器的工作原理

假設(shè)單位時間內(nèi)熱線(或熱球)傳給介質(zhì)(氣流)的熱量，等于單位時間內(nèi)通過熱線或熱球的電流所做的功。則可以應(yīng)用熱力學(xué)、空氣動力學(xué)和電學(xué)之間的關(guān)系建立起熱線或熱球風(fēng)速傳感器工作的參數(shù)方程：

式中：A、B是熱線電阻，導(dǎo)熱系數(shù)和Pr數(shù)的函數(shù)，可以由理論算出，也可以在標定時給出，E是傳感器輸出電壓，它是氣流密度ρg和氣流溫度Tg的函數(shù)。有時為了方便，可寫出上式的反函數(shù)形式：

式中A1=0，B1和n1是能用標定數(shù)據(jù)給出，這樣，只要知道傳感器的輸出電壓，就能用(2)式很簡單地算出風(fēng)速V來。

4.溫度對風(fēng)速的影響

　由方程(1)可知，對于某一給定的風(fēng)速值V≠0，傳感器的輸出電壓E = f (ρg·Tg)，因此，只要討論ρg、Tg對于電壓E的影響，就能知道對風(fēng)速V的影響。

由(1)可知

這種影響反映在速度的變化，如圖(2)所示，在△T=7.5℃時， >8%。

5. 密度對風(fēng)速的影響

又由(1)式可知：

密度對風(fēng)速的影響，往往用壓力表示，由狀態(tài)方程

代入(4)可得：

圖3給出了壓力從P=0.1Mpa下降到0.0275MPa時， >80%。可見壓力的變化對速度的影響很大。

另外，在標定中還做了改變空氣的相對濕度(RH=0.3-1.0)后對風(fēng)速的影響，標定結(jié)果表明，濕度影響可以略去不計。

6.對影響風(fēng)速因素(Tg、Pg)的修正

風(fēng)速傳感器在飛船上應(yīng)用時，它的環(huán)境溫度和壓力與標定時的環(huán)境溫度和壓力是不一樣的，對測出的速度V值，必然有影響，因此必須做出修正。

在溫度變化范圍不大的情況下，對(1)式中的溫度項(Tw-Tg)做線性修正就行了，因此，在應(yīng)用(5)式的同時可導(dǎo)出：

式中A2，B2和n2對每一支傳感器都能在標定中給出，而Rg，Rw，Rgst都能從溫度分度表中查出，Pg和Pgst均為已知，只要測出傳感器的輸出電壓，就能從(7)式中很快算出在飛船上各處的風(fēng)速值。

7. 結(jié)論

(一)當(dāng)V≠0時，在△T=7.5℃時，溫度的變化對傳感器測出速度的影響，可達到8%左右，因而溫度的影響不可以略去。

(二)氣體的密度反映在壓力變化上，對傳感器風(fēng)速的影響很大。當(dāng)壓力從0.1MPa下降到0.0275MPa時，傳感器測出的風(fēng)速下降80%以上。

(三)相對濕度的變化，反映在氣體密度的變化上，相對濕度從30%增加到100%時，密度的變化不到1%，因而相對濕度對風(fēng)速傳感器精度的影響可以略去。