高超声速飞行器复杂结构热试验技术.pdf

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1、http：／／hkxb．buaaedu．cnhkxb@buaa，edu．ca高超声速飞行器复杂结构热试验技术李翔*，傅波中航3-_业成都飞机设计研究所，成都610091摘要：为解决高超声速飞行器复杂结构热试验加热器设计难题，以高超声速飞行器钝头体试验样段为研究对象，对复杂结构热试验从试验方案确定，加热器详细设计，温度、应变、位移的测量及热流控制方法等相关技术进行研究。通过自行设计的红外加热器完成了钝头体试验样段的高温试验，获得了大量的温度、应变、位移等试验数据。通过本次研究，梳理了高超声速飞行器复杂结构加热器设计流程，

2、为优化结构设计提供了重要试验数据支持。关键词：高超声速飞行器；复杂结构；加热器；热流控制；热试验技术中图分类号：V216．4文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)S1一$73—07飞行器在高超声速飞行时产生严重的气动热，使飞行器结构强度及刚度发生改变，降低飞行器结构的承载能力，严重的气动热将影响飞行器的飞行安全。热环境分布是高超声速飞行器热防护系统设计的重要依据，所以准确掌握飞行器的热环境分布情况，对于合理选材，优化结构设计至关重要‘1—3

3、。获得热环境分布情况具体做法主要包括理论分析计算、地面试验和飞

4、行实测，其中飞行实测所达到的效果最理想真实，但是代价高昂，又无法用于飞行器设计阶段，所以理论分析计算与地面试验验证是进行热防护设计的重要手段[4]。发达国家，特别是美国，对发展航天技术的地面模拟试验设备的建设十分重视，20世纪50年代后期，NASA为了适应航天技术发展计划的需要，花了大量投资新建、扩建规模较大的地面模拟试验设施。20世纪70年代，美国为满足高超声速飞行器的试验验证需求，研制了以石墨为加热元件的加热试验系统，最大加热能力达5600kW／m2。为了获得更高的热流密度，美国AFRL建设了电弧灯加热系统，热流密

5、度达22700kW／m2，用于飞行器鼻锥、翼前缘以及发动机试样热试验。进入21世纪，NASA建造了一个温度达1650℃的氮气环境热强度试验系统，对采用c／c、C／SiC等材料的热结构如机身襟翼、升降舵等进行了试验。大量模拟试验设备建成并投入使用有力地促进了美国航天技术的发展[5‘10

6、。近几年，随着中国高超声速飞行器的研制，结构热试验能力得到非常大的提高，多家科研院所、高校建设自己的结构热试验室，并开展了大量热试验工程应用。结构热试验是通过地面模拟试验的方法，研究飞行器结构在热环境和力学环境作用下的承载能力和防隔热性能

7、。地面试验要求能够真实地模拟飞行器结构的气动热环境，为准确预测飞行器表面温度情况，优化热结构设计提供试验依据。结构热试验辐射加热模拟手段主要包括石英灯、石墨加热器、电弧灯加热器等多种加热方式。石英灯辐射加热器因其发热功率大、热惯性小、易于控制、可按要求定制、价格低廉等诸多优点，成收稿日期：2016—04—20；退修日期：2016—06—02；录用日期：2016—07—06；网络出版时间：2016—08—2615：07网络出版地址：http：／／WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．201

8、60826．1507．006．html*通讯作者．Tel．：028—65020308E-mail：gongtou2004@163．corn鳓用格武I李翔．傅渡．高超声速飞行器复杂结构热试验技术!JI．航空学报，2016，37(SI)：$73．$79．LIX．FUB，Thermaltesttech．niqueofcomplexstructureofhypersonicaircra缸J]．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2016．37(SD：$73．879÷$74航空学报为热试验常用

9、的辐射加热设备Ill12]。当前，美国NASADryden、NASALangley、AFRL以及德国IABG均将石英灯辐射加热作为气动加热环境模拟的主要手段。其中，美国NASADryden飞行研究中心开展了风冷加水冷的模块化石英灯加热装置研究，实现了1500℃以上高温长时间加热，进一步挖掘了石英灯加热器的加热能力。高超声速飞行器钝头体试验样段结构外形复杂，多温区热流各不相同，要通过地面模拟其气动热环境并不容易，需设计符合其结构外形的石英灯加热器来满足试验的要求。本文以飞行器钝头试验样段热试验为例，阐述高超声速飞行器复杂

10、结构热试验的综合应用。1试验方案石英灯辐射加热器主要由石英灯管矩阵、水冷反射板和水冷汇流电极等组成，如图1所示。图1石英灯加热器Fig．1Quartzlampheater通常，材料的防隔热试验或简单结构的热试验，采用单一温区，试验加热方式相对简单，加热器设计需考虑边缘效应，并要求灯管均匀排列。对于钝头体试验样段这样一个复杂的外形结