石英燈輻射式瞬態(tài)熱環(huán)境試驗關(guān)鍵技術(shù)分析

王德成，林輝

（西北工業(yè)大學(xué)，西安 710129）

石英燈輻射式瞬態(tài)熱環(huán)境試驗關(guān)鍵技術(shù)分析

王德成，林輝

（西北工業(yè)大學(xué)，西安 710129）

結(jié)合石英燈輻射式加熱器的特性，從傳感器弱信號傳輸、無功補償、智能控制、仿形加熱器、開環(huán)試驗技術(shù)等角度出發(fā)，分析了對型號瞬態(tài)熱試驗性能的影響。結(jié)合瞬態(tài)熱試驗的實施，給出了上述幾個角度制約熱試驗實施的改進措施，以期提高試驗系統(tǒng)瞬態(tài)熱試驗的有效性。

熱環(huán)境試驗；石英燈；熱流傳感器；熱電偶

飛行器飛行過程中，當(dāng)高速氣流流過飛行器時，氣流與飛行器表面產(chǎn)生強烈摩擦，邊界層內(nèi)氣流損失的動能轉(zhuǎn)化為熱能，使邊界層內(nèi)氣流溫度上升，即氣動加熱。氣動加熱會使飛行器結(jié)構(gòu)的剛度下降，強度減弱，并產(chǎn)生熱應(yīng)力、熱應(yīng)變和材料燒蝕等現(xiàn)象，引起飛行器內(nèi)部溫度升高，使艙內(nèi)工作環(huán)境惡化。氣動加熱是飛行器設(shè)計中必須考慮的問題。熱環(huán)境試驗在地面通過一定的手段模擬飛行器在空中飛行過程的熱環(huán)境，分析飛行器相應(yīng)的熱響應(yīng)，是研究氣動加熱問題的有效方法，成為結(jié)構(gòu)設(shè)計、強度及可靠性分析、產(chǎn)品性能檢驗和鑒定的重要手段[1—3]。

按照加熱方式進行分類，熱環(huán)境試驗主要分為對流加熱、傳導(dǎo)加熱、輻射加熱三大類[4—5]。對流加熱主要借助于熱介質(zhì)和試驗件之間的高速相對運動來實現(xiàn)，以風(fēng)洞為代表。傳導(dǎo)加熱主要通過在試件表面敷設(shè)加熱墊實現(xiàn)，或利用試件電阻直接通電進行加熱，主要用于材料高溫性能測定。以石英燈作為輻射熱源，具有以下優(yōu)點：尺寸小，功率大；熱效率高，壽命長；熱慣性??；結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝。這些優(yōu)點使得石英燈成為熱試驗最常用的熱源[6]。經(jīng)行業(yè)內(nèi)調(diào)查可知，石英燈輻射式熱環(huán)境試驗是目前國內(nèi)航空、航天領(lǐng)域最為普遍的熱環(huán)境試驗方法。

隨著型號設(shè)計水平的提高，飛行速度和飛行條件的改變，使得熱環(huán)境試驗過程中的給定譜線在短時間內(nèi)呈現(xiàn)快速寬范圍變化特性。這種給定譜線特性，使得瞬態(tài)熱環(huán)境試驗的實施遇到瓶頸。文中結(jié)合石英燈輻射式熱環(huán)境試驗系統(tǒng)特性，基于提高瞬態(tài)熱試驗?zāi)芰Φ囊暯?，對其關(guān)鍵技術(shù)問題進行了深入的分析。

1　石英燈輻射式熱環(huán)境試驗系統(tǒng)

石英燈輻射式熱環(huán)境試驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 1所示。控制器實時采集熱狀態(tài)信號，進行相應(yīng)的分析運算后，輸出控制信號給電壓調(diào)節(jié)裝置。電壓調(diào)節(jié)裝置根據(jù)控制信號改變輸出電壓，即改變加熱器的輸出功率，使到達被試產(chǎn)品表面的熱狀態(tài)跟隨給定控制目標(biāo)譜線。

圖1 石英燈輻射式熱環(huán)境試驗系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical structure of quartz lamp radiation transient thermal environment experiment

電源為整個熱環(huán)境試驗過程提供原始能源，可以采用大功率直流電源，也可采用交流電源。交流電源具有容量大、使用方便等優(yōu)勢，成為電源選擇方式的首選。為了獲取更高的熱流密度，三相模式下的線-線接法可取代單相模式下的相-中線接法。

電壓調(diào)節(jié)裝置，接收控制器發(fā)出的控制信號，將固定的輸入電壓轉(zhuǎn)換成施加在石英燈兩端可變的電壓。對于交流電源來說，電壓調(diào)節(jié)裝置就是利用可控硅組成的AC/AC變換器。

加熱器本身就是石英燈陣列。石英燈的熱源通過鎢絲螺旋繞制而成。典型石英燈的額定電壓為220 V。石英燈的熱流輸出能力，決定加熱器的能力。為了提高加熱器的熱流輸出能力，可采用額定電壓為380 V的石英燈，且在燈管遠離被試產(chǎn)品的一側(cè)，涂有反射涂層。

被試產(chǎn)品可以是整體的戰(zhàn)術(shù)型號或者運載型號，也可以是型號的部分組件。反映被試產(chǎn)品的熱狀態(tài)信號，可以通過相應(yīng)的傳感器測量得到。溫度信號可以通過熱電偶測量得到。熱流信號可以通過熱流傳感器測量得到。

控制器主要通過閉環(huán)控制策略，產(chǎn)生控制信號?？梢宰鳛榭刂破鞯倪x擇有多種，如工業(yè)可編程邏輯控制器（PLC）[7—9]、數(shù)字信號處理器（DSP）[10]、計算機（通過板卡進行閉環(huán)控制所需反饋數(shù)據(jù)的采集）[11]等。譜線跟蹤的好壞取決于控制器的控制律設(shè)計，譜線跟蹤過程中的控制律設(shè)計，耗時、耗力、耗財。

2　關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 傳感器弱信號傳輸

熱環(huán)境試驗過程中，熱電偶和熱流傳感器的測量數(shù)據(jù)是閉環(huán)控制的反饋。反饋數(shù)據(jù)的準確性，嚴重影響熱環(huán)境試驗的有效性。熱電偶和熱流傳感器輸出信號都是毫伏量級，甚至微伏級?？刂破骱捅辉嚠a(chǎn)品的距離往往高達幾十米。傳感器輸出的弱信號在傳輸過程中，除微弱信號通用傳輸過程受到的干擾外，還受到熱環(huán)境特殊的影響。

采用交流電源提供能源的方式，主要通過電力電子斬波控制的方式，實現(xiàn)電壓的改變。AC/AC變換器的工作過程中，向供電系統(tǒng)注入大量的諧波。這些諧波通過供電的方式，以傳導(dǎo)的形式影響弱信號的傳輸。連接電壓調(diào)節(jié)裝置和加熱器的動力線，在空間產(chǎn)生電磁波，耦合在傳輸線上，對弱信號的傳輸產(chǎn)生干擾。這種干擾在電力電子斬波控制模式下更加嚴重。

為了降低弱信號傳輸過程中受到的干擾，需要從傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩個角度出發(fā)。在傳導(dǎo)方面，從電源耦合干擾路徑出發(fā)，在控制系統(tǒng)的供電電源前配置隔離變壓器、EMI濾波器等設(shè)備，減小來自電源的干擾。在輻射干擾方面，可采用的抗干擾措施為：選擇雙絞帶屏蔽的信號傳輸線，且屏蔽層接地處理好；信號線現(xiàn)場布線時盡量遠離干動力線；在傳感器附近增加信號變換裝置，增大信號傳輸?shù)碾妷?；控制器中信號采集過程中增加軟件數(shù)字濾波器，從軟件的角度進行濾波處理。

2.2 無功補償

電力電子技術(shù)在熱環(huán)境試驗中的應(yīng)用，使得試驗過程中產(chǎn)生大量的無功功率和諧波。以單相接法為例分析熱環(huán)境中的無功補償[12]，對于單相交流電壓信號：

導(dǎo)通角為α?xí)r，石英燈陣列的有效值為：

結(jié)合石英燈陣列是純阻性負載的特性，功率因數(shù)可表示為：

由式（3）可知，隨著導(dǎo)通角從0～180°變化，功率因數(shù)從1～0變化。隨著型號研制飛行速度的提升，電源的容量都比較大，導(dǎo)致在試驗過程中導(dǎo)通角較大，使得功率因數(shù)較小，存在大量的無功功率。這些無功功率的存在，使得變壓器容量增加，增大設(shè)備的損耗，引起上級斷路器及其他電力保護裝置的不正常動作。

通過傅里葉級數(shù)分解，可得到基波電壓幅值為：

n次諧波電壓幅值為：

系數(shù)an，bn分別為：

式（6）和式（7）中的n取奇數(shù)。這些諧波的存在，會引起以下問題：變壓器局部過熱；電容器絕緣老化、壽命縮短以致?lián)p壞；自動裝置的誤動作；供電質(zhì)量下降。

無功功率和諧波在譜線劇烈變化下瞬態(tài)熱試驗的過程中，表現(xiàn)得尤為突出。要解決熱環(huán)境試驗過程中的諧波污染和低功率因數(shù)問題，必須增加無功補償裝置[13]。

2.3 智能控制

熱環(huán)境試驗過程中，試驗操作人員需要花費相當(dāng)長的時間進行譜線的跟蹤調(diào)試。調(diào)試過程中，若調(diào)試方法不當(dāng)，產(chǎn)生大超調(diào)，會對被試產(chǎn)品產(chǎn)生破壞性作用，甚至損壞。控制律的設(shè)計對試驗有效性有重要影響。

熱環(huán)境試驗系統(tǒng)是一個典型的大慣性、大時滯、非線性特性復(fù)雜的系統(tǒng)。對于這樣一個復(fù)雜系統(tǒng)，基于PID的譜線跟蹤調(diào)試方法很難取得良好的跟蹤效果[14]。PID控制策略是目前廣泛應(yīng)用于熱環(huán)境試驗的譜線跟蹤調(diào)試方法，跟蹤性能取決于控制律的參數(shù)和被試對象的尺寸形狀、材料和試驗環(huán)境。因此加熱設(shè)備針對不同的被試對象需要調(diào)整控制律的參數(shù)才能得到較好的控制效果，但調(diào)整控制參數(shù)是一個非常麻煩復(fù)雜的過程。理想的情況是加熱試驗系統(tǒng)自身能自動識別被試對象的數(shù)學(xué)模型，然后自動生成合適的控制律及控制參數(shù)。目前可用智能控制方法[15]，如自適應(yīng)控制、自校正控制、模糊控制等方法，以調(diào)節(jié)控制參數(shù)，但這個過程非常復(fù)雜，不易得到較好的控制效果。這些控制算法在譜線跟蹤調(diào)試過程中，控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)將會全面地改變控制量，這使得某些跟蹤性能比較好的時間區(qū)間段在進行下一次的調(diào)試過程中會出現(xiàn)較差的性能。

考慮到熱環(huán)境試驗譜線是根據(jù)飛行條件通過有限元分析得到的，在試驗過程中保持不變，滿足迭代學(xué)習(xí)控制的基本條件。將迭代學(xué)習(xí)引入譜線跟蹤調(diào)試的過程，可提高譜線的調(diào)試效率和譜線的跟蹤性能[16—18]。迭代學(xué)習(xí)譜線跟蹤調(diào)試的過程中，控制量的變化，總是結(jié)合當(dāng)前的誤差以及上一次所用控制量產(chǎn)生，屬于局部修正。通過選則小的學(xué)習(xí)增益，可以有效地避免超調(diào)現(xiàn)象，保護被試產(chǎn)品。可在實際的譜線調(diào)試過程中，可以采用迭代學(xué)習(xí)取代PID進行譜線跟蹤調(diào)試，提高譜線跟蹤調(diào)試的效率和跟蹤精度。

飛行器的飛行氣動特性，以及結(jié)構(gòu)材料的不同，使得熱環(huán)境試驗過程中同一被試產(chǎn)品不同的位置給定的譜線不同。這一特性在全彈體試驗過程中尤為突出。這需要在熱環(huán)境試驗過程中，需要開展分溫區(qū)解耦控制。由于熱環(huán)境試驗系統(tǒng)各溫區(qū)之間的耦合性不是固定不變的，因此精確的解耦控制律設(shè)計需要建立在動態(tài)解耦基礎(chǔ)上。

2.4 仿形加熱器設(shè)計

當(dāng)前的熱環(huán)境試驗主要針對型號的組件展開進行，這種試驗方式的試驗結(jié)果具有較大的局限性，不能真實的反映型號的熱響應(yīng)。舉例來說，整流罩的筒段在熱試驗過程中施加的熱流不到10 kw/m2，但是這么小的熱流可以使球頭產(chǎn)生幾十?dāng)z氏度的溫差。如果不采用整體的整流罩熱環(huán)境試驗，這種結(jié)構(gòu)響應(yīng)就無法獲取得到。隨著型號研制水平的提升，尤其是戰(zhàn)術(shù)型號，需要全尺寸仿形加熱器配套使用進行熱環(huán)境試驗，得到整體的熱響應(yīng)。

仿形加熱器的設(shè)計，需要按照飛行器的真實尺寸進行量身定做。該種類型的加熱器設(shè)計技術(shù)難點體現(xiàn)在以下兩個方面。

1）仿形石英燈的設(shè)計。目前市面上的石英燈全部是管狀水平的。要設(shè)計仿形加熱器，相應(yīng)的燈管必須定制。仿形石英燈的弧度需要依據(jù)飛行器的結(jié)構(gòu)外形進行設(shè)計，否則很難做到對飛行器表面進行均勻的加熱。

2）水冷板設(shè)計。水冷板具有增加加熱器熱流輸出密度的功效。在設(shè)計水冷板時，應(yīng)保證水流的均勻性，以及焊接的牢固性，避免水冷板的漏水，對燈管產(chǎn)生破壞作用。水冷板的水流方向應(yīng)是由低到高，以避免氣泡的存在，降低其水冷性能。

2.5 開環(huán)試驗

熱流傳感器的測量方式是一種間接測量方式，建立在冷壁、熱壁溫度差基礎(chǔ)上。雖然在熱環(huán)境試驗過程中，對熱流傳感器的冷端進行隔熱處理，如通冷水降溫、隔熱石棉包裹處理，但在試驗過程中，無法避免冷端溫度的上升，產(chǎn)生較大的測量誤差。在某被試產(chǎn)品試驗過程中，熱流給定在300 kW/m2以上，一個熱流傳感器進行隔熱處理，輸出作為閉環(huán)控制使用，另一個熱流傳感器未經(jīng)隔熱處理，輸出信號呈現(xiàn)出較大的下降趨勢。這種由冷壁溫度升高產(chǎn)生的熱流測量誤差，在大熱流、封閉狀態(tài)下，顯得尤為突出，造成過度試驗。

高熱流狀態(tài)下的熱流傳感器校驗，目前也是困擾熱環(huán)境試驗的難點問題。熱流傳感器的敏感片在使用中需要涂黑漆。黑漆的不均勻，以及使用過程黑漆的脫落，都會產(chǎn)生測量誤差。熱流傳感器需要經(jīng)常校驗。校驗過程中，高熱流的熱源很難提供，這給型號的高熱流試驗狀態(tài)下的精確測量帶來困難。

真實被試件往往還不允許打孔安裝熱流傳感器，或是傳感器的水冷等使用條件不具備，無法進行閉環(huán)試驗。解決的辦法是可以采用開環(huán)控制試驗。該方法是在模擬試驗件上反復(fù)進行閉環(huán)控制試驗調(diào)試，由于模擬件上不受打孔，安裝熱流傳感器、冷卻等這些約束限制，可以在閉環(huán)控制試驗中取得很好的控制精度。閉環(huán)試驗成功后保存整個過程控制電壓隨時間變化的控制參數(shù)，在真實的被試件試驗時采用該控制參數(shù)直接作用于試驗系統(tǒng)，實行開環(huán)試驗。由于開環(huán)試驗不包含閉環(huán)反饋環(huán)節(jié)，可以不需裝配熱流傳感器，卻可以保證與閉環(huán)控制系統(tǒng)得到相同的試驗精度，使得試驗真實性更好。

3　結(jié)語

石英燈輻射式加熱系統(tǒng)在熱環(huán)境試驗中起主導(dǎo)作用。型號研制水平的提升，對加熱系統(tǒng)提出更高的要求。為了使得地面熱環(huán)境模擬更加真實、有效，無論在加熱系統(tǒng)設(shè)計方面，還是在譜線跟蹤調(diào)試方面，需要針對上述關(guān)鍵問題，進行深入分析。

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Main Technical Analysis of Quartz Lamp Radiation Transient Thermal Environment Experiment Main Technical Analysis

WANG De-cheng, LIN Hui
(Northwest Polytechnical University, Xi’ an 710129, China)

Based on the characteristics of quartz lamp radiation heater, the influence of following factors on experiment performance is was analyzed, such as sensor weak signal transmit, reactive power compensation, intelligent control, profile modeling heater design and open loop experiment way. Combined with the implementation of transient thermal environment experiment implementation process, the corresponding corrective actions based on the above constraint thermal experiment implementation aspects wereare given, in order to improve the effectiveness of transient thermal experiment of experiment system. KEY WORDS: thermal environment experiment; quartz lamp; heat flow sensor; thermocouple

2016-08-15；Revised：2016-08-25

LIN Hui（1957—）， Male， from Fuzhou， Fujian， Doctor， Professor， Research focus: thermal environment experiment technique， electromechanical servo and control technique.

10.7643/ issn.1672-9242.2016.05.006

TJ86；V416

A

1672-9242(2016)05-0036-05

2016-08-15；

2016-08-25

航空科學(xué)基金（20140953016）

Fund：Aerospace Science Foundation of China（No.20140953016）

王德成（1981—），男，山東臨沂人，博士，副教授，主要研究方向熱試驗、智能控制。

Biography：WANG De-cheng（1981—）， Male， from Linyi， Shandong， Doctor， Associate professor， Research focus: thermal environment experiment technique and intelligent control.

林輝（1957—），男，福建福州人，博士，教授，主要研究方向熱試驗、機電伺服、控制技術(shù)。