高速飛行器外熱流模擬試驗裝置研究

楊　祺，汪　洋，張文瑞，于錕錕，劉　寧

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點實驗室，蘭州　730000）

高速飛行器外熱流模擬試驗裝置研究

楊祺，汪洋，張文瑞，于錕錕，劉寧

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點實驗室，蘭州730000）

介紹了氣動熱模擬的常規(guī)試驗方法，針對某高速飛行器使用環(huán)境條件，設(shè)計并搭建了一套基于高頻感應(yīng)加熱的高速飛行器外熱流模擬試驗裝置，并通過試驗驗證表明，該裝置能有效模擬飛行器在氣動加熱條件下的外表面溫度及溫升狀態(tài)，并通過溫度控制器將溫度控制在要求的范圍內(nèi)。

高速飛行器；氣動加熱；模擬；高頻加熱

0　引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭形態(tài)正在發(fā)生深刻的變化，空中力量已逐漸成為戰(zhàn)爭的重要角色。目前，美、俄等先進(jìn)國家正在發(fā)展新一代防空導(dǎo)彈，最大飛行馬赫數(shù)達(dá)到Ma=8～10，最大射程300～400 km，作戰(zhàn)高度在10～40 km。導(dǎo)彈以高超聲速在大氣層中飛行時，空氣受到強烈的壓縮和摩擦作用，大部分動能轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致周圍的空氣溫度急劇升高，而且熱能迅速向飛行器表面?zhèn)鬟f。在飛行高度為10 km，飛行速度4馬赫的情況下，彈體頭部駐點的溫度將達(dá)到930 K左右，這種氣動加熱的特點是升溫快、溫度高、熱量大。

對于高超聲速飛行器的研究和設(shè)計來說，其熱防護(hù)一直是高超聲速飛行器研制的關(guān)鍵技術(shù)。為驗證高超聲速飛行器的熱防護(hù)設(shè)計，研究熱防護(hù)過程中的換熱規(guī)律，在地面熱模擬試驗中需用特殊方案模擬飛行器，由于氣動加熱實際工況外熱流影響。因此，設(shè)計一種能在短時間內(nèi)迅速升溫并且相對穩(wěn)定的加熱方式成為高超聲速飛行器熱防護(hù)設(shè)計試驗中的關(guān)鍵問題。

1　常規(guī)試驗方法介紹

飛行器的氣動加熱是一個瞬態(tài)過程，地面熱模擬這個過程目的是重現(xiàn)結(jié)構(gòu)真實的溫度分布，用于考察熱響應(yīng)特性。氣動熱模擬的試驗方法一般有“非對流方法”和“對流方法”兩類。

對流方法以風(fēng)動試驗為代表，但是在高速高溫條件下的模擬試驗成本極高，單次試驗費用至少為幾十萬元人民幣，多則需要數(shù)百萬元以上。由于試驗成本的原因，使得以石英加熱器為基礎(chǔ)的紅外輻射氣動熱模擬試驗技術(shù)獲得廣泛的使用。

石英燈的熱慣性非常小，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的形狀進(jìn)行布置，非常適合大面積的氣動熱試驗。石英燈加熱器有三個方面的優(yōu)點：（1）尺寸小，功率大。在額定工作電壓下單支石英燈的輸出功率可達(dá)1～3 kW，燈管直徑只有10 mm，便于組成石英燈加熱陣列，而且石英燈的瞬時超載能力非常強；（2）熱效率高，壽命長。石英玻璃透過紅外線的能力強，鎢絲的熱穩(wěn)定性好，額定電壓下約有85%的能量以輻射形式放射出來。在水平狀態(tài)下工作壽命可達(dá)2 000 h；（3）熱慣性小。燈絲的橫截面小，熱慣性小，便于熱量的瞬時控制。

感應(yīng)加熱[2]源自于法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，就是交變的磁場會使導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而令導(dǎo)體發(fā)熱，近年來感應(yīng)加熱也已經(jīng)逐漸進(jìn)入到人們的生活中，并逐漸被越來越多的使用。高頻感應(yīng)加熱，其原理是利用其發(fā)出高周波的大電流流向被繞制成方形的加熱感應(yīng)線圈。由高周波感應(yīng)線圈內(nèi)發(fā)生極性瞬間變化的強大磁束，將加熱塊金屬放置在高頻線圈正上方，磁束就會貫通整個被加熱的金屬物體。感應(yīng)加熱物體的內(nèi)部與高頻機感應(yīng)加熱電流相反的方向，發(fā)生相對應(yīng)的強大渦電流。因為感應(yīng)加熱塊存在電阻，因此發(fā)生強的焦耳熱能，使感應(yīng)加塊溫度迅速上升。感應(yīng)加熱原理如圖1所示。

圖1　感應(yīng)加熱原理圖

感應(yīng)加熱和其他傳統(tǒng)加熱方式，如燃燒加熱、電阻加熱等不同，直接將電能轉(zhuǎn)變成熱能。根據(jù)感應(yīng)加熱方式的原理可知，其加熱區(qū)域主要是金屬導(dǎo)體表面，并通過熱傳遞的方式實現(xiàn)加熱，因此可通過控制感應(yīng)電流的大小和頻率，控制加熱的功率和加熱深度。目前已在機械制造工業(yè)、冶金、國防等領(lǐng)域成為不可缺少的加熱方式[3]。

2　高速飛行器外熱流模擬裝置需求分析

本裝置針對某飛行器，模擬飛行時由于氣動加熱[4]造成的飛行器外表面溫度迅速升高現(xiàn)象，模擬外熱流加熱環(huán)境。因此，本裝置需滿足兩點要求：

（1）在模擬熱防護(hù)措施一定時，飛行器蒙皮外表面溫度范圍450～650℃，溫度穩(wěn)定性±5℃；

（2）本裝置要求迅速升溫，由常溫升至650℃時的時間不應(yīng)高于250 s。

3　高速飛行器外熱流模擬裝置設(shè)計

根據(jù)高速飛行器外熱流模擬裝置的需求分析，確定該裝置模擬氣動加熱外熱流環(huán)境時，使用溫度邊界條件而不是熱流密度為邊界條件，因此選用感應(yīng)加熱為加熱方式。

3.1試驗裝置設(shè)計

高速飛行器外熱流模擬裝置主要由高頻加熱裝置、感應(yīng)線圈、加熱塊、云母片等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　高速飛行器外熱流模擬裝置結(jié)構(gòu)圖

（1）高頻加熱裝置

由上海錦際電源設(shè)備有限公司生產(chǎn)，主要為感應(yīng)線圈提供振蕩電流。通過加熱功率調(diào)節(jié)按鈕，可以調(diào)節(jié)加熱功率，進(jìn)而調(diào)節(jié)加熱速度與溫度高低。

（2）感應(yīng)線圈

感應(yīng)線圈根據(jù)加熱塊形狀，采用Φ10×1的紫銅管繞制而成。高頻振蕩電流通過感應(yīng)線圈時，發(fā)生極性瞬間變化的強大磁束，使加熱塊金屬產(chǎn)生渦流，由于焦耳效應(yīng)，金屬加熱塊被迅速加熱?？紤]被加熱塊溫度均勻性，將感應(yīng)線圈如圖3盤繞。

（3）加熱塊

加熱塊由45＃碳鋼制成，其感應(yīng)加熱效果較好。加熱塊尺寸210 mm×210 mm×20 mm，其四角有與端框連接M12螺孔，上表面中心及四周布置5個Φ3×16孔，用來布設(shè)鎧裝熱偶傳感器。

圖3　感應(yīng)線圈盤繞方式

（4）云母片

布置在加熱塊及感應(yīng)圈之間，保證加熱塊及感應(yīng)圈有良好絕緣。

3.2溫度控制回路

在加熱塊中預(yù)埋5只鎧裝熱電偶用以監(jiān)測加熱塊的溫度，溫度回路采用鎧裝熱電偶測量加熱塊的溫度，根據(jù)5個被測點的溫度進(jìn)行邏輯判斷，當(dāng)任一點超過溫度上限則開啟高頻感應(yīng)裝置，當(dāng)控制點都低于溫度下限則關(guān)閉高頻感應(yīng)裝置，從而完成裝置的溫度控制功能。測溫點布置如圖4所示

圖4　模擬裝置測溫點布置情況圖

4　驗證試驗

4.1試驗程序

首先按照高頻加熱裝置使用說明書正確連接設(shè)備，將加熱塊置于感應(yīng)線圈上方，通過感應(yīng)電流對其進(jìn)行加熱，加熱塊與感應(yīng)線圈之間加云母片防止感應(yīng)線圈短路；在加熱塊中心及邊緣處安裝鎧裝熱電偶，熱電偶與溫度控制器相連；系統(tǒng)開機，使用溫度控制器檢測加熱塊中心點及邊緣點溫度；加熱塊達(dá)到目標(biāo)溫度后，溫度穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，記錄目標(biāo)溫度及溫度變化區(qū)間上、下限數(shù)據(jù)；關(guān)機完成加熱溫度測試。試驗期間，使用秒表對溫度變化進(jìn)行計時。

4.2試驗結(jié)果

圖5為高速飛行器外熱流模擬裝置空負(fù)荷模擬試驗時的加熱曲線，試驗時設(shè)定加熱塊溫度為510℃±5℃。由圖5可以看出，加熱塊在大約130 s時，溫度到達(dá)設(shè)定溫度510℃。在此后的270 s中，溫度在510℃上下波動。滿足試驗對外熱流邊界條件的要求。

圖5　加熱裝置升溫曲線圖

5　結(jié)論

使用高頻感應(yīng)加熱裝置設(shè)計并搭建了模擬某高速飛行器外熱流溫度條件的外熱流模擬裝置，并通過試驗驗證了該裝置的有效性。試驗證明，該外熱流模擬裝置能夠在規(guī)定的時間內(nèi)將加熱塊升溫至設(shè)定溫度，并通過溫度控制器控制高頻加熱裝置的開斷，將加熱塊溫度控制在要求的范圍內(nèi)。

[1]吳大方，潘兵，鄭力銘，等.高超聲速飛行器材料與結(jié)構(gòu)氣動熱環(huán)境模擬方法及試驗研究[J].航天器環(huán)境工程，2012，29（3）:250-258.

[2]孫琪.用于水加熱裝置的高頻感應(yīng)加熱電源設(shè)計[D].西安：西安理工大學(xué)，2010.

[3]潘天明.現(xiàn)代感應(yīng)加熱裝置[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1996.

[4]楊祺，張文端，于錕錕，等.基于FLUENT的紅外窗口主動冷卻裝置數(shù)值模擬[J].真空與低溫，2014，21（2）:92-95.

THE STUDY OFHEAT FLUX SIMULATION TESTER FOR SUPER-SPEEDING FLIGHT VEHICLE

YANG Qi，WANG Yang，ZHANGWen-rui，YU Kun-kun，LIU Ning
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Instituteof Physics，Lanzhou730000，China）

This paper introduced the general experimentmethod of simulation system of transientaerodynamic heating.In allusion to the environment condition of some super-speeding flight vehicle，designed and built a suitof heat flux simulation tester for super-speeding slightvehicle based on high frequency heating.The examination proved that the simulation tester simulated the out surface temperature and calefactive state under aerodynamic heating，at the same time the temperature controller changed the temperature to the acceptable range.

Super-Speeding FlightVehicle；aerodynamic heating；simulate；high frequency heating

V461.7

A

1006-7086（2016）01-0039-03

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.01.009

2015-08-17

重點實驗室基金課題（9140C550308140C55014）

楊祺（1983-），女，甘肅省蘭州市人，碩士，主要從事低溫制冷方面的研究。E-mail：qiqi94520@126.com。