結(jié)構(gòu)熱試驗中飛行器進(jìn)氣道加熱方法研究

蘇力德

摘? 要：高超聲速飛行器進(jìn)氣道內(nèi)部形狀復(fù)雜且空間有限，在部分空間傳統(tǒng)石英燈輻射加熱方式無法實施，因此考慮采用高溫?zé)釟饬骷訜岱绞竭M(jìn)行加熱。文章以某型高超聲速飛行器結(jié)構(gòu)熱試驗中進(jìn)氣道內(nèi)部加熱控制方法為例，闡述了高溫?zé)釟饬骷訜岱绞降脑砑皩嵤┓椒ā?/p>

關(guān)鍵詞：進(jìn)氣道加熱;高溫?zé)釟饬?進(jìn)氣道擴(kuò)張段;空氣加熱器

中圖分類號：V216.4? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）06-0121-03

1 概述

高超聲速飛行器的進(jìn)氣道內(nèi)部形狀較為復(fù)雜，分為進(jìn)氣道等直段、進(jìn)氣道擴(kuò)張段等等。進(jìn)氣道擴(kuò)張段前端由于空間限制，無法安裝石英燈加熱器，處于石英燈加熱器的冷區(qū)，因此要達(dá)到結(jié)構(gòu)熱試驗要求的目標(biāo)溫度需要考慮別的加熱方法。

2 進(jìn)氣道加熱方法

在某型高超聲速飛行器結(jié)構(gòu)熱試驗當(dāng)中，進(jìn)氣道擴(kuò)張段由于尺寸限制，僅能沿斜面方向布置1排220mm長燈管，進(jìn)氣道內(nèi)部石英燈加熱器設(shè)計形式如圖1所示。在前兩次調(diào)試試驗中，進(jìn)氣道擴(kuò)張段前端由于位于石英燈加熱器的冷區(qū)，溫度較低，無法達(dá)到試驗要求的目標(biāo)溫度。為滿足試驗要求，將空氣加熱器氣流管道縮短，使用高溫?zé)釟饬鲗υ欣鋮^(qū)位置進(jìn)行加溫，故在進(jìn)氣道擴(kuò)張段采用的是石英燈與高溫?zé)釟饬骰旌霞訜岬姆绞健?/p>

發(fā)動機(jī)艙內(nèi)壁面由于氣流加熱管道通過，空間比較狹小，需將石英燈加熱器的導(dǎo)流條固定在氣流管道外壁，同時為保證與氣流管道絕緣，設(shè)計環(huán)形絕緣瓷套將導(dǎo)流條固定在氣流管道上;絕緣瓷套與氣流管道間需布置一層柔性隔熱材料，防止氣流管道與絕緣瓷套的熱不匹配將絕緣瓷套漲壞。因為石英燈加熱器的導(dǎo)流條為黃銅材質(zhì)，黃銅為銅鋅合金，根據(jù)配比的不同，熔點(diǎn)在900至1000℃之間，在進(jìn)氣道擴(kuò)張段的前端和后端之間也需要布置隔熱材料，以防高溫?zé)釟饬鲗⑹艏訜崞鞯膶?dǎo)流條烤化，進(jìn)而使試驗中石英燈加熱器的加熱功能失效，改進(jìn)后的進(jìn)氣道內(nèi)部加熱形式如圖2所示。

空氣加熱器通過對常溫空氣進(jìn)行逐級加熱進(jìn)而產(chǎn)生熱試驗所需的高溫?zé)釟饬?，在某型全尺寸高超聲速飛行器結(jié)構(gòu)熱試驗當(dāng)中采用的空氣加熱器設(shè)計參數(shù)如下：

流量：1.5kg/s，溫度：常溫～800℃，比熱：0.24kcal/kg·℃，工作壓力：0.8MPa，設(shè)計壓力：1.0MPa，使用電壓：AC 340V。

計算該空氣加熱器加熱功率如下：

P=■×1.25（散熱系數(shù)）=■×1.25=1500kW

式中P為加熱功率（kW），C為介質(zhì)比熱（kcal/kg·℃），m為介質(zhì)重量（kg），△t為升溫（℃），h為加熱時間（h）。

根據(jù)公式計算得到滿足空氣升溫所需的功率為1500kW。因此本次結(jié)構(gòu)熱試驗所需的功率控制單元（可控硅）可提供的功率必須在1500kW以上才可以滿足試驗需求。同理采用上述計算公式可以算出不同熱試驗所需的不同功率，進(jìn)而確定對應(yīng)的功率控制單元（可控硅）的選擇。

空氣加熱器分為三段對常溫空氣進(jìn)行逐級加熱，由下到上分別為預(yù)熱段（常溫～550℃）、升溫段（500～700℃）、恒溫段（650～800℃）。在每一級加熱器內(nèi)部分別設(shè)有一個溫度傳感器，測溫元件為K型熱電偶，將此熱電偶溫度信號變送至試驗控制系統(tǒng)，溫度調(diào)節(jié)通過試驗控制系統(tǒng)完成，從而實現(xiàn)對空氣加熱器的控制。空氣加熱器工作示意圖如圖3所示。

圖3 空氣加熱器工作示意圖

在空氣加熱器出口和試驗件之間設(shè)置氣流旁路，試驗開始前，開啟功率控制單元（可控硅）對空氣加熱器進(jìn)行開環(huán)控制，提前對管道和氣流進(jìn)行預(yù)加熱，在預(yù)熱階段關(guān)閉主通道上設(shè)置的閘閥，將雙向閥開口朝向旁路出口，使預(yù)熱階段的高溫氣流由旁路排出。待空氣加熱器氣流出口溫度升至高于試驗?zāi)繕?biāo)溫度時，開始進(jìn)行正式試驗，將雙向閥開口朝向進(jìn)氣道入口，打開閘閥，使高溫?zé)釟饬饕朐囼灱M(jìn)氣道進(jìn)行加熱。高溫?zé)釟饬骷訜峥刂剖疽鈭D如圖4所示。高溫?zé)釟饬骷訜岈F(xiàn)場如圖5所示。

進(jìn)氣道內(nèi)部溫度在采用高溫?zé)釟饬骷訜嵋欢螘r間后可能會超過給定目標(biāo)溫度，為解決此問題在主通道設(shè)置一路由比例閥控制的常溫空氣。在試驗過程中，若進(jìn)氣道內(nèi)壁溫度超過給定目標(biāo)溫度，通過增加常溫空氣的流量實現(xiàn)對進(jìn)氣道內(nèi)壁面溫度的控制，由控制系統(tǒng)控制比例閥的開度，通過常溫空氣的摻混量來調(diào)整高溫?zé)釟饬鞯臏囟纫詫崿F(xiàn)對進(jìn)氣道內(nèi)壁溫度的控制。在試驗控制程序中，添加一個比例閥控制通道，將通道屬性改為Calculated Output，在通道里編寫比例閥控制程序。比例閥控制程序如圖6所示，圖中C83表示比例閥的開度，C81 Output是進(jìn)氣道等直段內(nèi)壁溫度通道的輸出，變量X1=13V用于限伏。如果高溫?zé)釟饬骷訜岬臏囟龋丛谶M(jìn)氣道等直段內(nèi)壁熱電偶測到的溫度）低于給定目標(biāo)值，則C81 Output為正值，相差越大C81 Output絕對值越大，此時比例閥開度應(yīng)為零，因此程序中要帶有負(fù)號，C83值為負(fù)號則比例閥徹底關(guān)閉;相應(yīng)的若高溫?zé)釟饬骷訜岬臏囟雀哂诮o定目標(biāo)值，C81 Output為負(fù)值，相差越大C81 Output絕對值越大，此時應(yīng)根據(jù)測到的溫度給予比例閥相應(yīng)的開度，若超溫多則開度大，超溫少則開度小，程序中要帶有負(fù)號，C83值為正號則比例閥給予相應(yīng)的開度;通過對比例閥的控制，以此來達(dá)到控制進(jìn)氣道內(nèi)部溫度的效果。

3 結(jié)果分析

本次試驗提出的進(jìn)氣道目標(biāo)溫度為596℃，進(jìn)氣道（即下例中所示的40#溫區(qū)）溫度控點(diǎn)布置在等直段熱氣流入口處內(nèi)壁面，由于熱氣流加熱慣性較大、預(yù)熱時間較長，在試驗正式開始前，空氣加熱器就開始預(yù)熱，在空氣加熱器熱氣流出口溫度達(dá)到750℃時，開始正式試驗。

為觀察整個溫度的熱均勻性，40#溫區(qū)在進(jìn)氣道等直段布置了2個溫度控點(diǎn)40-1#、40-2#，采用極值控制方法選取其中實時溫度高的點(diǎn)作為反饋。由于高溫?zé)釟饬骷訜崽匦裕囼灱郎厮俾饰催_(dá)到任務(wù)書中要求，在第119s時40-1#和40-2#控溫點(diǎn)溫度分別達(dá)到165.9℃和186.9℃，該溫區(qū)在第700s時滯后達(dá)到任務(wù)書要求的目標(biāo)溫度，基本滿足了某型高超聲速飛行器結(jié)構(gòu)熱試驗中提出的對進(jìn)氣道的考核要求。進(jìn)氣道溫區(qū)溫度時間曲線如圖7所示。

參考文獻(xiàn)：

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