典型金屬蒙皮結(jié)構(gòu)空氣舵力熱聯(lián)合試驗(yàn)技術(shù)研究

李永瑞，叢琳華，劉寧夫

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西?西安?710065）

空氣舵是控制導(dǎo)彈飛行姿態(tài)的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)之一，同時(shí)也是導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部件之一，與導(dǎo)彈總體氣動(dòng)設(shè)計(jì)直接相關(guān)。通過(guò)操縱空氣舵轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生相應(yīng)的氣動(dòng)力，以控制導(dǎo)彈的飛行姿態(tài)，保證符合靶點(diǎn)彈道設(shè)計(jì)[1]。

高速穿越地球大氣層或在大氣層中巡航飛行時(shí)，空氣舵不僅受氣動(dòng)力、慣性力等多種機(jī)械載荷的作用，還要經(jīng)受非常嚴(yán)酷的氣動(dòng)加熱作用。為保證導(dǎo)彈的安全性和可靠性，必須對(duì)空氣舵結(jié)構(gòu)進(jìn)行地面模擬試驗(yàn)，模擬高速飛行時(shí)的受熱及承載狀況，在熱環(huán)境和力學(xué)環(huán)境耦合作用下分析熱應(yīng)力、熱變形、結(jié)構(gòu)膨脹量等高溫力學(xué)性能參數(shù)的變化對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，觀察結(jié)構(gòu)的受力狀況，進(jìn)一步評(píng)價(jià)其在高溫下的承載能力、使用壽命以及安全可靠性。

1??研究對(duì)象

研究對(duì)象為典型金屬蒙皮骨架結(jié)構(gòu)的導(dǎo)彈空氣舵（采用舵機(jī)艙艙體作為試驗(yàn)件支持段），如圖1所示。在高速飛行過(guò)程中，空氣舵承受氣動(dòng)載荷和氣動(dòng)加熱的作用。氣動(dòng)模擬時(shí)，空氣舵安裝于舵機(jī)艙艙體左側(cè)，舵機(jī)艙處于水平狀態(tài)，空氣舵平行于水平面，將空氣舵可折疊一側(cè)朝下，通過(guò)模擬作動(dòng)器將空氣舵鎖定在零位狀態(tài)。舵機(jī)艙前端框通過(guò)螺栓與支持平臺(tái)連接。

圖1 研究對(duì)象外形

2??載荷模擬

2.1??氣動(dòng)熱載荷模擬

目前，氣動(dòng)熱載荷模擬所使用的熱源手段主要有石英燈、硅碳加熱器、硅鉬加熱器以及石墨加熱器等。硅碳、硅鉬以及石墨等加熱器可以生成溫度更高的熱試驗(yàn)環(huán)境，但是其加熱裝置的升溫速度比較慢且熱慣性大，不適合用于復(fù)雜機(jī)動(dòng)飛行條件下的快速非線性高溫?zé)岘h(huán)境的動(dòng)態(tài)模擬[2]。而石英燈因具有良好的熱性能，具有可控性好、溫度范圍寬、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，因此通常采用石英燈加熱的方式來(lái)滿足高超聲速飛行器氣動(dòng)熱載荷模擬的要求。

在空氣舵上下蒙皮兩側(cè)布置石英燈紅外輻射加熱系統(tǒng)，采用石英燈紅外輻射加熱方式模擬實(shí)際飛行過(guò)程中舵面的氣動(dòng)熱環(huán)境。石英燈紅外輻射加熱系統(tǒng)見圖2。選取舵面蒙皮上靠近前緣位置的特征點(diǎn)作為溫度控制點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度載荷的閉環(huán)控制。

圖2 石英燈紅外輻射加熱系統(tǒng)

2.2??高溫環(huán)境下力載荷的施加方式

結(jié)構(gòu)熱強(qiáng)度試驗(yàn)中的力載荷施加較為困難，一方面力載荷施加裝置與試驗(yàn)件的連接部分在熱環(huán)境中，受熱情況有時(shí)甚至比試驗(yàn)件更嚴(yán)酷，必須按照受熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保證加載裝置的使用功能；另一方面力載荷施加裝置應(yīng)盡量減少對(duì)溫度場(chǎng)的影響，以保證試驗(yàn)?zāi)M的效果[3]。就翼面類結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件而言，高溫環(huán)境下力載荷施加方式主要有托板拉桿、焊接頭、單面推桿以及夾板等4種方式。

針對(duì)金屬蒙皮骨架結(jié)構(gòu)空氣舵的特點(diǎn)和要求，通常選用托板、拉桿方式進(jìn)行力載荷的施加，這種方式加載點(diǎn)位置準(zhǔn)確，載荷模擬準(zhǔn)確度好，加載裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，且可靠性高，試驗(yàn)過(guò)程中不影響試驗(yàn)件變形，適用于各種外形尺寸的試驗(yàn)件。

托板、拉桿加載方式如圖3所示，根據(jù)試驗(yàn)加載點(diǎn)附近區(qū)域結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在避免破壞試驗(yàn)件承載結(jié)構(gòu)的情況下，選擇每個(gè)加載點(diǎn)附近非關(guān)鍵結(jié)構(gòu)區(qū)域開孔，通過(guò)螺栓將托板固定在試驗(yàn)件表面，托板安裝形式如圖4所示，最后通過(guò)拉桿將力傳遞至托板，再由托板傳遞至試驗(yàn)件。各加載點(diǎn)載荷通過(guò)比例杠桿合成或單獨(dú)加載，以滿足載荷的分布要求[4]。

圖3 托板、拉桿加載形式

圖4 托板安裝形式

拉桿加載時(shí)需要穿過(guò)試驗(yàn)件和加熱器，試驗(yàn)件及加熱器的設(shè)計(jì)需要充分考慮試驗(yàn)件變形、熱膨脹等因素的影響，避免加載過(guò)程中由于試驗(yàn)件變形或者破壞使得拉桿破壞加熱器或者拉桿與加熱器連接形成短路。

由于托板直接貼合在空氣舵表面，因接觸傳熱將導(dǎo)致試驗(yàn)件局部溫度降低，因此對(duì)于托板與試驗(yàn)件貼合面布置隔熱棉氈進(jìn)行隔熱處理，同時(shí)增加貼合性，避免因集中力損傷試驗(yàn)件。

3??測(cè)量方式

3.1??溫度測(cè)量

在空氣舵舵芯、舵機(jī)艙艙體及舵軸孔附近等典型位置，布置溫度傳感器，記錄試驗(yàn)過(guò)程中的溫度變化。瞬態(tài)輻射加熱條件下，通常用于測(cè)量結(jié)構(gòu)表面溫度的溫度傳感器有K型（鎳鉻-鎳硅）、T型（銅-康銅）及B型（鉑銠30-鉑銠6）三種類型熱電偶，其中K型熱電偶具有測(cè)溫范圍寬、靈敏度高、壽命長(zhǎng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，是結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)中應(yīng)用最廣的一種熱電偶。一般金屬蒙皮結(jié)構(gòu)的空氣舵多選用K型熱電偶，采用儲(chǔ)能焊的方法將K型熱電偶焊接于空氣舵表面，如圖5所示。

3.2??位移測(cè)量

測(cè)量結(jié)構(gòu)在外載荷作用下的變形，是驗(yàn)證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度、檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的承載能力、評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。通常在空氣舵上選取特征部位，布置位移傳感器記錄加載過(guò)程中的位移數(shù)據(jù)。

圖5 K型熱電偶固定方式

位移測(cè)量方式有接觸式和非接觸式兩種。接觸式位移測(cè)量是采用接觸探頭直接接觸被測(cè)結(jié)構(gòu)，得到結(jié)構(gòu)位移的方法，常用的接觸式位移傳感器有千分表、拉線式位移計(jì)、線性差動(dòng)變壓式位移傳感器等；非接觸位移測(cè)量是以光電、電磁、超聲波等技術(shù)為基礎(chǔ)，在儀器的感受元件不與被測(cè)物體表面接觸的情況下，即可獲取被測(cè)物體的各種外表或內(nèi)在的數(shù)據(jù)特征，常用的非接觸式位移傳感器有激光位移傳感器、數(shù)字圖像相關(guān)法測(cè)量系統(tǒng)等。

接觸式測(cè)量方法具有較高的分辨率和可信度，且技術(shù)發(fā)展得相當(dāng)完善。非接觸式測(cè)量精度大多數(shù)低于接觸式測(cè)量，且價(jià)格較高，在高溫試驗(yàn)中，石英燈加熱產(chǎn)生的紅外光、試驗(yàn)件加熱后冒出的濃煙、試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的高溫等會(huì)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，影響測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性。

綜合考慮測(cè)量精度要求、試驗(yàn)成本以及試驗(yàn)件所處的熱環(huán)境等因素，選用拉線式位移傳感器進(jìn)行位移測(cè)量，如圖6所示。拉線式位移傳感器是把機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成可以計(jì)量、記錄或傳送的電信號(hào)。運(yùn)動(dòng)發(fā)生時(shí)，被測(cè)物體產(chǎn)生位移，拉動(dòng)與其相連接的拉線，拉線帶動(dòng)傳感器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與傳感元件同步轉(zhuǎn)動(dòng)，從而輸出與被測(cè)物體移動(dòng)量成正比的電信號(hào)，測(cè)量輸出信號(hào)得出物體的位移。拉線式位移傳感器具備安裝方便、測(cè)量精度高、抗振動(dòng)和抗沖擊性能好等優(yōu)勢(shì)。

圖6 拉線式傳感器連接鎳鉻絲測(cè)量方法

4??試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，為了消除單側(cè)加載對(duì)艙體產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，在舵機(jī)艙右側(cè)的舵軸孔處安裝空氣舵模擬件，并在模擬件上同步施加與左側(cè)空氣舵相同的載荷。杠桿加載系統(tǒng)、石英燈紅外輻射加熱系統(tǒng)布置見圖7。

圖7 杠桿加載系統(tǒng)、石英燈紅外輻射加熱系統(tǒng)

采用上述空氣舵力熱聯(lián)合試驗(yàn)的相關(guān)技術(shù)，通過(guò)石英燈管輻射加熱的方式模擬實(shí)際飛行過(guò)程中舵面的氣動(dòng)熱環(huán)境，拉板-杠桿的加載方式模擬舵面法向氣動(dòng)載荷，順利完成了超音速巡航導(dǎo)彈可折疊空氣舵在不同飛行狀態(tài)下的力熱聯(lián)合試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程通過(guò)測(cè)力、溫度傳感器采用閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣動(dòng)載荷及溫度載荷的高精度控制。試驗(yàn)氣動(dòng)載荷精度情況見表1，可以看出，載荷控制誤差滿足控制精度要求；試驗(yàn)的溫度控制曲線見圖8，可以看出，溫度的輸入值與輸出值基本吻合，完全滿足試驗(yàn)要求。

表1 試驗(yàn)氣動(dòng)載荷控制精度情況

圖8 溫度控制點(diǎn)基準(zhǔn)及反饋對(duì)比曲線

5??結(jié)論

通過(guò)本試驗(yàn)技術(shù)的研究，形成了一套適合典型金屬蒙皮結(jié)構(gòu)空氣舵地面力熱聯(lián)合試驗(yàn)的技術(shù)和方法：采用石英燈輻射加熱方式模擬空氣舵氣動(dòng)加熱效應(yīng)產(chǎn)生的溫度載荷，采用拉板-杠桿的加載方式模擬空氣舵法向氣動(dòng)載荷。應(yīng)用這套技術(shù)成功進(jìn)行了空氣舵地面模擬試驗(yàn)，全面考核了空氣舵結(jié)構(gòu)在施加溫度場(chǎng)和氣動(dòng)載荷后的綜合響應(yīng)特性，獲得了溫度、位移等有效數(shù)據(jù)，為后續(xù)進(jìn)行類似結(jié)構(gòu)件的地面摸底試驗(yàn)提供了技術(shù)參考。