艙段結(jié)構(gòu)熱振耦合試驗(yàn)方法

趙旭升，牟讓科

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

1 引 言

高超聲速飛行器在飛行過程中將會(huì)遇到嚴(yán)酷的熱/振載荷環(huán)境，這種熱載荷引起結(jié)構(gòu)間的相互作用，使得準(zhǔn)確分析變得困難。此外，激烈的振動(dòng)環(huán)境很可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)本身或結(jié)構(gòu)的隔熱裝置發(fā)生錯(cuò)位、分離，甚至脫落，影響飛行器正常使用。因此，開展地面試驗(yàn)以模擬真實(shí)的熱振耦合環(huán)境，對(duì)結(jié)構(gòu)的承熱抗振能力進(jìn)行檢驗(yàn)和考核顯得十分必要。熱振耦合試驗(yàn)就是在此背景下發(fā)展起來的結(jié)合熱環(huán)境與振動(dòng)環(huán)境對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行綜合環(huán)境考核的試驗(yàn)方式。

熱振試驗(yàn)主要模擬飛行器在其飛行過程中的氣動(dòng)加熱和振動(dòng)耦合環(huán)境，用以考核飛行器熱結(jié)構(gòu)的動(dòng)強(qiáng)度以及剛度特性和安裝位置上熱、振動(dòng)響應(yīng)特性，確保防熱隔熱結(jié)構(gòu)、機(jī)械連接以及內(nèi)部設(shè)備的熱振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)性。熱振環(huán)境模擬分別通過熱載荷加載系統(tǒng)和振動(dòng)載荷加載系統(tǒng)組合而成，并配合一定的熱、振動(dòng)加載時(shí)序[1]。

2 試驗(yàn)實(shí)施

2.1 試驗(yàn)件支持

振動(dòng)試驗(yàn)中，試驗(yàn)件通過夾具與振動(dòng)臺(tái)剛性連接，設(shè)計(jì)的試驗(yàn)夾具必須具有足夠的剛性，并能將振動(dòng)臺(tái)的激振力正確地傳遞給試驗(yàn)件。在熱振耦合試驗(yàn)中，設(shè)計(jì)的振動(dòng)夾具應(yīng)該在保證剛性足夠的前提下，使得最終通過夾具傳遞到振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的溫度不超過其可承受的溫度上限，通常為100℃。

振動(dòng)試驗(yàn)支持夾具包括5個(gè)部分：左過渡段、左支持段、右過渡段、右支持段以及底座(如圖1所示)。其中，過渡段為鋼件，保證試驗(yàn)夾具具有足夠的剛性；支持段和底座均為鋁件，以減輕試驗(yàn)夾具總體重量，從而避免因試驗(yàn)夾具與試驗(yàn)件過重而導(dǎo)致振動(dòng)臺(tái)無法達(dá)到所需的振動(dòng)量級(jí)。

圖1 振動(dòng)試驗(yàn)支持夾具

2.2 熱載荷及其加載方法

地面熱環(huán)境的模擬，通常采用的加熱裝置是石英燈輻射加熱器[5-7]，其具有功率大、熱慣性小、電控性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于瞬態(tài)氣動(dòng)加熱模擬。試驗(yàn)時(shí)，需要依據(jù)估算的試驗(yàn)加熱功率及試驗(yàn)件外形確定各溫區(qū)石英燈管排布、功率、尺寸。石英燈管排布應(yīng)盡量模擬艙段試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)外形，同時(shí)還需要考慮燈管距試驗(yàn)件表面的距離，在保證加熱能力的前提下，盡可能提高溫度場(chǎng)的均勻性。

由于本次試驗(yàn)振動(dòng)量級(jí)大，溫區(qū)控點(diǎn)熱電偶在試驗(yàn)過程中有脫落風(fēng)險(xiǎn)，影響試驗(yàn)正常進(jìn)行。因此，試驗(yàn)前設(shè)置冗余備份控溫點(diǎn)，若試驗(yàn)過程中有控點(diǎn)脫落，則立即切換至備份控溫點(diǎn)。

2.2.1 試驗(yàn)溫區(qū)劃分及加熱器設(shè)計(jì)

艙體內(nèi)筒段加熱溫區(qū)如圖2所示。溫區(qū)1：艙體內(nèi)筒擴(kuò)張段區(qū)域；溫區(qū)2：艙體內(nèi)筒等直段區(qū)域。試驗(yàn)艙體內(nèi)筒段溫區(qū)需設(shè)計(jì)相應(yīng)內(nèi)加熱器。由于內(nèi)筒段空間小，且需預(yù)留上下振幅空間，因此需嚴(yán)格限制加熱器尺寸；其次由于內(nèi)加熱器電纜接線位置只能位于加熱器一端，因此需將兩段加熱溫區(qū)的導(dǎo)流盤接線柱集成于一端。試驗(yàn)加熱器如圖3所示。

圖2 內(nèi)筒段加熱溫區(qū)

加熱器設(shè)計(jì)原理為，每層導(dǎo)流盤通過安裝盤固定于固定桿上，每層導(dǎo)流盤的接線柱螺接或者焊接于該層導(dǎo)流盤上，并且延伸至加熱區(qū)之外。接線柱穿過其他層導(dǎo)流盤時(shí)，通過絕緣陶瓷管與其他導(dǎo)流盤做絕緣處理。 每層導(dǎo)流盤由內(nèi)及外依次做相同處理。最終各個(gè)加熱區(qū)通過相應(yīng)接線柱連接電纜與各個(gè)溫區(qū)的可控硅設(shè)備連接，從而達(dá)到各個(gè)溫區(qū)單獨(dú)控制的目的。加熱器原理圖如圖4所示。

圖3 內(nèi)筒段加熱器示意圖

圖4 內(nèi)加熱器設(shè)計(jì)原理

艙體外筒段加熱溫區(qū)如圖5所示。溫區(qū)3：艙體外筒下方周向扇形區(qū)域；溫區(qū)4、溫區(qū)5：艙體上方兩側(cè)周向區(qū)域，左右對(duì)稱布置，共2個(gè)溫區(qū)；溫區(qū)6：艙體外筒上方周向扇形區(qū)域。

圖5 外筒段加熱溫區(qū)

根據(jù)試驗(yàn)艙體外筒段結(jié)構(gòu)特征及溫度載荷條件，設(shè)計(jì)出不帶水冷的加熱器，如圖6所示。加熱器外形與試驗(yàn)件嚴(yán)格隨形，保證加熱區(qū)域覆蓋完全且加熱均勻。其中，加熱器是否需要水冷，取決于溫度載荷條件及加熱時(shí)長(zhǎng)。一般情況下，當(dāng)溫度載荷超過700℃，且加熱時(shí)間較長(zhǎng)(超過600s)時(shí)，加熱器需要進(jìn)行水冷。

圖6 外筒段加熱器示意圖

2.2.2 加熱器安裝方式

進(jìn)行熱振耦合試驗(yàn)時(shí)，為避免加熱器受到振動(dòng)影響，加熱器通過支持框架吊裝于振動(dòng)臺(tái)上方，避免與振動(dòng)臺(tái)接觸。加熱器安裝形式如圖7所示。

圖7 加熱器懸吊安裝方式

2.3 振動(dòng)載荷加載方法

熱振耦合試驗(yàn)中，通常采用準(zhǔn)熱振法來開環(huán)控制熱振耦合環(huán)境試驗(yàn)中試驗(yàn)件的振動(dòng)[8]，如圖8所示，其原理為：在常溫條件下，按照試驗(yàn)件高溫條件下的振動(dòng)譜，使用常溫加速度傳感器A進(jìn)行振動(dòng)控制，獲得振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面常溫加速度傳感器B的振動(dòng)響應(yīng)譜；之后去掉A，保留B，將第一步得到的B的振動(dòng)響應(yīng)譜作為高溫?zé)嵴耨詈显囼?yàn)的實(shí)際振動(dòng)控制譜，使用B控制高溫?zé)嵴耨詈显囼?yàn)，此時(shí)試驗(yàn)件的振動(dòng)實(shí)際處于開環(huán)控制的狀態(tài)。

圖8 準(zhǔn)熱振法原理圖

對(duì)于本次試驗(yàn)，控制點(diǎn)選取艙體前、后端框(控制采用兩點(diǎn)平均，控制譜滿足振動(dòng)容差要求)，試驗(yàn)臺(tái)臺(tái)面上布置響應(yīng)點(diǎn)，常溫振動(dòng)得到控制點(diǎn)和響應(yīng)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)譜。正式試驗(yàn)時(shí)，采用試驗(yàn)臺(tái)臺(tái)面響應(yīng)譜作為熱振試驗(yàn)的控制譜。振動(dòng)載荷按照飛行全彈道分為助推段、巡航段和俯沖段3段。

2.4 熱振耦合加載時(shí)序

熱振耦合試驗(yàn)中，按如下試驗(yàn)時(shí)序進(jìn)行正式試驗(yàn)：

(1)0s，助推段振動(dòng)爬升至0dB量級(jí)，同時(shí)開始加載設(shè)備艙內(nèi)筒段和外筒段溫度載荷直到試驗(yàn)結(jié)束；

(2)120s，助推段振動(dòng)結(jié)束，轉(zhuǎn)為巡航段振動(dòng)工況；

(3)140s，巡航段振動(dòng)爬升至0dB量級(jí)；

(4)1460s，巡航段振動(dòng)結(jié)束，轉(zhuǎn)為俯沖段振動(dòng)工況；

(5)1500s，俯沖段振動(dòng)爬升至0dB量級(jí)；

(6)1560s，俯沖段振動(dòng)結(jié)束，停止加熱。

3 試驗(yàn)過程及結(jié)果

正式試驗(yàn)前，確認(rèn)試驗(yàn)件的狀態(tài)及控制、測(cè)量、加熱、振動(dòng)系統(tǒng)均正常后，按預(yù)定加熱曲線進(jìn)行加熱，按預(yù)定振動(dòng)譜加載振動(dòng)載荷。熱振試驗(yàn)過程中振動(dòng)臺(tái)和加熱器均工作正常，現(xiàn)場(chǎng)無異常。試驗(yàn)過程中的照片見圖9。

圖9 試驗(yàn)過程照片

圖10所示為內(nèi)、外筒溫控點(diǎn)控制曲線及反饋值，可以看出，對(duì)于內(nèi)筒段，除升溫段轉(zhuǎn)保溫段反饋曲線略有超調(diào)外，其余時(shí)刻溫度反饋曲線跟隨性良好。對(duì)于外筒段，僅在100s前后有小的振蕩，其余的溫度反饋曲線與控制曲線跟隨性非常好。艙體各加熱溫區(qū)控溫曲線達(dá)到了預(yù)期效果，溫度超調(diào)量極小，控溫精度高，表明試驗(yàn)熱載荷加載方法及加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足試驗(yàn)要求。

(a)內(nèi)筒段

(b)外筒段圖10 各溫區(qū)溫度控制反饋曲線

4 結(jié) 論

本文以某復(fù)雜艙段結(jié)構(gòu)熱振耦合試驗(yàn)為研究對(duì)象，根據(jù)該試驗(yàn)中遇到的技術(shù)難題，在試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)上進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)加熱及振動(dòng)控制均滿足試驗(yàn)要求，試驗(yàn)方案可行性很高。此試驗(yàn)方法的成功運(yùn)用，可以為后續(xù)類似試驗(yàn)提供借鑒和參考。