一种飞行器热防护结构的宽温幅环境模拟试验装置

技术领域

本申请属于飞机强度试验领域，特别涉及一种飞行器热防护结构的宽温幅环境模拟试验装置。

背景技术

随着航空航天事业上的不断发展，对在宽温幅交变环境中工作的复合材料性能的需求日渐急迫。在航空航天领域应用的许多材料是处于宽温幅交变的条件下，其性能变化十分复杂，甚至影响飞行器的正常工作。对于这类复合材料是否能够在这种环境中使用，需要经过试验测试。同时，在很多使用环境是交变温度环境，在这方面的实验研究还很少，特别是急速升降温的宽温幅交变的模拟环境，对研究材料性能有极大的帮助。

此外，在可重复使用的高超声速飞行器的单次飞行包括发射、分离、在轨、再入、着陆等过程，热防护结构经历非常复杂的温度变化，从零下一百多度的低温至一千多度的高温，为了保护飞行器内部设备的正常使用，避免在飞行过程中因过热烧毁，需要对可重复使用的热防护结构进行宽温幅循环试验模拟，以验证热防护结构是否满足可重复使用的高超声速飞行器设计要求。

发明内容

为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种飞行器热防护结构的宽温幅环境模拟试验装置，对飞机座舱盖、风挡玻璃等飞行器热防护结构进行急速宽温幅环境模拟。

本申请提供的飞行器热防护结构的宽温幅环境模拟试验装置，主要包括压缩空气喷嘴、液氮喷嘴、加热器及整体支撑结构；

所述整体支撑结构为筒体结构，自前向后依次包括气流混合段、试验段及排气段；压缩空气喷嘴及液氮喷嘴设置在整体支撑结构的气流混合段，加热器通过加热器支架安装在所述整体支撑结构的试验段上壁板处，试验件固定在所述整体支撑结构的试验段下壁板处；

所述试验件上设置有试验件温度传感器，所述试验件温度传感器连接有温度控制系统，所述温度控制系统被配置成根据试验件温度传感器反馈的温度与需求温度调节压缩空气喷嘴与液氮喷嘴的开关，以及调节所述加热器的输出电压。

优选的是，所述整体支撑结构的试验段下壁板处固定有隔热框，所述隔热框上表面加工有凹槽，用于安装试验件。

优选的是，所述隔热框由刚性隔热材料制成。

优选的是，所述试验件温度传感器粘贴在试验件外表面。

优选的是，所述加热器为多个间隔安装在加热器支架底端的加热元件，加热器位于试验件正上方，多个加热元件占据的总面积比试验件大一倍以上。

优选的是，所述加热器支架具有滑动杆，滑动杆穿过整体支撑结构的筒壁上的开孔后，与整体支撑结构滑动连接，通过移动滑动杆调节加热器支架底端的加热器与试验件之间的距离，该距离被设置为50mm～300mm。

优选的是，所述整体支撑结构的气流混合段在靠近试验段处设置有气流温度传感器，所述气流温度传感器距离气流混合段下表面20mm～30mm。

优选的是，所述温度控制系统被配置成：

当需要降温时，根据试验件温度传感器反馈的温度与需求温度的差值调节压缩空气喷嘴与液氮喷嘴的电磁比例阀，以输出压缩空气与液氮的混合气流至整体支撑结构内，对试验段中的试验件进行降温；

当需要升温时，根据试验件温度传感器反馈的温度与需求温度的差值调节所述加热器的输出电压，以输出热流对试验件进行升温。

本申请满足了急速宽温幅模拟试验需求，模拟精度高，温幅宽，装置简单，可靠性高，成本低廉。

附图说明

图1是本申请飞行器热防护结构的宽温幅环境模拟试验装置的一优选实施方式的装置整体结构示意图。

图2为试验控制链路示意图。

图3为典型的宽温幅模拟循环曲线示意图。

其中，1-压缩空气喷嘴，2-液氮喷嘴，3-加热器支架，4-加热器，5-整体支撑结构，6-试验件，7-试验件温度传感器，8-隔热框，9-气流温度传感器。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

本申请提供了一种飞行器热防护结构的宽温幅环境模拟试验装置，如图1-图3所示，主要包括压缩空气喷嘴1、液氮喷嘴2、加热器4及整体支撑结构5；

所述整体支撑结构5为筒体结构，自前向后依次包括气流混合段、试验段及排气段；压缩空气喷嘴1及液氮喷嘴2设置在整体支撑结构5的气流混合段，加热器4通过加热器支架3安装在所述整体支撑结构5的试验段上壁板处，试验件6固定在所述整体支撑结构5的试验段下壁板处；

所述试验件6上设置有试验件温度传感器7，所述试验件温度传感器7连接有温度控制系统，所述温度控制系统被配置成根据试验件温度传感器7反馈的温度与需求温度调节压缩空气喷嘴1与液氮喷嘴2的开关，以及调节所述加热器4的输出电压。

本申请中，整体支撑结构5为试验平台的基础框架，其构建了试验通道，试验件在该试验通道中进行温度升降控制，该装置可用于飞行器上的复合材料，在地面疲劳验证试验中的宽温幅循环模拟，压缩空气喷嘴1及液氮喷嘴2分别连接压缩空气罐及液氮罐，通过压缩空气喷嘴1与液氮喷嘴2的喷出的干空气与液氮混合后的低温流体实现降温模拟，利用加热器4的石英灯加热实现升温模拟，通过试验件温度传感器7的温度反馈实现可控温度的高效宽温幅循环模拟。

对于上述实施例公开的宽温幅环境模拟试验方法，领域内技术人员可以理解的是，因大部分材料对短波辐射吸收效果较好，基于辐射加热的加热器4完全可以实现100kW/m

c

式中：c

通过混合气流对试验件进行降温，对流冷却计算使用公式(2)进行计算：

q

式中：h为对流传热系数，根据经验，其一般为20～100W/(m

在一些可选实施方式中，所述整体支撑结构5的试验段下壁板处固定有隔热框8，所述隔热框8上表面加工有凹槽，用于安装试验件6。

在一些可选实施方式中，所述隔热框8由刚性隔热材料制成。

该实施例中，隔热框8用于降低试验件6向整体支撑结构5的热量传递，维持试验件6的热边界条件，保证温升及温降的速率，降低环境干扰。

在一些可选实施方式中，所述试验件温度传感器7粘贴在试验件6外表面。

该实施例中，试验件温度传感器7粘贴在试验件6外表面，用于获取粘贴位置的温度，也可以根据实际需要，在试验件6内表面粘贴温度传感器，备选实施方式中，试验件温度传感器7也可以通过其他方式固定在试验件6表面，例如螺栓连接、卡接等。试验件6一般为正方形，其边长尺寸可以是50mm～150mm，具体可以是100mm，厚度可以是3mm～25mm，具体可以是15mm。

在一些可选实施方式中，所述加热器4为多个间隔安装在加热器支架3底端的加热元件，加热器4位于试验件6正上方，多个加热元件占据的总面积比试验件6大一倍以上。

参考图1，加热器4的加热元件轴线方向与图1的纸面垂直，并沿所述试验件6的水平方向排列设置，为了保证加热均匀性，加热器4的加热元件轴向长度、加热元件横向排布尺寸所构建的矩形区域比试验件6大1倍以上。

在一些可选实施方式中，所述加热器支架3具有滑动杆，滑动杆穿过整体支撑结构5的筒壁上的开孔后，与整体支撑结构5滑动连接，通过移动滑动杆调节加热器支架3底端的加热器4与试验件6之间的距离，该距离被设置为50mm～300mm。

参考图1，所述加热器支架3包括底部平台及位于底部平台两侧的两个滑动杆，滑动杆可以是螺杆，螺杆底端为光杆，光杆转动连接在加热器支架3底部平台上，对应的，整体支撑结构5的筒壁上的开设有螺纹孔，同步转动两个滑动杆，即可实现的底部平台在整体支撑结构5内部的上下移动，进而带动加热器4上下移动，以根据加热需求调节加热器4到试验件6外表面的距离，该距离一般为50mm～300mm，具体可以是150mm。

在一些可选实施方式中，所述整体支撑结构5的气流混合段在靠近试验段处设置有气流温度传感器9，所述气流温度传感器9距离气流混合段下表面20mm～30mm。例气流温度传感器9距离气流混合段下表面20mm，用于获取低温流体的温度。

在一些可选实施方式中，所述温度控制系统被配置成：

当需要降温时，根据试验件温度传感器7反馈的温度与需求温度的差值调节压缩空气喷嘴1与液氮喷嘴2的电磁比例阀，以输出压缩空气与液氮的混合气流至整体支撑结构5内，对试验段中的试验件6进行降温；

当需要升温时，根据试验件温度传感器7反馈的温度与需求温度的差值调节所述加热器4的输出电压，以输出热流对试验件6进行升温。

参考图2及图3，利用试验件温度传感器7的温度反馈，温度控制系统根据宽温幅循环的温度曲线，确定试验件6需要升温还是降温，如果需要降温则控制两个电磁比例阀的开度利用试验件温度传感器7反馈温度调节至合适开度，实现随图3所示曲线的降温。如果是需要升温则关闭两个电磁比例阀，通过调节电源的输出电压，控制加热器4的输出热流，从而实现随图3所示曲线的升温。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。