一种等离子体气动加热与辐射加热的耦合加热装置

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，尤其是涉及一种等离子体气动加热与辐射加热的耦合加热装置。

背景技术

航天飞行器在高速飞行过程中，热防护材料承受严重的气动加热和辐射加热；速度较低时气动加热起主要作用，但随着速度的提高，辐射加热逐渐明显起来；再入飞行器高速再入大气层，头部高温激波层向后掠过，对防护罩形成辐射加热，这样，热防护层同时接受气动对流加热和辐射加热，二者热流率比例随飞行器的速度和高度变化；星际探测器返回舱以第二宇宙速度进入地球大气层，辐射加热量在局部轨道段可占到总加热量的三分之一以上；辐射热不仅可导致防护材料内部热的分解，更可穿过防护材料传导至飞行器内部，影响仪器和人员的安全。

因此，对高超声速飞行器结构和材料进行防隔热考核研究，开发出一种等离子体气动热流和辐射热流的耦合加热装置在进行航天气动热领域的复合防热材料地面考核试验对发展深空探测、星际旅行及高超声速武器战略上具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种等离子体气动加热与辐射加热的耦合加热装置，该等离子体气动加热与辐射加热的耦合加热装置能够模拟航天飞行器在飞行过程中热防护层所承受的热环境；

本发明提供的一种等离子体气动加热与辐射加热的耦合加热装置，其特征在于，包括：

第一热量反射机构，设置在使用地；

第二热量反射机构，与第一热量反射机构呈对称设置；

等离子体加热设备，设置在第一热量反射机构和第二热量反射机构之间，并位于靠近第一热量反射机构位置处；

辐射加热设备，设置在等离子体加热设备和第二热量反射机构之间。

根据另外的实施方式，第一热量反射机构和第二热量反射机构分别为第一凹面镜和第二凹面镜；

其中，等离子体等离子体加热设备和辐射加热设备之间具有第一凹面镜的焦点。

根据另外的实施方式，等离子体加热设备的中心线上具有第一凹面镜和第二凹面镜的焦点。

根据另外的实施方式，还包括用于调节透光率的格珊挡板，格栅挡板位于焦点与辐射加热设备之间。

根据另外的实施方式，格珊挡板包括：

支架，设置在使用地；

光束调节机构，设置在支架上。

根据另外的实施方式，光束调节机构包括：

驱动机构，与支架相连；

若干扇叶轴，一端与驱动机构转动连接，另一端与外框转动连接。

根据另外的实施方式，驱动机构包括：

电机，设置在使用地；

转轴，与电机相连，转轴沿径向方向设有若干传动槽；

若干摇把，具有与传动槽相适配的凸起；

内框，套设在转轴上，并与转轴转动连接；内框沿径向方向设有若干通孔，若干摇把通过通孔与内框转动连接；

其中，扇叶轴沿内框的径向方向设置，扇叶轴一端与通孔位置处的摇把连接，扇叶轴的另一端与外框连接。

根据另外的实施方式，等离子体加热设备为直流电弧等离子体发生器、交流电弧等离子体发生器、高频等离子体发生器或燃气流加热器。

根据另外的实施方式，辐射加热设备为点光源。

根据另外的实施方式，点光源为石英灯、电加热炭棒或弧光灯。

技术效果：

本发明通过设置第一热量反射机构、第二热量反射机构、等离子体加热设备和辐射加热设备；该第二热量反射机构与第一热量反射机构呈对称设置；等离子体加热设备设置在第一热量反射机构和第二热量反射机构之间，并位于靠近第一热量反射机构位置处；辐射加热设备设置在等离子体加热设备和第二热量反射机构之间；与现有技术相比，通过利用等离子体加热器为试样件提供气动热源，由于试样件靠近等离子体加热器，同时位于第一热量反射机构的焦点处；辐射加热器位于第二热量反射机构的焦点处，辐射加热器产生辐射热流经第二热量反射机构反射至第一热量反射机构，第一热量反射机构再将辐射热流反射集中在试样件表面，从而实现试样件的对流和辐射耦合加热，以模拟航天飞行器在飞行过程中热防护层所承受的热环境，进而完成对高超声速飞行器结构和材料的防隔热考核，最终避免航天飞行器在实际高速飞行过程中热防护层因材料内部热分解而出现飞行器内部仪器不能正常工作和人员安全的问题发生。

社会效果：本发明通过设置第一热量反射机构、第二热量反射机构、等离子体加热设备和辐射加热设备；该第二热量反射机构与第一热量反射机构呈对称设置；等离子体加热设备设置在第一热量反射机构和第二热量反射机构之间，并位于靠近第一热量反射机构位置处；辐射加热设备设置在等离子体加热设备和第二热量反射机构之间；与现有技术相比，可以推动我国航空航天技术领域的发展，并且对高超声速飞行器结构和材料在发展深空探测、星际旅行及高超声速武器战略上具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种等离子体气动加热与辐射加热的耦合加热装置的原理示意图；

图2为本发明中格栅挡板的主视方向结构示意图；

图3为本发明中一个扇叶轴的光束调节机构的西南等轴侧方向结构示意图；

图4为本发明中一个扇叶轴的光束调节机构的侧视方向结构示意图；

图5为本发明中一个扇叶轴的光束调节机构的主视方向结构示意图；

图6为本发明中一个扇叶轴的光束调节机构的俯视方向结构示意图；

图7为图6中A-A方向的剖视图。

附图标记说明：

1、第一热量反射机构；

2、第二热量反射机构；

3、等离子体加热设备；

4、辐射加热设备；

5、焦点；

6、格珊挡板；61、支架；62、光束调节机构；621、驱动机构；6211、电机；6212、转轴；62121、传动槽；6213、摇把；62131、凸起；6214、内框；62141、通孔；622、扇叶轴；623、外框。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图7所示，本发明提供的一种等离子体气动加热与辐射加热的耦合加热装置，包括第一热量反射机构1、第二热量反射机构2、等离子体加热设备3和辐射加热设备4，该第一热量反射机构1设置在使用地；在实际使用中，第一热量反射机构1起到的是接收第二热量反射机构2反射出的辐射热并将该辐射热集中后反射至在试样件表面的作用，从而实现试样件的对流和辐射耦合加热。

第二热量反射机构2，与第一热量反射机构1呈对称设置；在实际使用中，通过设置第二热量反射机构2以便后续的热量耦合；

等离子体加热设备3，设置在第一热量反射机构1和第二热量反射机构2之间，并位于靠近第一热量反射机构1位置处；在实际使用中，将试样件放置在辐射加热设备4靠近等离子体加热设备3位置处，便于等离子体加热设备3对试样件进行加热，并便于后续的热量耦合；

辐射加热设备4，设置在等离子体加热设备3和第二热量反射机构2之间；在实际使用中，通过设置辐射加热设备4以将气动热源提供至试样件；

具体的，第一热量反射机构1和第二热量反射机构2分别为第一凹面镜和第二凹面镜，第一凹面镜的焦点5位于等离子体加热设备3和辐射加热设备4之间；在实际使用中，由于凹面镜具有聚光作用，通过第一凹面镜和第二凹面镜的设置，将试样件设置在第一凹面镜的焦点5处以实现上述的热量耦合；作为一种可选的实施方式，第一凹面镜的外边缘直径为3.0m，球冠半径为4m；第二凹面镜的外边缘直径与第一凹面镜一致，二者均为3m，球冠半径为3m，第一凹面镜和第二凹面镜的轴线重合，二者焦点相距3.5m；然而应当理解，也可以通过其他适合的方式以及装置来实现上述的热量耦合作用；

需要说明的是，作为一个可选的实施方式，第一凹面镜和第二凹面镜的反射镜面可以为镀银或镀铝玻璃材质的，当然，也可以为铝抛光或者涤纶薄膜镀铝等其他材料制成的镜面；其中，

第一凹面镜和第二凹面镜的焦点均落在等离子体加热设备3的中心线上；在实际使用中，通过上述设置，可以便于减少辐射加热器被第一热量反射机构1和第二热量反射机构2的热量散失，以对试样件实现更好的耦合加热效果；

另外，为调节辐射热流穿过率，以实现调解试样件表面辐射热流密度的效果，本发明提供的一种等离子体气动加热与辐射加热的耦合加热装置还包括格栅挡板，该格栅挡板用于调节透光率，格栅挡板位于焦点5与辐射加热设备4之间；其中，

格珊挡板6包括支架61和光束调节机构62，该支架61设置在使用地；光束调节机构62设置在支架61上；在实际使用中，支架61起到的是支撑光束调节机构62的作用，以便于光束调节机构62的安放；

具体的，光束调节机构62包括驱动机构621、若干扇叶轴622和外框623，该驱动机构621与支架61相连；若干扇叶轴622(图2中示出了12个扇叶轴622)的一端与驱动机构621转动连接，另一端与外框623转动连接；在实际使用中，驱动机构621用于驱动扇叶轴622转动，以调节扇叶的开合，进而实现上述透光率的调节；

而后，驱动机构621包括电机6211、转轴6212、若干摇把6213和内框6214；该电机6211设置在使用地；转轴6212与电机6211相连，转轴6212沿径向方向设有若干传动槽62121；若干摇把6213具有与传动槽62121相适配的凸起62131；内框6214套设在转轴6212上，并与转轴6212转动连接；内框6214沿径向方向设有若干通孔62141，若干摇把6213通过通孔62141与内框6214转动连接；其中，扇叶轴622沿内框6214的径向方向设置，扇叶轴622一端与通孔62141位置处的摇把6213连接，扇叶轴622的另一端与外框623连接；在实际使用中，电机6211优选为步进电机6211，以便于精准的控制扇叶的开合角度，进而更精准的调节透光率；具体地说，电机6211是和转轴6212连接的，当电机6211转动时，即带动转轴6212转动，转轴6212转动时即带动与传动槽62121相适配的凸起62131转动，由于若干摇把6213通过通孔62141与内框6214转动连接的，且扇叶轴622与通孔62141位置处的摇把6213连接，因此，当凸起62131转动时，即可带动扇叶轴622实现转动，进而完成扇叶的开合；根据本发明，驱动机构621还可以为其他适合的类型，只要能实现上述透光率的调节即可；其中，

等离子体加热设备3为直流电弧等离子体发生器、交流电弧等离子体发生器、高频等离子体发生器或燃气流加热器；应当理解，直流电弧等离子体发生器、交流电弧等离子体发生器、高频等离子体发生器或燃气流加热器仅作为优选；

需要说明的是，作为一个可选的实施方式，等离子体加热器功率为50KW—1MW；具体地说，在实际使用中，可以采用1MW量级的气动加热器作为上述的高频等离子体发生器，并由高频电源供电，以使产生的高温电离气体经喷出后对试样件进行气动加热；

具体的，辐射加热设备4为点光源；在实际使用中，将辐射加热设备4为点光源可以减少第一热量反射机构1和第二热量反射机构2反射热量的散失，进而使得热量更加集中进行反射以更好的实现上述耦合；

而后，点光源为石英灯、电加热炭棒或弧光灯；需要说明的是，石英灯、电加热炭棒或弧光灯为现有的，为节省篇幅，在此不作赘述。

需要说明的是，作为一个可选的实施方式，辐射加热设备4的功率为5KW—500KW；

本发明通过利用等离子体加热器为试样件提供气动热源，由于试样件靠近等离子体加热器，因此可以使得试样件实现等离子体启动加热，同时将试样件设置在第一热量反射机构的焦点处，以便于后续辐射即热；辐射加热器位于第二热量反射机构的焦点处，辐射加热器产生辐射热流经第二热量反射机构反射至第一热量反射机构，第一热量反射机构再将辐射热流反射集中在试样件表面，从而实现试样件的对流和辐射耦合加热，以模拟航天飞行器在飞行过程中热防护层所承受的热环境，进而完成对高超声速飞行器结构和材料的防隔热考核，最终避免航天飞行器在实际高速飞行过程中热防护层因材料内部热分解而出现飞行器内部仪器不能正常工作和人员安全的问题发生。

需要说明的是，在本发明中，试样件是指待检测的高超声速飞行器结构和材料，使用时设置与焦点5位置处。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。