CN101907422A - 导弹高温气动热模拟试验红外辐射热流密度增强装置 - Google Patents

Abstract

导弹高温气动热模拟试验红外辐射热流密度增强装置，包括石英灯加热阵列、风机、变频调速器、石英玻璃气流隔离板、高温辐射试验件、水冷箱、热流传感器、温度传感器与计算机。由石英玻璃气流隔离板组成单向气流导向隔离通道，通过风机的电动机带动导流扇叶高速旋转形成单向强气流，在模拟导弹高超音速飞行的高温瞬态气动热试验中，强气流流过处于隔离通道中的石英灯加热阵列的表面，使其温度降低到石英玻璃的软化温度之下。本发明在热强度试验时导弹高温辐射试验件的表面接收到的热流密度超过了未进行风冷时的1Mw/m²的限制，瞬时热流密度可以达到2Mw/m²。为研制飞行速度更快的高超音速导弹提供了更加有效的动态热辐射高温试验手段。

Description

导弹高温气动热模拟试验红外辐射热流密度增强装置

技术领域

本发明涉及导弹高温气动热模拟试验红外辐射热流密度增强装置。特别是在模拟导弹高超音速飞行试验的气动加热环境时，该试验装置将瞬时辐射热流密度提高至2Mw/m2。为研制飞行速度更快的高超音速导弹提供有效的高温试验手段。

背景技术

出于突防、反导、高空高速侦察等方面的需要，导弹等飞行器的飞行速度越来越快，防空导弹与空-空导弹的飞行马赫马赫数已超过6个马赫数，弹翼前缘和导弹前端天线罩锥部的瞬时热流密度高达1.2Mw/m2以上，驻点温度将超过1200℃。严重的气动加热所产生的高温，会降低材料的强度极限和飞行器结构的承载能力，使结构产生热变形，破坏部件的气动外形并影响飞行器的安全飞行。为保证高速飞行器的安全，确认飞行器的材料和结构是否能经得起高速飞行时所产生的热冲击及高温热应力破坏，必须对高速飞行器材料和结构进行气动模拟试验与热强度试验。模拟飞行材料和结构在高速飞行时的受热状态，观察分析在热环境和力学环境作用下材料的力学性能及结构的受力状况，从而进一步研究分析结构在高温下的承载能力，该项工作对于导弹飞行器的热防护与安全设计具有非常重要的实际意义。

气动热模拟试验的方法一般有“非对流方式”，和“对流方式”两类。

由于代表“对流方式”的风洞试验，在高温高速条件下的试验成本极为昂贵，每次试验的费用最少需要几十万元人民币，多则需要数百万元以上。因此，试验成本相对较低的代表“非对流方式”石英加热器红外辐射气动热模拟试验技术包括美国、俄罗斯、德国、以色列和中国等国家现都在使用。

石英加热器的外壁采用可透红外光线，且高温软化温度为1600℃的石英玻璃。由于试验时加热器与被加热的导弹高温辐射试验件(导弹高温辐射试验件通常由陶瓷和碳纤维复合材料制成)有一段距离，作为发热源的加热器的温度要高于被加热的试验件表面温度。因此，当距离加热器有50-100mm远的试验件表面温度达到1100℃时，作为热源的加热器表面温度将会接近石英玻璃的软化温度1600℃，引起石英加热器的真空封闭泄漏，进而造成钨制灯丝高温氧化烧毁。一般使用石英加热器红外辐射热源加热导弹高温辐射试验件，其热流密度要小于1Mw/m2。

目前由于高速导弹其设计飞行速度达到6-8马赫数甚至更高。弹翼前缘和弹头尖端驻点部的热流密度都会超过1.2Mw/m2。导弹设计部门极为希望导弹高温气动热试验中导弹试验件所接受的红外辐射的热流密度能进一步的提高。为此设计一种导弹高温气动热试验红外辐射热流密度增强装置。使其能够在高速飞行器热强度试验时红外辐射的热流密度超过1Mw/m2，瞬时热流密度达到2Mw/m2。为飞行速度更快的高超音速导弹的研制提供必要的试验手段。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种导弹高温气动热模拟试验红外辐射热流密度增强装置，该装置能够使现有的石英加热器红外辐射热试验装置的辐射热流密度得到提高，为进行飞行速度更快的高超音速导弹的气动热热模拟试验提供辐射热流更强的试验手段。

本发明的技术解决方案是：导弹高温气动热模拟试验红外辐射热流密度增强装置，包括：石英灯加热阵列、风机、变频调速器、石英玻璃气流隔离板、高温辐射试验件、绝热框架、水冷箱、热流传感器、温度传感器与计算机；所述石英灯加热阵列位于由四块透明的石英玻璃气流隔离板组成单向气流导向隔离通道内，隔离通道使高速气流不能直接扩散到高温辐射试验件的表面，但石英灯加热阵列发出的高温红外辐射光可以穿过透明的石英玻璃气流隔离板直接照射到高温辐射试验件的表面上，在使高温辐射试验件的表面能够吸收高强度的红外辐射热流的同时，隔离高速气流的扩散对高温辐射试验件的表面的影响；在石英玻璃气流隔离板的两侧安装有水冷箱，水冷箱上焊有成对的冷却水通道，水冷箱和冷却水通道形成流动的冷却水循环通路；高温辐射试验件的四周安装有绝热框架；高温辐射试验件的近旁安装有热流传感器，热流传感器的前端与高温辐射试验件的受热面处于同一垂直面上；高温辐射试验件的后表面上安装有温度传感器，热流传感器和温度传感器通过导线与计算机连接，两个传感器采集导弹高温气动热模拟试验过程中的辐射热流和反映高温辐射试验件背面隔热效果的温度数据后送入计算机存储，供后续处理使用；风机位于石英灯加热阵列的下端，并安装在与地面连接的支架上；石英灯加热阵列发出的红外辐射光线照射到导弹的高温辐射试验件，模拟导弹高速飞行时弹头、弹体和弹翼等部件表面所受到的动态气动加热环境，风机的电动机带动导流扇叶高速旋转，形成向上的气流，高速气流流过石英灯加热阵列的外表面，带走部分石英灯表面的热量，使石英灯加热阵列表面的温度下降到石英玻璃的的软化温度以下的1400℃，石英灯加热阵列可以继续安全工作。

所述装置还安装了变频调速器，所述变频调速器对风机的电动机进行无极调速，试验时可根据导弹飞行过程中所处的热流环境的强弱，方便地调整和控制流过石英灯加热阵列外表面的风速和流量，不使石英灯加热阵列外表面的温度由于风速太大而降得过低，尽可能地发挥石英灯加热阵列的高温辐射效率。

所述石英灯加热阵列为双排石英灯加热阵列，两排石英灯加热阵列交错安置，使后面一排石英灯加热阵列发出的红外辐射光线正好从前面一排石英灯加热阵列的缝隙之间穿过，双排石英灯加热阵列交错安放方式大大增强了被照射的导弹试验件前表面的辐射热流密度。

所述高温辐射试验件的表面涂成黑色，最大限度地吸收石英灯加热阵列发出的辐射热流。

所述风机安装在与地面连接的U型支架上，风机的下端面与地面有50cm以上的距离，形成开放的空间环境，保证风机进风通路顺畅。

所述高温辐射试验件相对一侧的水冷箱表面被磨光成镜面反射面，可将石英灯加热阵列向高温辐射试验件另外一侧辐射的红外光线反射到高温辐射试验件的前表面，提高石英灯加热阵列的辐射效率。

本发明的原理：由于导弹等飞行器的飞行速度越来越快，严酷的试验环境条件已超过了现在使用的由石英灯加热器组成的导弹高温气动热红外辐射试验装置的极限。为了提高石英灯加热装置的热辐射能力，设计了由耐高温的，并且能透过红外光线的石英玻璃气流隔离板组成单向气流导向隔离通道，通过风机的电动机带动导流扇叶高速旋转形成单向强气流。使强气流流过隔离通道中的石英灯加热阵列的表面，将作为热源的石英灯表面温度降低到石英玻璃的软化温度1600℃以下。同时利用石英玻璃气流隔离板能透过红外光线的特性，使石英灯加热阵列发出的强辐射红外光线能够通过透明的石英玻璃气流隔离板直接照射到高温辐射试验件上。由于石英玻璃气流隔离板的阻隔，高速气流不能扩散到高温辐射试验件的表面对其产生动态干扰。该项技术使石英灯加热试验装置能够辐射出热流密度更强的红外光线而不被烧毁，热辐射能力超过了原来的使用极限。热强度试验时导弹高温辐射试验件表面接收到的热流密度超过未进行风冷时的1Mw/m2的限制，瞬时热流密度可以达到2Mw/m2。为研制飞行速度更快的高超音速导弹提供了更加有效的高温动态热辐射试验手段。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)在模拟导弹高超音速飞行的高温瞬态气动热试验中，设计了由四块透明的耐高温石英玻璃气流隔离板组成气流导向隔离通道，通过风机的电动机带动导流扇叶高速旋转形成强气流。单向强气流流过处于隔离通道中的石英灯加热阵列的表面，带走部分石英灯表面的热量，使石英灯加热阵列表面的温度下降。因石英玻璃的高温软化温度为1600℃，只要通过变频调速器调整电动机的转速和通风量，使石英灯加热阵列表面的温度下降到1400℃以下时，石英灯加热阵列就可以安全地正常工作。由四块石英玻璃气流隔离板形成防止气流扩散的单向导流通道，使高速气流不能直接扩散到高温辐射试验件的表面，但石英灯加热阵列发出的高温红外辐射光可以穿过透明的石英玻璃气流隔离板直接照射到高温辐射试验件的表面上。在使高温辐射试验件的表面能够吸收高强度的红外辐射热流的同时，又隔离了高速气流的扩散对高温辐射试验件的表面的影响。因此，只要石英灯加热阵列表面的温度被高速气流降到石英玻璃的高温软化温度以下，石英灯加热阵列就可以通过提升高供电电压辐射出更多的热流到达高温辐射试验件的表面上。高温辐射试验件的表面涂成黑色，最大限度的吸收石英灯加热阵列发出的辐射热流。该项技术使石英灯加热阵列的辐射能力超过了原来的使用极限，能够辐射出热流密度更强的红外光线，在高速飞行器热强度试验时高温辐射试验件的表面接收到的辐射热流密度超过了未进行风冷时的1Mw/m2的限制，瞬时热流密度可以达到2Mw/m2。为研制飞行速度更快的高超音速导弹提供了更加有效的动态高温热辐射试验手段。

(2)为了使导弹辐射试验件前表面的瞬态照射热流密度尽可能的增加，设计安装了双排的石英灯加热阵列，两排石英灯加热阵列交错安置，使后面一排石英灯加热阵列发出的红外辐射光线正好从前面一排石英灯加热阵列的缝隙之间穿过，双排石英灯加热阵列的交错安放方式比起常规的单排加热阵列方式其加热能力有显著的提高，大大增强了被照射的导弹试验件前表面的辐射热流密度。

(3)由于石英加热器的外壁采用可透红外光线，高温软化温度为1600℃的石英玻璃。因此试验中只要使石英加热器外表面的温度低于1400℃就可安全工作。本发明安装了变频调速器，对风机的电动机进行无极调速，试验时可根据导弹飞行过程中所处的热流环境的强弱，方便地调整和控制流过石英灯加热阵列外表面的风速和通风量。不使石英加热器外表面的温度由于风速太大而降得过低，尽可能地发挥并提高石英灯加热阵列的高温辐射效率。

(4)本发明装置结构简洁，使用方便，为导弹等高超音速飞行器的高温热强度校核与安全设计提供了辐射能力更强的地面试验手段。具有重要的军事工程应用价值。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的结构俯视示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明由石英灯加热阵列1、风机2、变频调速器3、石英玻璃气流隔离板4、高温辐射试验件5、绝热框架6、水冷箱7、热流传感器8、温度传感器9与计算机10组成。石英灯加热阵列1由导电性能良好的扁平铜排将石英灯的电极固定连接，形成一个水平放置的密集排列平面体，石英灯加热阵列1安置于由四块透明的石英玻璃气流隔离板4组成的单向气流导向隔离通道内，石英灯加热阵列1发出的红外辐射光线照射到导弹的高温辐射试验件5上，模拟导弹高速飞行时弹头、弹体或弹翼等部件表面所受到的动态气动加热环境。风机2位于石英灯加热阵列1的下端，风机2的电动机11带动导流扇叶12高速旋转，形成向上的气流。高速气流流过石英灯加热阵列1时，带走部分石英灯表面的热量，使石英灯加热阵列1表面的温度下降。因石英玻璃的高温软化温度为1600℃，只要通过变频调速器3调整电动机11的转速和通风量，使石英灯加热阵列1表面的温度下降到1400℃以下时，石英灯加热阵列1就可以安全地正常工作。由四块石英玻璃气流隔离板4形成防止气流扩散的气流隔离区域，形成单向导流通道，使高速气流不能直接扩散到高温辐射试验件5的表面，但石英灯加热阵列1发出的高温红外辐射光可以穿过透明的石英玻璃气流隔离板4直接照射到高温辐射试验件5的表面上。在使高温辐射试验件5的表面能够吸收高强度的红外辐射热流的同时，又隔离了高速气流的扩散对高温辐射试验件5的表面的影响。高温辐射试验件5的表面涂成黑色，最大限度的吸收石英灯加热阵列1发出的热流。因此，只要石英灯加热阵列1表面的温度被高速气流降到石英玻璃的高温软化温度以下，石英灯加热阵列1就可以通过提升高供电电压辐射出更多的热流到达高温辐射试验件5的表面上，提高了导弹高温气动热试验装置辐射热流的能力。为进行飞行速度更快的高超音速导弹地面高温气动热热模拟试验提供了重要的试验手段。

为减少试验时高温辐射试验件5向四周外边界的热扩散，高温辐射试验件5的四周安装有由导热系数很低(低于0.082W/m.℃)的多孔隙轻质陶瓷材料制成的绝热框架6。由于高温辐射试验件5的表面瞬时热流密度可达2Mw/m2，石英灯加热阵列1的两侧安装有由不锈钢板焊接成的水冷箱7，水冷箱7上焊有成对的冷却水通道13，在导弹高温气动热模拟试验时通过水冷箱7和冷却水通道13形成流动的冷却水循环通路，水冷箱7阻隔了石英灯加热阵列1发出的辐射热流和上千度的高温向远处扩散。图1中的右侧水冷箱7的表面被磨光成镜面反射面14，可将石英灯加热阵列1向高温辐射试验件5另外一侧辐射的红外光线反射到高温辐射试验件5的前表面，提高石英灯加热阵列1的辐射效率。高温辐射试验件5的近旁安装有热流传感器8，热流传感器8为圆箔敏感型热流传感器，热流传感器8前端与高温辐射试验件5的受热面处于同一垂直面上，由陶瓷和碳纤维复合材料制成的高温辐射试验件5的后表面上安装有温度测量范围可高至1800℃的由双铂铑材料制成的温度传感器9，圆箔敏感型热流传感器8和温度传感器9通过导线与计算机10相连接，采集导弹高温气动热模拟试验过程中的辐射热流和反映高温辐射试验件5背面隔热效果的温度数据。风机2安装在与地面连接的U型支架15上，风机2的下端面与地面有50cm以上的距离，形成一个开放的空间环境，保证风机2进风通路的顺畅。

总之，导弹高温气动热模拟试验红外辐射热流密度增强装置，由四块透明的软化温度为1600℃的耐高温石英玻璃气流隔离板4组成单向气流导向隔离通道，通过风机2的电动机11带动导流扇叶12高速旋转形成单向强气流。在模拟导弹高超音速飞行的高温瞬态气动热冲击试验中，单向强气流高速流过处于隔离通道中的石英灯加热阵列1的表面，使其表面温度降低到石英灯的软化温度之下，同时利用石英玻璃气流隔离板4的透明通光性，使石英灯加热阵列1发出的强辐射红外光线能够通过透明的石英玻璃气流隔离板4直接照射到高温辐射试验件5上。由于石英玻璃气流隔离板4的阻隔，高速气流不会扩散到高温辐射试验件5的表面对其产生影响。本发明使石英灯加热阵列1的辐射能力超过了原来的使用极限，能够辐射出热流密度更大的红外光线，在高速飞行器热强度试验时高温辐射试验件的表面5接收到的辐射热流密度超过了未进行风冷时的最高1Mw/m2的限制，瞬时热流密度可以达到2Mw/m2。为研制飞行速度更快的高超音速导弹提供了有效的动态高温试验手段。具有重要的军事工程应用价值。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (6)

1.导弹高温气动热模拟试验红外辐射热流密度增强装置，其特征在于包括：石英灯加热阵列(1)、风机(2)、变频调速器(3)、石英玻璃气流隔离板(4)、高温辐射试验件(5)、绝热框架(6)、水冷箱(7)、热流传感器(8)、温度传感器(9)与计算机(10)；所述石英灯加热阵列(1)位于由四块透明的石英玻璃气流隔离板(4)组成单向气流导向隔离通道内；在石英玻璃气流隔离板(4)的两侧安装有水冷箱(7)，水冷箱(7)上焊有成对的冷却水通道(13)，水冷箱(7)和冷却水通道(13)形成流动的冷却水循环通路；高温辐射试验件(5)的四周安装有绝热框架(6)；高温辐射试验件(5)的近旁安装有热流传感器(8)，热流传感器(8)的前端与高温辐射试验件(5)的受热面处于同一垂直面上；高温辐射试验件(5)的后表面上安装有温度传感器(9)，热流传感器(8)和温度传感器(9)通过导线与计算机(10)连接，两个传感器采集导弹高温气动热模拟试验过程中的辐射热流和反映高温辐射试验件(5)背面隔热效果的温度数据后送入计算机(10)；风机(2)位于石英灯加热阵列(1)的下端，并安装在与地面连接的支架(15)上。

2.根据权利要求1所述的导弹高温气动模拟热试验红外辐射热流密度增强装置，其特征在于：所述装置还安装了变频调速器(3)，所述变频调速器(3)对风机(2)的电动机(11)进行无极调速。

3.根据权利要求1所述的导弹高温气动模拟热试验红外辐射热流密度增强装置，其特征在于：所述石英灯加热阵列(1)为双排石英灯加热阵列，两排石英灯加热阵列(1)交错安置，使后面一排石英灯加热阵列(1)发出的红外辐射光线正好从前面一排石英灯加热阵列(1)的缝隙之间穿过。

4.根据权利要求1所述的导弹高温气动模拟热试验红外辐射热流密度增强装置，其特征在于：所述高温辐射试验件(5)的表面涂成黑色。

5.根据权利要求1所述的导弹高温气动模拟热试验红外辐射热流密度增强装置，其特征在于：所述风机(2)安装在与地面连接的U型支架(15)上，风机(2)的下端面与地面有50cm以上的距离，型成开放的空间环境。

6.根据权利要求1所述的导弹高温气动模拟热试验红外辐射热流密度增强装置，其特征在于：所述高温辐射试验件(5)相对一侧的水冷箱(7)表面被磨光成镜面反射面(14)，将石英灯加热阵列(1)向高温辐射试验件(5)另外一侧辐射的红外光线反射至高温辐射试验件(5)的前表面。

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