CN102435099B - 导弹热试验用石英灯加热器高温辐射温度增强装置 - Google Patents

Abstract

导弹热试验用石英灯加热器高温辐射温度增强装置，包括夹层水冷石英灯加热阵列、水冷式铜电极座、灯壁水流通道、钨发热丝、石英灯电极、冷却水、贯通水冷通道与金属连接管。加热用石英灯壁面设计成夹层形式，流过夹层灯壁水流通道的冷却水带走石英灯表面的部分热量，使石英玻璃表面的温度下降到软化温度1600℃以下，石英灯钨发热丝产生的红外光可以透过透明的夹层水冷石英灯加热器壁面以及透明的冷却水向外辐射。本发明使石英灯加热阵列的辐射能力超过了原来的使用极限1200℃，其最高辐射温度提高到1450℃。为研制飞行速度更快的高超音速导弹提供了有效的高温气动热试验模拟手段，具有重要的军事工程应用价值。

Description

导弹热试验用石英灯加热器高温辐射温度增强装置

技术领域

本发明涉及导弹热试验用石英灯加热器高温辐射温度增强装置。特别是在模拟导弹高超音速飞行试验的气动加热环境时，能够提高石英灯的高温辐射温度，从最高1200℃的提高至1450℃。为研制飞行速度更快的高超音速导弹及高速航空航天器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，弹翼前缘驻点温度将超过1200℃，导弹前端天线罩锥部前端和发动机进气道等部位甚至会出现达到1450℃的局部高温区。如此极端恶劣的高温热环境条件，使得高超声速飞行器材料和结构的热防护和热强度问题成为事关研制成败的关键问题。这是因为高速飞行时严重的气动加热所产生的高温，会显著降低高超声速飞行器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结构的安全性能。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，须对高超声速飞行器材料和结构进行静、动态的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真实受热状况，分析试验过程中飞行器各部分的热应力、热变形、结构膨胀量等高温力学性能参数的变化对飞行器结构强度的影响。通过热环境模拟试验的方法，来观察分析在热环境和力学环境复合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、使用寿命以及安全可靠性，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、法国、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，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高温陶瓷和耐高温的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1200℃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。因此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时，其最高温度要低于1200℃。

目前由于高超音速巡航导弹的设计飞行速度已达到6-10马赫数甚至更高。导弹前端天线罩锥部前端和进气道等部位甚至会出现达到1450℃的高温区域。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试验温度能够进一步地提高。为此设计一种导弹热试验用石英灯加热器高温辐射温度增强装置。使其能够在高速飞行器热强度试验时红外辐射温度超过当前的1200℃极限，能够辐射出更高的1450℃的高温。为飞行速度更快的高超音速导弹的研制提供必要的热试验手段。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种导弹热试验用石英灯加热器高温辐射温度增强装置，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温度得到提高，为进行飞行速度更快的高超音速导弹气动热模拟试验提供辐射热环境更强的试验手段。

本发明的技术解决方案是：导弹热试验用石英灯加热器高温辐射温度增强装置，其特征在于包括：夹层水冷石英灯加热器、水冷式铜电极座、灯壁水流通道、钨发热丝、石英灯电极、贯通水冷通道、进水或出水口、金属连接管；所述夹层水冷石英灯加热器固定在水冷式铜电极座上，形成一个水平放置的密集排列平面石英灯加热阵列；钨发热丝处于夹层水冷石英灯加热器内部的中轴线上，与石英灯电极相连接；夹层水冷石英灯加热器的双层石英玻璃壁面之间形成水流通道；所述石英灯电极压接在水冷式铜电极座上，水冷式铜电极排的内部有贯通水冷通道，通过流动的冷却水降低石英灯电极的温度；进水或出水口的一端连通灯壁水流通道，进水或出水口的另一端与金属连接管连接。

钨发热丝通电后辐射出红外光线，夹层水冷石英灯加热器设计成由双层石英玻璃形成的灯壁水流通道，通过流动得冷却水带走部分石英灯表面的热量，使石英灯加热阵列的石英玻璃表面的温度下降到软化温度1600℃以下，钨发热丝产生的红外光可以穿过透明的夹层水冷石英灯加热器的壁面以及透明的冷却水向外辐射，提高导弹高温气动热试验装置辐射温度的能力。

所述夹层水冷石英灯加热器的两层石英玻璃壁面均设计成2-3mm的薄壁结构；夹层水冷石英灯加热器的两层石英玻璃壁面之间的水流通道设计为3mm，使夹层水冷石英灯加热器既具有一定的强度，避免由于壁面太厚使得水冷石英灯加热器的直径过粗，引起加热阵列中石英灯的总排列个数过量减少，而出现单位加热功率的减低。

所述夹层水冷石英灯加热器阵列通过提高供电压使其能够辐射出更多的热量到达高温辐射试验件的表面上。

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，设计了夹层水冷石英灯器，使透明的冷却水流过加热器的双层石英玻璃通道，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至石英玻璃的高温软化温度1600℃以下，通过提升高供电电压使石英灯加热阵列辐射出更多的热量到达高温辐射试验件的表面上，达到提高石英灯阵列的热辐射温度的目的。为研制飞行速度更快的高超音速导弹提供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)现有技术是在模拟导弹高超音速飞行的高温气动热试验中，采用单层玻璃石英灯加热器，当距离加热器有50-100mm远的试验件表面温度达到1200℃时，作为热源的石英加热器表面温度将会因达到石英玻璃的软化温度1600℃而损坏。本发明设计采用夹层水冷石英灯阵列加热，由于冷却水流过加热器的双层石英玻璃通道，带走了一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。只要石英灯加热阵列表面的温度被冷却水流降至石英玻璃的高温软化温度1600℃以下，石英灯加热阵列就可以通过提升供电电压辐射出更多的热量到达高温辐射试验件的表面上，因此大大提高了石英灯阵列的热辐射温度。

(2)由于冷却水和夹层石英玻璃均为透明体，加热钨丝产生的红外光线均可穿透这两种物质向外辐射，不会对红外辐射光路产生不利影响。

(3)夹层水冷石英灯加热器的壁面设计成2-3mm的薄壁结构，夹层水冷石英灯加热器的两层石英玻璃壁面之间相距3mm使夹层水冷石英灯加热器既具有一定的强度，又避免了由于壁面太厚使得水冷石英灯加热器的直径过粗，从而引起加热阵列中石英灯的总排列个数过量减少，出现单位加热功率的减低的弊病。

(4)本发明中的石英灯电极通常采用铜制石英灯电极，其热膨胀系数大，与石英灯加热器的石英玻璃的热膨胀系数相差约30倍，在高温下铜制石英灯电极的大变形易引起石英灯加热器内的惰性气体外泄而烧毁，为此设计了独立的水冷式铜电极座、石英灯电极压接在水冷式铜电极座上，水冷式铜电极座的内部有贯通水冷通道，通过流动的冷却水降低石英灯电极的温度，避免铜制石英灯电极由于温度过高出现大变形引起惰性气体外泄而烧毁。

(5)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为本发明的结构正视图；

图2为本发明的右视示意图；

图3为本发明的结构剖面示意图。

具体实施方式

如图1、2、3所示，本发明由夹层水冷石英灯加热器1、水冷式铜电极座2、灯壁水流通道3、钨发热丝4、石英灯电极5、冷却水6、贯通水冷通道7、进水或出水口8与金属连接管9组成。夹层水冷石英灯加热器1固定在水冷式铜电极座2上，形成一个水平放置的密集排列平面加热阵列，钨发热丝4处于夹层水冷石英灯加热器1内部的中轴线上，与石英灯电极5相连接，进水或出水口8的一端连通灯壁水流通道3，进水或出水口8的另一端与金属连接管9连接。钨发热丝4通电后辐射出红外光线，夹层水冷石英灯加热器1内有透明的由双层石英玻璃形成的灯壁水流通道3，通过流动得冷却水带走部分石英灯表面的热量，使石英灯加热器1石英玻璃表面的温度下降到软化温度1600℃以下，钨发热丝4产生的红外光可以透过透明的夹层水冷石英灯加加热器1的壁面以及透明的冷却水6向外辐射，提高导弹高温气动热试验装置辐射温度的能力。石英灯电极5压接在水冷式铜电极座2上，水冷式铜电极排的内部有贯通水冷通道7，通过流动的冷却水6降低石英灯电极5的温度。

本发明提升加在水冷式铜电极座2的供电电压，使夹层水冷石英灯加热器1能够辐射出更多的热量到达高温辐射试验件的表面。

本发明中夹层水冷石英灯加热器1的两层石英玻璃壁面之间相距3mm，形成灯壁水流通道3，且夹层水冷石英灯加热器1的两层石英玻璃壁面均设计成2-3mm的薄壁结构，使夹层水冷石英灯加热器1既具有一定的强度，又避免了由于壁面太厚使得水冷石英灯加加热器1的直径过粗，造成单位面积加热功率降低的弊病。

本发明使石英灯加热阵列的辐射能力超过了原来的使用极限，使石英灯能够辐射出温度更高的红外光线，导弹热强度试验时高温辐射试验件的表面接收到的辐射温度可以超过未进行水冷设计时的最高1200℃的限制，最高辐射温度能够提高至1450℃。为研制飞行速度更快的高超音速导弹提供了有效的高温气动热试验模拟手段。该项技术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 (3)

1.导弹热试验用石英灯加热器高温辐射温度增强装置，其特征在于包括：夹层水冷石英灯加热器(1)、水冷式铜电极座(2)、灯壁水流通道(3)、钨发热丝(4)、石英灯电极(5)、贯通水冷通道(7)、进水或出水口(8)和金属连接管(9)；所述夹层水冷石英灯加热器(1)固定在水冷式铜电极座(2)上，形成一个水平放置的密集排列平面石英灯加热阵列；钨发热丝(4)处于夹层水冷石英灯加热器(1)内部的中轴线上，与石英灯电极(5)相连接；夹层水冷石英灯加热器(1)的双层石英玻璃壁面之间形成水流通道(3)；所述石英灯电极(5)压接在水冷式铜电极座(2)上，水冷式铜电极排的内部有贯通水冷通道(7)，通过流动的冷却水(6)降低石英灯电极(5)的温度；进水或出水口(8)的一端连通灯壁水流通道(3)，进水或出水口(8)的另一端与金属连接管(9)连接。

2.根据权利要求1所述的导弹热试验用石英灯加热器高温辐射温度增强装置，其特征在于：所述夹层水冷石英灯加热器(1)的两层石英玻璃壁面均设计成2-3mm的薄壁结构。

3.根据权利要求1所述的导弹热试验用石英灯加热器高温辐射温度增强装置，其特征在于：所述夹层水冷石英灯加热器的两层石英玻璃壁面之间的水流通道设计为3mm。

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