CN103792088A - 发动机热环境试验大面积平板式高热流辐射环境装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发动机热环境试验大面积平板式高热流辐射环境装置，包括试验台、加热组件、支撑架、冷却组件以及导流组件；加热组件包括加热单元以及加热支撑架；导流组件包括多个导流筒和导流筒固定架，导流筒设置在导流筒固定架上；冷却组件包括冷却支架以及固定在冷却支架上的冷却器；支撑架上放置有姿控动力系统；导流筒固定架位于支撑架的外侧；加热支撑架位于导流筒固定架的外侧，冷却支架固定在加热支撑架；加热单元包括石英灯阵、可控硅电压调整单元以及高压电源，石英灯阵位于加热支撑架上。本发明解决了现有的高热流辐射环境装置存在加热元件容易软化、弯曲，无法实现大面积加热的技术问题，可实现姿控动力系统多个发动机点火工作过程中200kW/m2以下热流密度加载。

Description

发动机热环境试验大面积平板式高热流辐射环境装置

技术领域

本发明涉及航天发动机试验，具体地说涉及液体火箭姿控动力系统工作过程的热环境模拟试验方法。

背景技术

随着姿控动力系统研制工作的深入开展，为研究其在高热流作用下的工作特性，需要在姿控动力系统多个发动机点火工作过程中，进行高热流环境的模拟试验。

近些年，热环境模拟试验发展较为迅速，但多为在单个发动机或姿控动力系统不工作状态下进行的热环境试验，并且热流密度低、加载面积小。

现有技术应用于平板式热环境装置设计存在以下难题：

（1）目前普遍采用的加热元件如镍铬丝、硅碳棒等正常工作温度下无法达到如此高的热流密度。故热环境模拟试验较多采用石英灯阵辐射加热模式，但加热面积较大时，大尺寸石英灯易软化，弯曲损坏。

（2）在加热控制设计中目前通常采用定功率加热，通过温度进行调节，这种方式调节时间长、变化慢，容易产生过加热或欠加热状态，不能保证发动机所需的稳定热流密度场。

（3）姿控动力系统的多个发动机工作过程中，产生的燃气冲刷热环境装置，会导致热环境装置损坏，现阶段采用水冷式结构设计的燃气导流装置体积较大，不利于热流密度均匀加载。

（4）使用加热装置时一定要严格限制石英灯外壁温度，若温度高出800℃，在几分钟之内会导致石英玻璃软化，造成石英灯端头软化漏气，使石英灯发生故障。为了避免试验过程中，辐射元件出现故障，一般采取温度过热保护技术，因此热流密度会出现断续加载，这不满足试验任务要求，故一般热环境装置设计时，均采用冷却措施，延长石英灯管的温升时间，但本次试验用的辐射元件尺寸较大，传统的水冷方式存在诸多风险，而设计中常用的风冷方式却会造成热流密度场不均匀。

发明内容

为了解决现有的高热流辐射环境装置存在加热元件容易软化、弯曲，无法实现大面积加热，温度调节平衡时间太长等的技术问题，本发明提供一种发动机热环境试验大面积平板式高热流辐射环境装置。

本发明的技术解决方案为：

发动机大面积平板式高热流辐射环境装置，其特殊之处在于：包括试验台、加热组件、支撑架、冷却组件以及导流组件；

所述加热组件包括加热单元以及加热支撑架；

所述导流组件包括多个导流筒和导流筒固定架，所述导流筒设置在导流筒固定架上；

所述冷却组件包括冷却支架以及固定在冷却支架上的冷却器；

所述支撑架上放置有姿控动力系统；

所述导流筒固定架位于支撑架的外侧，多个导流筒与姿控动力系统中的发动机一一对应；

所述加热支撑架位于导流筒固定架的外侧，所述冷却支架固定在加热支撑架上方，所述加热支撑架、导流筒固定架、冷却支架的底部均固定在试验台上；

所述加热单元包括石英灯阵、可控硅电压调整单元以及高压电源，所述石英灯阵包括多个石英灯管、A相供电集线排、B相供电集线排以及C相供电集线排，所述多个石英灯管分成第一灯管组、第二灯管组以及第三灯管组，所述第一灯管组、第二灯管组以及第三灯管组通过供电线缆首尾相连形成三个节点，三个节点分别与A相供电集线排、B相供电集线排以及C相供电集线排连接，所述A相供电集线排、B相供电集线排、C相供电集线排均与可控硅调整单元连接，所述可控硅调整单元与高压电源连接，所述石英灯阵位于加热支撑架上。

上述石英灯管包括钨丝、石英玻璃管以及镀在石英玻璃管外侧的包反射层，所述钨丝位于石英玻璃管内，所述石英玻璃管充填有惰性气体。

上述冷却器包括集气板和设置在集气板下表面上的冷却孔，所述集气板上设置有冷却气体入口接头。

上述可控硅电压调整单元包括PLC、可编程逻辑控制器、控制逻辑电路、三个脉冲触发电路、A相可控硅控制电路、B相可控硅控制电路、C相可控硅控制电路以及A相断路器、B相断路器、C相断路器、电压电流检测电路以及模拟量采集电路，

所述PLC与可编程逻辑控制器相互通信，所述可编程逻辑控制器的输出端与控制逻辑电路的输入端连接，所述控制逻辑电路的输出端分为三路，其中一路为依次连接的脉冲触发电路、A相可控硅控制电路和A相断路器，第二路为依次连接的脉冲触发电路、B相可控硅控制电路和B相断路器，第三路为依次连接的脉冲触发电路、C相可控硅控制电路和C相断路器；

所述A相断路器的输出端与A相供电集线排连接，所述B相断路器的输出端与B相供电集线排连接，所述C相断路器的输出端与C相供电集线排连接；

所述电压电流检测电路的输入端采集A相断路器、B相断路器、C相断路器输出电压信号，所述电压电流检测电路的输出端与模拟量采集电路的输入端连接，所述模拟量采集电路的输出端与可编程逻辑控制器连接。

上述冷却气体入口接头的入口压力为0.5-3Mpa，所述集气板与石英灯阵的距离为100-200mm。

上述冷却气体入口接头的入口压力为1Mpa，所述集气板与石英灯阵的距离为150mm。

上述加热支撑架为液压式升降装置。

本发明所具有的优点：

1、本发明的加热单元基于红外辐射技术，设计了平板式石英灯阵：灯阵尺寸为0.8×0.824m，总功率为498kW，可实现姿控动力系统多个发动机点火工作过程中200kW/m2以下热流密度加载；解决了大尺寸石英灯管在高温、长时间工作中，易出现加热元件变形，损坏等技术问题。

2、本发明石英灯管的辐射原件为钨丝，钨丝位于石英玻璃内，高纯度石英玻璃管￠＝11mm，石英玻璃内部抽真空后充入惰性气体，外部镀反射层。增强了石英灯的强度和耐高温特性和单向热流密度。解决了大尺寸石英灯管在高温、长时间工作中，易出现加热元件变形，损坏等技术问题。石英灯阵是加热装置的核心环节，其发热体为为钨丝，其电阻值可近似为一元线性元件，随着钨丝加载电压值的变化，钨丝产生的热能也随之变化，并呈线性关系。

3、本发明石英灯阵的集线排与可控硅调整单元连接。通过调节石英灯阵的供电电压实现不同热流密度加载。

4、液压式升降装置可远程调节石英灯阵与姿控动力系统之间的距离，实现对姿控动力系统表面热流密度的调整；采用燃气导流技术设计的干式燃气导流筒，可避免发动机燃气对热环境装置冲刷；氮气冷却装置可实现姿控动力系统工作过程中，热环境装置持续工作时间大于250s；热环境装置最大热流加载面积为0.62m²，最大功率498kw。

附图说明

图1为本发明平板式高热流辐射环境装置的结构示意图；

图2为图1的俯视透视图；

图3为本发明平板式石英灯阵的结构示意图；

图4为本发明平板式石英灯阵的接线方式示意图；

图5为本发明导流筒的一种结构示意图；

图6为本发明导流筒的另一种结构示意图；

图7为本发明导流筒的另一种结构示意图；

图8为本发明可控硅电压调整单元的结构示意图；

其中附图标记为：1-试验台，2-支撑架，3-姿控动力系统，4-发动机，5-导流筒固定架，6-导流筒，7-加热支撑架，8-石英灯阵，80-石英灯管，81-第一灯管组，82-第二灯管组，83-第三灯管组，84-A相供电集线排，85-B相供电集线排，86-C相供电集线排，9-冷却支架，10-冷却器，101-集气板，102-冷却气体入口接头，103-冷却孔。

具体实施方式

如图1、图2所示，发动机大面积平板式高热流辐射环境装置，包括试验台1、加热组件、支撑架2、冷却组件以及导流组件；

加热组件包括加热单元以及加热支撑架7；导流组件包括多个导流筒6和导流筒固定架5，导流筒6设置在导流筒固定架5上；冷却组件包括冷却支架9以及固定在冷却支架上的冷却器10；支撑架2上放置有姿控动力系统3；导流筒固定架位于支撑架的外侧，多个导流筒与姿控动力系统中的发动机4一一对应；加热支撑架位于导流筒固定架的外侧，冷却支架固定在加热支撑架上方，支撑架、加热支撑架、导流筒固定架、冷却支架的底部均固定在试验台上；

如图3、图4所示，加热单元包括石英灯阵8、可控硅电压调整单元以及高压电源，石英灯阵包括多个石英灯管80、A相供电集线排84、B相供电集线排85以及C相供电集线排86，多个石英灯管分成第一灯管组81、第二灯管组82以及第三灯管组83，第一灯管组、第二灯管组以及第三灯管组通过供电线缆首尾相连形成三个节点，三个节点分别与A相供电集线排、B相供电集线排以及C相供电集线排连接，A相供电集线排、B相供电集线排、C相供电集线排均与可控硅调整单元连接，可控硅调整单元与高压电源连接，石英灯阵位于加热支撑架上。采用三角形供电方法相连接，高压电源为380V供电电源。

石英灯管包括钨丝、石英玻璃管以及镀在石英玻璃管外侧的包反射层，所述钨丝位于石英玻璃管内，石英玻璃管充填有惰性气体。石英灯阵的结构为平板式。石英灯阵由石英灯管组成，基于红外辐射技术，设计了平板式石英灯阵：灯阵尺寸为0.8×0.824m，总功率为498kW，可实现姿控动力系统8个发动机点火工作过程中200kW/m2以下热流密度加载；

石英灯管的辐射原件为钨丝，钨丝位于石英玻璃内，高纯度石英玻璃管￠＝11mm，石英玻璃内部抽真空后充入惰性气体，外部镀反射层。增强了石英灯的强度和耐高温特性和单向热流密度。解决了大尺寸石英灯管在高温、长时间工作中，易出现加热元件变形，损坏等技术问题。石英灯阵是加热装置的核心环节，其发热体为为钨丝，其电阻值可近似为一元线性元件，随着钨丝加载电压值的变化，钨丝产生的热能也随之变化，并呈线性关系。

集线排的材料为铜，供电线缆通过固定后与集线排相连。石英灯阵的集线排与可控硅调整单元连接。通过调节石英灯阵的端电压实现不同热流密度加载。

如图7所示，冷却器包括集气板101和设置在集气板下表面上的冷却孔，集气板上设置有冷却气体入口接头。冷却气体入口接头的入口压力为0.5-3Mpa，集气板与石英灯阵的距离为100-200mm。

一般优选：冷却器总体尺寸为1.2×1.2m，冷却气体为氮气，由集气板和冷却孔构成，氮气入口压力1Mpa。冷却装置安装于石英灯阵上方150mm处，热环境装置过程中，氮气从集气板上的冷却孔均匀射出，可以对石英灯上方及石英灯表面冷却，同时避免氮气对石英灯阵下方的热流密度场造成影响。

冷却组件可实现姿控动力系统工作过程中，热环境装置持续工作时间大于250s。

如图8所示，可控硅电压调整单元包括PLC、可编程逻辑控制器、控制逻辑电路、三个脉冲触发电路、A相可控硅控制电路、B相可控硅控制电路、C相可控硅控制电路以及A相断路器、B相断路器、C相断路器、电压电流检测电路以及模拟量采集电路，PLC与可编程逻辑控制器相互通信，可编程逻辑控制器的输出端与控制逻辑电路的输入端连接，控制逻辑电路的输出端分为三路，其中一路为依次连接的脉冲触发电路、A相可控硅控制电路和A相断路器，第二路为依次连接的脉冲触发电路、B相可控硅控制电路和B相断路器，第三路为依次连接的脉冲触发电路、C相可控硅控制电路和C相断路器；

A相断路器的输出端与A相供电集线排连接，B相断路器的输出端与B相供电集线排连接，C相断路器的输出端与C相供电集线排连接；电压电流检测电路的输入端采集A相断路器、B相断路器、C相断路器输出电压信号，电压电流检测电路的输出端与模拟量采集电路的输入端连接，模拟量采集电路的输出端与可编程逻辑控制器连接。

石英灯阵的集线排与可控硅电压调整单元连接。通过调节灯阵的端电压实现不同热流密度加载。通过PLC控制可控硅开度角实现0～380V电压输出。

人机界面与可编程逻辑控制器相互通信，通过人机界面完成石英灯阵供电电压的调整及控制和石英灯阵供电电压的在线监测。可编程逻辑控制器集测量控制于一体，通过可控硅导通角调整，实现对石英灯阵供电电压的调整，再通过对石英灯阵供电电压的实时监测，可实现对石英灯阵供电电压的闭环调节。

可编程逻辑控制器与控制逻辑电路、脉冲触发电路、可控硅控制电路相连接完成对石英灯供电电压的调整及控制。所述电压检测电路与模拟量采集电路、可编程逻辑控制器相连接完成对石英灯阵供电电压监测。

可编程逻辑控制器配置了三个电压调整控制通道，分别对石英灯阵的A、B、C三相供电电压进行调整，并配置了三路电压测量通道，分别对石英灯阵的A、B、C三相供电电压进行监测。

其系统控制原理如下：

可控硅调压控制方式有两种：一是通过改变电压波形的导通角对电压进行调节，称之为调相；另外是保持电压波形不变，仅改变电压波出现的次数，称之为脉冲调功。就触发方式而言，前者为移相触发，后者为过零触发。其中移相触发方式的优点是输出相对地连续、调节精细，但缺点是易对电网造成污染、干扰其它用电设备。而过零触发方式的优点是不对电网造成严重污染和干扰其它用电设备，但缺点是输出电压峰值不变、调节精度差、抗电源扰动能力差。基于此，本项目选用了移相触发控制方式。移相触发方式通过控制可控硅的导通角，实现对电压调节，其电压峰值与可控硅导通角为正弦关系，在0～90°内，导通角越小，峰值越低。

为实现对电压的快速调节，选用了传统PID控制和模糊控制相结合的方式，在大误差范围内采用模糊控制，在误差较小的时候切换至PID控制，其中【-20V，20V】区间内采用PID控制方式，区间外则采用模糊控制方式。

在加热过程中，控制器实时检测加热装置端电压及回路电流值，并与设定值相比较，若偏差值不在【-20V，20V】区间内，则启用模糊控制算法，大幅度调整可控硅导通角，尽快地减小电压偏差值。若偏差值在【-20V，20V】区间内，则启用PID控制算法，微调可控硅导通角，尽可能准确地进行电压调节。通过此种方式，即可实现对加热装置供电电压的快速准确调节。

加热支撑架为液压式升降装置。石英灯阵与被辐射物体之间的距离对热流密度加载值有较大影响，并且石英灯阵的升降有利于姿控动力系统安装，故设计了专用液压式升降装置，可远程调节石英灯阵与姿控动力系统之间的距离，进一步调整姿控动力系统表面吸收的热流密度。

如图5、图6所示，为避免发动机燃气冲刷石英灯阵，设计了燃气导流筒：传统水冷结构燃气导流装置在姿控动力系统燃气导流设计中无法应用，在姿控动力系统热环境试验过程中，设计了一种新型燃气导流筒，该燃气导流筒采用了新型材料，具有体积小、耐高温、耐冲刷的特点，采用燃气导流技术设计的干式燃气导流筒，具有收集燃气，并将燃气与石英灯阵隔离的作用，可避免发动机燃气对热环境装置冲刷，导流筒材料为高温刚玉。

工作流程：

1、将姿控动力系统安装到平板式高热流辐射热环境装置内的支撑架上，通过升降装置调整石英灯阵与姿控动力系统之间的距离，确保该距离与试验前调试距离一致；

（3）调整燃气导流筒与姿控动力系统中8个发动机的位置关系，确认导流筒可以将燃气与石英灯阵隔离；

（4）给冷却组件通入1MPa氮气，检查冷却器运行正常；

（5）给加热单元供电，启动热可控硅电压调整单元，当热流密度达到预定值后，姿控动力系统点火，热环境试验开始。

Claims (7)

1.发动机大面积平板式高热流辐射环境装置，其特征在于：包括试验台、加热组件、支撑架、冷却组件、导流组件、热流密度调整装置；

所述加热组件包括加热单元以及加热支撑架；

所述导流组件包括多个导流筒和导流筒固定架，所述导流筒设置在导流筒固定架上；

所述冷却组件包括冷却支架以及固定在冷却支架上的冷却器；

所述支撑架上放置有姿控动力系统；

所述导流筒固定架位于支撑架的外侧，多个导流筒与姿控动力系统中的发动机一一对应；

所述加热支撑架位于导流筒固定架的外侧，所述冷却支架固定在加热支撑架上方，所述加热支撑架、导流筒固定架、冷却支架的底部均固定在试验台上；

所述加热单元包括石英灯阵、可控硅电压调整单元以及高压电源，所述石英灯阵包括多个石英灯管、A相供电集线排、B相供电集线排以及C相供电集线排，所述多个石英灯管分成第一灯管组、第二灯管组以及第三灯管组，所述第一灯管组、第二灯管组以及第三灯管组通过供电线缆首尾相连形成三个节点，三个节点分别与A相供电集线排、B相供电集线排以及C相供电集线排连接，所述A相供电集线排、B相供电集线排、C相供电集线排均与可控硅调整单元连接，所述可控硅调整单元与高压电源连接，所述石英灯阵位于加热支撑架上。

2.根据权利要求1所述的发动机大面积平板式高热流辐射环境装置，其特征在于：所述石英灯管包括钨丝、石英玻璃管以及镀在石英玻璃管外侧的包反射层，所述钨丝位于石英玻璃管内，所述石英玻璃管充填有惰性气体。

3.根据权利要求1或2所述的发动机大面积平板式高热流辐射环境装置，其特征在于：所述冷却器包括集气板和设置在集气板下表面上的冷却孔，所述集气板上设置有冷却气体入口接头。

4.根据权利要求3所述的发动机大面积平板式高热流辐射环境装置，其特征在于：所述可控硅电压调整单元包括PLC、可编程逻辑控制器、控制逻辑电路、三个脉冲触发电路、A相可控硅控制电路、B相可控硅控制电路、C相可控硅控制电路以及A相断路器、B相断路器、C相断路器、电压电流检测电路以及模拟量采集电路，

所述PLC与可编程逻辑控制器相互通信，所述可编程逻辑控制器的输出端与控制逻辑电路的输入端连接，所述控制逻辑电路的输出端分为三路，其中一路为依次连接的脉冲触发电路、A相可控硅控制电路和A相断路器，第二路为依次连接的脉冲触发电路、B相可控硅控制电路和B相断路器，第三路为依次连接的脉冲触发电路、C相可控硅控制电路和C相断路器；

所述A相断路器的输出端与A相供电集线排连接，所述B相断路器的输出端与B相供电集线排连接，所述C相断路器的输出端与C相供电集线排连接；

所述电压电流检测电路的输入端采集A相断路器、B相断路器、C相断路器输出电压信号，所述电压电流检测电路的输出端与模拟量采集电路的输入端连接，所述模拟量采集电路的输出端与可编程逻辑控制器连接。

5.根据权利要求4所述的发动机大面积平板式高热流辐射环境装置，其特征在于：所述冷却气体入口接头的入口压力为0.5-3Mpa，所述集气板与石英灯阵的距离为100-200mm。

6.根据权利要求5所述的发动机大面积平板式高热流辐射环境装置，其特征在于：所述冷却气体入口接头的入口压力为1Mpa，所述集气板与石英灯阵的距离为150mm。

7.根据权利要求6所述的发动机大面积平板式高热流辐射环境装置，其特征在于：所述加热支撑架为液压式升降装置。

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