CN104048991B - 一种辐射式加热器热流密度传递方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种辐射式加热器热流密度传递方法，其过程如下：先根据热流密度选取标定件，再在标定件正面粘贴热电偶，并在标定件和结构件上喷涂相同材料和厚度的涂料，然后将标定件嵌入隔热材料块中，再通过标定获取标定件对应给定热流的温度变化曲线以及其相对位置关系，并在结构件上安装嵌有标定件的隔热材料块，重复以上步骤完成结构件不同热流密度基准点的标定件安装，最后根据标定件温度变化曲线，完成结构件的热环境考核。本发明可简化大型结构件热强度试验现场安装难度，提高安装效率以及在不同环境温度下辐射式加热器热流密度输出的一致性，降低由于热流计安装误差引起的试验误差。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天飞行器环境模拟技术领域，特别是涉及辐射式加热器热流密度传递方法。
背景技术
当航空航天飞行器进行高超音速飞行的情况下，其表面受到气动加热的作用，局部区域温度会超过1000℃，因此必须在地面对其结构进行高温环境模拟的热强度试验。在进行热强度试验时，国内外主要采用非接触的辐射式加热器模拟飞行器环境热流输入(按照飞行器飞行轨道计算出来的吸收热流)，而加热器热流密度的标定和传递成为环境模拟的关键步骤。
对于辐射式加热器热流密度的传递，目前主要采用热流计直接进行测量和记录。但在大型结构件热强度试验中实际使用时，受到加热器和测试件空间的限制，热流计的安装和使用较为复杂，易受安装精度的影响，且高温热流计冷端需强制冷却，而冷端温度又会由于周围环境温度的变化产生波动，导致不同环境温度下辐射式加热器对结构件输入热流密度的一致性较差，降低了试验的可靠性。
发明内容
本发明的目的是：提供了一种受环境温度影响小、可靠性高的辐射式加热器热流密度传递方法。
本发明的技术方案是：一种辐射式加热器热流密度传递方法，其包括以下步骤：
步骤1：根据给定的不同热流密度曲线，选取标定件，标定件应选用耐高温材料；标定件为片状结构，面积大小按照固定热电偶所需面积进行选取，厚度以2mm为宜，但不大于5mm；
步骤2：通过高温胶在标定件正面粘贴热电偶，热电偶类型根据测试所能达到的极限温度进行选取，高温胶类型应与标定件材料相配；
步骤3：在标定件和结构件加热表面喷涂发射率大于0.8的黑色耐高温涂料，厚度介于0.05mm～0.5mm之间，标定件和结构件的涂料发射率和厚度必须始终保持一致，避免由于两者热辐射量前后不一致，导致后续标定数据误差增加或失效；
步骤4：将标定件嵌入隔热材料块中，确保标定件正面与隔热材料块表面平齐，其余表面被厚度不小于5mm的气凝胶隔热材料包裹，隔热材料块底面根据热流密度基准点的表面形状和曲率进行加工，确保标定件中心点正对热流密度基准点，且标定件正面与热流密度基准点的切平面平行；
步骤5：将热流计和标定件应固定在安装平台上，使之位于小型辐射式加热器加热区域中央，其中热流计的热流接受面应与隔热材料块底面中心点切平面平齐，记录标定件温度变化曲线以及标定件与热流计的相对位置关系，利用热流计反馈，采用小型辐射式加热器按模拟热流条件加热，获取热流计的热流密度和标定件的温度对应变化关系，将单个热流密度基准点的热流变化曲线对应转化为标定件的温度变化曲线；
步骤6：在结构件上安装嵌入隔热材料块中的标定件，标定件与热流密度基准点的位置关系必须同步骤5中标定件与热流计的相对位置关系一致；
步骤7：重复步骤1～步骤6完成结构件不同热流密度基准点的标定件安装；
步骤8：启动加热结构件的辐射式加热器，调节加热器输出功率，使标定件实时温度变化与步骤5确定的各热流基准点对应温度变化曲线一致，完成结构件的热环境考核。
辐射式加热器或热流密度标定装置的加热区域不小于200mm×200mm，不大于500mm×500mm，且热流计和标定件应位于加热区域中央。
所述标定件材料厚度不大于5mm。
所述标定件的材料为石英玻璃或高温陶瓷或耐高温复合材料。
所述耐高温涂料为发射率大于0.8的黑色耐高温有机硅清漆。
与现有技术相比，本发明至少存在如下优点：
(1)本发明取消了热流计工作时冷端所需的强制冷却回路，提高了现场工作效率。
(2)本发明极大简化大型结构件热强度试验现场安装难度，降低由于热流计安装误差引起的试验误差。
(3)由于标定件的温度曲线已包含环境温度对测量的影响，因此本发明可提高在不同环境温度下，辐射式加热器对结构件输入热流密度的一致性。
附图说明
图1为本发明中标定件温度曲线标定步骤安装图；
图2为本发明中标定件在结构件表面安装图，
其中，1-标定件、2-热电偶、3-结构件、4-隔热材料块、5-加热器、6-热流计、7-热流密度基准点、8-安装平台、9-辐射式加热器。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步的说明：
本发明辐射式加热器热流密度传递方法针对某多温区结构件给定不同基准点热流密度曲线，采用辐射式加热器，模拟飞行器环境热流输入，其具体步骤为：
步骤1：根据给定的不同热流密度曲线，选取标定件1。标定件应选用耐高温材料，如石英玻璃、高温陶瓷、耐高温复合材料等；标定件1为片状结构，面积大小按照固定热电偶所需面积进行选取，厚度以2mm为宜，但不大于5mm。
步骤2：通过高温胶在标定件1正面粘贴热电偶2，热电偶2类型根据测试所能达到的极限温度进行选取，高温胶类型应与标定件材料相配。
步骤3：在标定件1和结构件3加热表面喷涂发射率大于0.8的黑色耐高温涂料，厚度介于0.05mm～0.5mm之间。标定件1和结构件3的涂料发射率和厚度必须始终保持一致，避免由于两者热辐射量前后不一致，导致后续标定数据误差增加或失效。
步骤4：将标定件1嵌入隔热材料块4中，确保标定件1正面与隔热材料块4表面平齐，其余表面被厚度不小于5mm的气凝胶隔热材料包裹，隔热材料块4底面根据热流密度基准点7的表面形状和曲率进行加工，确保标定件1中心点正对热流密度基准点7，且标定件1正面与热流密度基准点7的切平面平行。
步骤5：如图1所示，将热流计6和标定件1应固定在安装平台8上，使之位于小型辐射式加热器5加热区域中央，其中热流计6的热流接受面应与隔热材料块4底面中心点切平面平齐，记录标定件1温度变化曲线以及标定件1与热流计6的相对位置关系H。利用热流计6反馈，采用小型辐射式加热器5按模拟热流条件加热，获取热流计6的热流密度和标定件1的温度对应变化关系，将单个热流密度基准点7的热流变化曲线对应转化为标定件1的温度变化曲线，以便于结构件热环境考核。对于小型辐射式加热器5的加热区域应不小于200mm×200mm，不大于500mm×500mm。
步骤6：如图2所示，在结构件3上安装嵌入隔热材料块4中的标定件1，标定件1与热流密度基准点7的位置关系必须同步骤5中标定件1与热流计6的相对位置关系H一致。通过确保相对位置关系H的一致性，使步骤5获取的标定件1的温度变化曲线可以有效应用于结构件3的热流密度基准点7处的热流控制。
步骤7：重复步骤1～步骤6完成结构件不同热流密度基准点的标定件安装。
步骤8：启动加热结构件3的辐射式加热器9，调节加热器输出功率，使标定件实时温度变化与步骤5确定的各热流基准点对应温度变化曲线一致，完成结构件的热环境考核。
本发明采用无需冷却的标定件替代热流计，取消了热流计工作时冷端所需的耐高温冷却管路及其相应的冷却循环系统，大大简化了大型结构件试验现场热流计安装工作，提高了现场工作效率。
本发明采用的标定件通过隔热材料安装在结构件表面，而隔热材料科方便地根据结构件热流密度基准点处的表面形状、曲率进行对应加工，可以有效保障标定件安装位置的精度及一致性，降低了由于结构件表面曲率变化较大，导致标准热流计外形安装精度差造成的热流测量误差。
由于标定件的温度曲线已包含环境温度对测量的影响，因此本发明可提高在不同环境温度下，辐射式加热器对结构件输入热流密度的一致性，避免由于热流计易受环境影响和自身精度较低等因素，造成的试验误差增大。
以上所述是本发明的优选实施方案，对于本发明提出的实施方案可适用于各种结构件适用辐射式加热器时热流密度的传递。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种辐射式加热器热流密度传递方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据给定的不同热流密度曲线，选取标定件,标定件选用耐高温材料；标定件为片状结构，面积大小按照固定热电偶所需面积进行选取，且不大于5mm；
步骤2：通过高温胶在标定件(1)正面粘贴热电偶，热电偶类型根据测试所能达到的极限温度进行选取，高温胶类型与标定件材料相配；
步骤3：在标定件和结构件加热表面喷涂发射率大于0.8的黑色耐高温涂料，厚度介于0.05mm～0.5mm之间，标定件和结构件的涂料发射率和厚度保持一致，避免由于两者热辐射量前后不一致，导致后续标定数据误差增加或失效；
步骤4：将标定件(1)嵌入隔热材料块中，确保标定件正面与隔热材料块表面平齐，其余表面被厚度不小于5mm的气凝胶隔热材料包裹，隔热材料块底面根据热流密度基准点的表面形状和曲率进行加工，确保标定件中心点正对热流密度基准点，且标定件正面与热流密度基准点的切平面平行；
步骤5：将热流计和标定件应固定在安装平台上，使之位于小型辐射式加热器加热区域中央，其中热流计的热流接受面应与隔热材料块底面中心点切平面平齐，记录标定件温度变化曲线以及标定件与热流计的相对位置关系，利用热流计反馈，采用小型辐射式加热器按模拟热流条件加热，获取热流计的热流密度和标定件的温度对应变化关系，将单个热流密度基准点的热流变化曲线对应转化为标定件的温度变化曲线；
步骤6：在结构件上安装嵌入隔热材料块中的标定件，标定件与热流密度基准点的位置关系必须同步骤5中标定件与热流计的相对位置关系一致；
步骤7：重复步骤1～步骤6完成结构件不同热流密度基准点的标定件安装；
步骤8：启动加热结构件的辐射式加热器，调节加热器输出功率，使标定件实时温度变化与步骤5确定的各热流基准点对应温度变化曲线一致，完成结构件的热环境考核。
2.根据权利要求1所述的辐射式加热器热流密度传递方法，其特征在于：辐射式加热器或热流密度标定装置的加热区域不小于200mm×200mm，不大于500mm×500mm，且热流计和标定件应位于加热区域中央。
3.根据权利要求1所述的辐射式加热器热流密度传递方法，其特征在于：所述标定件材料厚度不大于5mm。
4.根据权利要求1所述的辐射式加热器热流密度传递方法，其特征在于：所述标定件的材料为石英玻璃或高温陶瓷或耐高温复合材料。
5.根据权利要求1所述的辐射式加热器热流密度传递方法，其特征在于：所述耐高温涂料为发射率大于0.8的黑色耐高温有机硅清漆。
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