CN104596781B - 一种火焰加热式热噪声复合环境试验装置 - Google Patents

一种火焰加热式热噪声复合环境试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及力热复合环境试验装置，具体涉及一种火焰加热式热噪声复合环境试验装置。包含行波管噪声装置（1）、噪声测控系统（8）和热试验装置，用于对被试件进行热噪声复合环境试验，其中，热试验装置为火焰式加热。其中，使用甲烷和氧气产生火焰。其中，包含：燃气储存系统（5）、火焰管路系统（4）、火焰加热枪（3）、火焰控制系统（6）、火焰监测器（2）、火焰加热枪安装板（7）、温度测试系统。本发明可用于高超声速飞行器翼舵结构、可重复使用运载器的大面积热防护系统的热噪声复合环境性能考核试验，可用于超声速航空飞行器蒙皮壁板结构的热噪声性能考核，在飞行器结构优化和热噪声复合环境考核方面有广泛的应用前景。

Description

一种火焰加热式热噪声复合环境试验装置
技术领域
本发明涉及力热复合环境试验装置，属于飞行器结构强度与环境评估技术领域，用于在地面模拟飞行器巡航或再入过程中面临的热噪声复合环境。
背景技术
高马赫数飞行器、可重复使用运载器等在巡航和再入过程中经受着严酷的气动热、噪声等复合环境，如由推进系统/边界层产生的高声强噪声，局部区域超过170dB，由于在大气层中长时间巡航，大面积热防护系统温度超过1000℃，局部温度可达2000℃以上。在高声强噪声长时间作用下，飞行器结构会发生疲劳破坏。气动热环境改变了飞行器结构的热物理参数和力学性能，非均匀温度场产生热应力将影响结构刚度，引发结构发生屈曲，与噪声共同作用下，加快了飞行器结构的热噪声疲劳破坏。高超声速飞行器的金属热防护系统、防热瓦结构、翼舵结构等在优化设计和性能考核中，均需开展热环境温度超过1000℃的热噪声复合环境验证试验。
针对单一噪声环境和热环境模拟设备方面，国内相关研究较多。其中单一噪声环境的地面模拟设备主要有混响室和行波管。混响室噪声装置主要用于模拟混响声场，用于仪器舱段的声传递试验。行波管噪声装置用于模拟行波声场，主要用于飞行器壁板结构的动强度评估、机载设备耐声功能试验和耐声疲劳试验。对于单一热环境的模拟，目前主要是采用石英灯为基本加热元件的辐射加热方法。
国内有关热噪声复合环境试验装置的报道较少，国外已有的热噪声复合环境试验设备，多采用行波管噪声装置模拟噪声载荷，采用石英灯辐射加热器模拟热环境，石英灯加热器和试验件分别安装在行波管试验段相对的两个侧壁上。热噪声复合环境试验中当采用石英灯加热器作为加热装置存在加热能力不足和加热能力下降的问题，具体表现在：石英灯加热器与试验件的距离超过30cm，远大于静热试验中加热器与试验件的距离，导致石英灯加热效率比静热试验时降低70%以上，使得试验件的加热温度一般低于1000℃；在强噪声作用下，石英灯加热器会发生灯壁破裂以及灯丝折断等现象，导致加热能力进一步降低，试验件温度无法保持恒定；此外，石英灯加热器是高耗能设备，对试验场地供电能力要求较高，导致试验实施的难度较大。
针对高马赫数飞行器结构对热噪声复合环境验证试验的需求，本发明提供了一种火焰加热式热噪声复合环境模拟的试验装置，它解决了热噪声复合环境试验中石英灯加热能力不足和加热能力下降的技术难题，可实现飞行器结构表面热环境超过1000℃的热噪声复合环境的同时模拟，为飞行器结构热噪声复合环境下的结构可靠性评估提供了一种试验考核手段。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种火焰加热式热噪声复合环境试验装置，它解决在热噪声复合环境试验中石英灯加热器加热能力不足和加热能力下降的技术难题，为飞行器结构热噪声复合环境下的结构可靠性评估提供了一种考核手段。
本发明的一种火焰式热噪声复合环境试验装置，包含行波管噪声装置、噪声测试系统和热试验装置，用于对被试件进行热噪声复合环境试验，其中，热试验装置为火焰式加热。
如上所述的火焰式热噪声复合环境试验装置，其中，使用甲烷和氧气产生火焰。
如上所述的火焰式热噪声复合环境试验装置，其中，所述热试验装置包含：燃气储存系统、火焰管路系统、火焰加热枪、火焰控制系统、火焰监测器、火焰加热枪安装板、温度测试系统；火焰加热枪通过火焰加热枪安装板安装在行波管侧壁上，并伸入到行波管内部，针对火焰加热枪，在上气流方向和下气流方向布置2个火焰监测器；在火焰控制系统的控制下，由燃气储存系统通过火焰管路系统向火焰加热枪提供甲烷和氧气气体；所述的温度测试系统包含温度传感器和信号调理器，测试被试件的温度，并将测试信息输出到火焰控制系统，用于控制火焰的大小。
如上所述的火焰式热噪声复合环境试验装置，其中，所述火焰式热噪声复合环境试验装置包含9个加热枪，加热枪采用3×3阵列进行排布，对试验件进行加热。
如上所述的火焰式热噪声复合环境试验装置，其中，所述的火焰管路系统分别包含9路甲烷管路和9路氧气管路，每个加热枪分别与单独的甲烷管路和氧气管路相连；所述的火焰控制系统，包含18路控制线路，每个线路独立控制1路甲烷管路或者1路氧气管路。
如上所述的火焰式热噪声复合环境试验装置，其中，所述温度测试系统采用红外点温仪进行测试。
如上所述的火焰式热噪声复合环境试验装置，其中，所述火焰检测器的前端包含防风罩，火焰检测器对燃烧火焰进行连续检测。
如上所述的火焰式热噪声复合环境试验装置，其中，在所述的行波管内侧，在试验段铺有刚性防热层。
本发明的技术方案是采用行波管装置模拟噪声环境，采用火焰加热方式模拟热环境，燃气为甲烷，实现对试验件同侧热和噪声载荷的联合施加。甲烷储存罐和氧气储存罐分别通过火焰管路系统与火焰加热枪连接，燃气和氧气管路上设有减压阀、高低压检测保护、安全切断阀、流量调节阀等，根据试验件加热要求调节燃气和氧气供应量。火焰加热器包含九个加热枪，每个加热枪都有各自的燃气和氧气火焰管路系统，每条火焰管路系统独立控制。九个加热枪按照3×3阵列排布安装在行波管试验段的侧壁上，试验件安装与加热器相对的行波管试验段侧壁上。试验件的温度采用非接触式红外点温仪进行测试，在安装火焰加热器的行波管侧壁上气流方向和下气流方向各安装火焰监测器对加热器进行实施检测。
本发明与现有技术相比的有益效果：
1）采用火焰加热器作为热噪声试验的加热装置，克服了常规石英灯加热器耐噪声能力差和加热能力弱的缺点，使得试验系统的加热能力得到显著提升，可实现试验件1000℃以上的热环境施加。
2）在强噪声环境中，火焰加热器加热枪耐噪声能力强，不易损坏，保证了试验过程中试验件加热温度的稳定性。
3）采用多个加热枪组成的阵列对试验件进行加热，在保证试验件加热温度的同时，也具有很高的温度均匀性。
4）火焰加热器的每个加热枪都具有单独的燃气管路、氧气管路和控制系统，对试验件加热具有很强的调控性，以及采用火焰监测器对加热状态进行实施监控，保证了试验过程的安全性。
本发明作为一种火焰加热式的热噪声复合环境模拟的试验装置，可用于高超声速飞行器翼舵结构、可重复使用运载器的大面积热防护系统的热噪声复合环境性能考核试验，可用于超声速航空飞行器蒙皮壁板结构的热噪声性能考核，在飞行器结构优化和热噪声复合环境考核方面有广泛的应用前景。
附图说明
图1本发明的火焰加热式热噪声复合环境试验装置构成图。
图2本发明的火焰加热枪安装板。
图3本发明的火焰加热火焰管路系统。
图4本发明的火焰加热枪安装图。
其中，1为行波管噪声装置，2为火焰监测器，3为火焰加热枪，4为火焰管路系统，5为燃气储存系统，6为火焰控制系统，7为火焰加热枪安装板，8为噪声测控系统，9为试验件夹具，10为试验件，11为温度测点，12为安装孔，13为氧气储存罐，14为甲烷储存罐，15为减压阀，16为球阀，17为压力变送器，18为低压压力开关，19为燃气切断阀，20为高压压力开关，21为电动调节阀，22为电磁阀，23为连接螺栓，24为行波管试验段，25为刚性防热层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
本发明是一种火焰加热式热噪声复合环境模拟试验装置，如图1所示，包含行波管噪声装置1、火焰监测器2、火焰加热枪3、火焰管路系统4、火焰供气系统5、火焰控制系统6、火焰加热枪安装板7、噪声测控系统8、试验件夹具9、试验件10和包括温度测点11的温度测控系统。试验件为金属或高温复合材料试验件。
其中，所述的行波管噪声装置1包含用于产生噪声的电动扬声器、号筒、试验段、扩散段和消声段，各组件之间依次连接。所述的噪声测控系统8包含传声器和控制系统。
所述的火焰加热枪安装板7包含九个安装孔12，其排列如图2所示。所述的燃气储存系统5包含氧气储存罐13和甲烷储存罐14。
如图3为本发明的燃气火焰管路系统4，包含甲烷火焰管路系统和氧气火焰管路系统，其中甲烷火焰管路系统包含减压阀15、球阀16、压力变送器17、低压压力开关18，燃气切断阀19、高压压力开关20和电动调节阀21，对燃气加热枪所需的燃气进行调控。其中氧气火焰管路系统包含减压阀、球阀、压力变送器、低压压力开关，电磁阀22、高压压力开关和电动调节阀等，对燃气加热枪所需的氧气进行调控，在氧气火焰管路中可以使用电磁阀，而在甲烷火焰管路系统中在相对应位置使用燃气切断阀19，更加安全。
并且，在管路上设置高低压检测保护，利用上述阀门在管路压力异常的情况下，进行调节。
火焰控制系统6，包含18路控制线路，每个线路独立控制1路甲烷管路或者1路氧气管路。
具体实施中，试验系统的布局如图1所示。火焰加热枪3和试验件10分别布置在行波管噪声装置1试验段的两侧，两个火焰监测器2分别放置在火焰加热枪3的上气流方向和下气流方向的行波管侧壁上，如没有测到火焰，会发出熄火报警和关闭燃气管路。噪声测控系统8的传声器放置在试验件的上气流方向。
火焰加热枪的安装如图4所示，九个火焰加热枪3穿过安装板7上的安装孔12，通过连接螺栓23固定，加热枪3燃烧喷口距离试验件距离可适当调节。行波管噪声装置1的试验段24的内部覆有刚性的防热层25，用于防止火焰加热时对行波管试验段24的加热效应。
对于本发明实例，选取C/SiC平板为试验件，厚度为2mm，尺寸为288×288mm2，在行波管的外侧采用红外点温仪对试验件温度进行测量。
使用本发明所述火焰式热噪声复合环境试验装置的具体步骤如下：1）试验件安装；2）噪声系统和火焰加热系统调试；3）预试验实施，火焰加热系统检查，噪声系统检查，测试和监测系统检查；4）正式试验实施，启动火焰加热系统，待试验件达到指定温度时，开始施加噪声载荷，随后调节火焰系统，保持试验件的温度达到指定要求；5）加热系统和噪声联合施加保持规定时间；6）试验停止；7）试验数据处理。
上面对本发明的实施例作了详细说明。显然，上述实施方式仅为本发明的最优实施例，但是本发明并不限于上述实施例。在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种火焰式热噪声复合环境试验装置，包含行波管噪声装置(1)、噪声测控系统(8)和热试验装置，用于对被试件进行热噪声复合环境试验，其特征在于，热试验装置为火焰式加热；
使用甲烷和氧气产生火焰；
所述热试验装置包含：燃气储存系统(5)、火焰管路系统(4)、火焰加热枪(3)、火焰控制系统(6)、火焰监测器(2)、火焰加热枪安装板(7)、温度测试系统；火焰加热枪(3)通过火焰加热枪安装板(7)安装在行波管侧壁上，并伸入到行波管内部，针对火焰加热枪(3)，在上气流方向和下气流方向布置2个火焰监测器(2)；在火焰控制系统(6)的控制下，由燃气储存系统(5)通过火焰管路系统(4)向火焰加热枪(3)提供甲烷和氧气气体；所述的温度测试系统包含温度传感器和信号调理器，测试被试件的温度，并将测试信息输出到火焰控制系统(6)，用于控制火焰的大小。
2.如权利要求1所述火焰式热噪声复合环境试验装置，其特征在于，所述火焰式热噪声复合环境试验装置包含9个火焰加热枪(3)，火焰加热枪(3)采用3×3阵列进行排布，对试验件进行加热。
3.如权利要求2所述火焰式热噪声复合环境试验装置，其特征在于，所述的火焰管路系统(4)分别包含9路甲烷管路和9路氧气管路，每个火焰加热枪(3)分别与单独的甲烷管路和氧气管路相连；所述的火焰控制系统(6)，包含18路控制线路，每个线路独立控制1路甲烷管路或者1路氧气管路。
4.如权利要求3所述火焰式热噪声复合环境试验装置，其特征在于，所述温度测试系统采用红外点温仪进行测试。
5.如权利要求4所述火焰式热噪声复合环境试验装置，其特征在于，所述火焰监测器(2)的前端包含防风罩，火焰监测器(2)对燃烧火焰进行连续检测。
6.如权利要求5所述火焰式热噪声复合环境试验装置，其特征在于，在所述的行波管内侧，在试验段铺有刚性防热层。
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