CN108088869B - 一种热防护系统隔热性能试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热防护系统隔热性能试验装置。所述热防护系统隔热性能试验装置包括保温箱组件、支持系统、加热系统、风冷系统、水冷系统、控制系统、测量系统、温度传感器组；其中，温度传感器组设置在保温箱组件内，保温箱组件设置在所述热防护系统试验件的冷面上；热防护系统试验件设置在所述支持系统上；加热系统设置在所述支持系统上，所述加热系统用于为所述保温箱组件加热；风冷系统与所述温度传感器组连接，用于为保温箱组件降温；水冷系统与支持系统和加热系统连接，用于为支持系统和加热系统降温。本申请的热防护系统隔热性能试验装置采用半封闭式试验装置，实现飞机热防护系统的隔热性能试验。能够解决现有技术中的问题。
Description
技术领域
本发明隔热性能试验技术领域，特别是涉及一种热防护系统隔热性能试验装置。
背景技术
随着飞机马赫数的提高，飞机表面会受到严重的气动加热，使飞机表面温度升高，飞机内部系统受到机翼外表面温度的热传导、热辐射和热对流的联合影响，温度也会急剧升高，使内部系统发生故障甚至损坏，影响飞机的安全性能。为了避免这种现象出现，通常采用热防护系统(TPS)对飞机内部系统进行防护，如金属蜂窝夹层结构等。为了验证热防护系统的隔热性能，需开展热防护系统隔热性能试验。
一般的隔热性能试验常为高温隔热材料的材料级别试验，难以应用于飞机热防护系统隔热试验。主要有几个方面原因：
一是传统隔热性能试验通常在高温环境箱中进行，而热防护系统作为飞机中较大尺寸的结构件，难以在环境箱中进行，但完全开放的试验环境又会造成试验环境空气与测试温度发生热量交换，影响测试精度；
二是传统隔热性能试验常采用碳化硅、石墨等为加热体，通过热传导的方式对试验件热面进行加温，这种方式往往加温速率低，难以满足飞机热防护系统真实的温升率情况，并且石墨容易发生氧化，还需要在真空或惰性气体环境中开展试验；
三是传统的隔热性能试验仅测量试验件冷面的温度来判定隔热性能，仅考察了热传导的影响，而未考虑高温环境对内部系统热辐射和热对流的影响。
四是，热防护系统的隔热性能试验中往往需要考察试验件不同温度下的隔热性能，而在试验件加载到最高温度前，通常采用一个试验件进行试验，每阶段的加温试验结束后都必须将试验件降温到加温前的初始温度，然后再对试验件重新加温。而试验件的降温过程往往是自然冷却或风机冷却，效果不好，浪费试验时间。
因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热防护系统隔热性能试验装置来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。
为实现上述目的，本发明提供一种热防护系统隔热性能试验装置，所述热防护系统试验件包括冷面以及热面；所述热防护系统隔热性能试验装置包括保温箱组件、支持系统、加热系统、风冷系统、水冷系统、控制系统、测量系统、温度传感器组；其中，所述控制系统分别与保温箱组件、所述加热系统、风冷系统、水冷系统测量系统以及温度传感器组连接；
所述温度传感器组设置在所述保温箱组件内，所述保温箱组件设置在所述热防护系统试验件的冷面上；
所述热防护系统试验件设置在所述支持系统上；
所述加热系统设置在所述支持系统上，所述加热系统用于为所述保温箱组件加热；
所述风冷系统与所述温度传感器组连接，用于为所述保温箱组件降温；
所述水冷系统与所述支持系统和/或所述加热系统连接，用于为所述支持系统和/或所述加热系统降温；
测量系统，所述测量系统与所述温度传感器组连接，所述测量系统用于测试所述热防护系统试验件的温度。
优选地，所述温度传感器组包括第一温度传感器、第二温度传感器以及第三温度传感器、第四温度传感器；其中，第一温度传感器安装在所述热防护系统试验件热面上；第二温度传感器安装在所述热防护系统试验件的冷面上；所述第三温度传感器以及第四温度传感器安装在所述热防护系统试验件的上方。
优选地，所述保温箱组件与热防护系统试验件的冷面之间严密贴合，所述保温箱组件的上设置有风冷进气口以及风冷出气口；
所述保温箱组件进一步包括压力表、机械安全阀以及第一电磁阀、第二电磁阀，其中，压力表设置在所述风冷出气口处；机械安全阀与所述风冷出气口连接；所述第一电磁阀与所述风冷出气口连接；所述风冷系统通过第二电磁阀与所述风冷进气口连接。
优选地，所述支持系统包括框架、试验件支撑架、加热器支撑架以及脚轮；其中，所述试验件支撑架设置在所述框架上；所述加热器支撑架设置在所述框架上；所述热防护系统试验件设置在所述试验件支撑架上；所述加热系统设置在所述加热器支撑架上。
优选地，所述框架底部安装有脚轮。
优选地，所述试验支撑架上设置有试验支撑槽；
所述试验件支撑槽上设置有高硅氧棉毡保温材料；
所述试验件支撑架内部为空心腔，所述水冷系统连通所述空心腔。
优选地，所述加热器支撑架上设置有高硅氧棉毡保温材料；所述加热器支撑架包括反射板安装槽以及第二安装槽；所述加热系统包括反射板、水冷管路以及绝缘子；所述加热系统的反射板安装在加热器支撑架的反射板安装槽上，所述加热系统的水冷管路通过绝缘子与加热器支撑架的安装槽连接。
优选地，所述加热系统进一步包括电极以及石英灯管，其中，石英灯管与电极连接，电极由两块带有弧形凹槽的固定块组成，所述电极(29)设置在所述水冷管路上且能够相对所述水冷管路运动。
优选地，所述反射板安装在在加热器支撑架的反射板安装槽上，所述反射板内部有多个独立空心腔，各个所述独立空心腔与水冷系统连通；所述反射板由高反射率的耐高温金属材料制成，所述反射板的一个面面向所述石英灯管，且该面采用抛光处理或高反射率材料涂层。
本申请的热防护系统隔热性能试验装置采用半封闭式试验装置，实现飞机热防护系统的隔热性能试验。能够解决现有技术中的问题。
附图说明
图1是本申请第一实施例的热防护系统隔热性能试验装置的结构示意图。
图2是图1所示热防护系统隔热性能试验装置的保温箱组件的结构示意图。
图3是图1所示热防护系统隔热性能试验装置的支持系统的结构示意图。
图4是图1所示的热防护系统隔热性能试验装置的支持系统的局部示意图。
图5是图1所示的热防护系统隔热性能试验装置的加热系统的局部示意图。
图6是图1所示的热防护系统隔热性能试验装置的加热系统的另一局部示意图。
附图标记：
| 2 | 支持系统 | 3 | 加热系统 |
| 4 | 风冷系统 | 5 | 水冷系统 |
| 6 | 控制系统 | 7 | 测量系统 |
| 9 | 保温箱组件 | 12 | 第三温度传感器 |
| 13 | 第四温度传感器 | 14 | 第二温度传感器 |
| 8 | 热防护系统试验件 | 17 | 框架 |
| 18 | 试验件支撑架 | 19 | 加热器支撑架 |
| 20 | 脚轮 | 21 | 试验支撑槽 |
| 23 | 高硅氧棉毡保温材料 | 24 | 反射板安装槽 |
| 25 | 第二安装槽 | 26 | 反射板 |
| 28 | 水冷管路 | 27 | 绝缘子 |
| 29 | 电极 | 30 | 石英灯管 |
| 15 | 风冷进气口 | 16 | 风冷出气口 |
| 10 | 引线孔 | 22 | 试验支撑架出水口 |
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
图1是本申请第一实施例的热防护系统隔热性能试验装置的结构示意图。图2是图1所示热防护系统隔热性能试验装置的保温箱组件的结构示意图。图3是图1所示热防护系统隔热性能试验装置的支持系统的结构示意图。图4是图1所示的热防护系统隔热性能试验装置的支持系统的局部示意图。图5是图1所示的热防护系统隔热性能试验装置的加热系统的局部示意图。图6是图1所示的热防护系统隔热性能试验装置的加热系统的另一局部示意图。
所述热防护系统试验件包括冷面以及热面。
如图1至图6所示的热防护系统隔热性能试验装置包括保温箱组件9、支持系统2、加热系统3、风冷系统4、水冷系统5、控制系统6、测量系统7、温度传感器组；其中，控制系统6分别与保温箱组件9、加热系统3、风冷系统4、水冷系统5测量系统7以及温度传感器组连接；
温度传感器组设置在保温箱组件9内，保温箱组件9设置在热防护系统试验件的冷面上；
热防护系统试验件8设置在支持系统2上；
加热系统3设置在支持系统2上，加热系统用于为保温箱组件9加热；
风冷系统4与温度传感器组连接，用于为保温箱组件9降温；
水冷系统7与支持系统2和加热系统3连接，用于为支持系统2和加热系统3降温；
测量系统7与温度传感器组连接，测量系统7用于测试热防护系统试验件的温度。
本申请的热防护系统隔热性能试验装置采用了半封闭的隔热试验装置，适用试验件尺寸范围广，采用石英灯管作为辐射源，可实现快速响应的温度加载。保温炉的设计保证了隔热试验对试验件热传导、热辐射和热对流的的多重影响，原理准确，并且保温箱的进出水口与风冷系统结合，实现了各个阶段温度加载试验的连续快速进行，节省试验时间。
参见图2，在本实施例中，温度传感器组包括第一温度传感器、第二温度传感器14以及第三温度传感器12、第四温度传感器13；其中，第一温度传感器安装在热防护系统试验件热面上；第二温度传感器14安装在热防护系统试验件8的冷面上；所述第三温度传感器12以及第四温度传感器13安装在热防护系统试验件8的上方。
热防护系统试验件8的隔热性能体现在热防护系统对内部连接设备的热传导影响和热防护系统对内部非连接设备的热辐射和热对流影响。因而需在热防护系统试验件的冷面上安装温度传感器14以及上方安装温度传感器12和13。
为了防止试验区域周围空气以及热防护系统试验件8下方加热的自然对流热空气影响，在热防护系统试验件8的冷面上放置保温箱组件9，保温箱组件9与测试件8之间严密贴合，保温箱组件9内部由保温材料构成，防止外界环境对内部环境的影响。为了将温度传感器信号线引出，在保温箱组件9的上方设置了引线孔10。
参见图1及图3，在本实施例中，保温箱组件9与热防护系统试验件8的冷面之间严密贴合，保温箱组件9的上设置有风冷进气口以及风冷出气口；
保温箱组件9进一步包括压力表、机械安全阀以及第一电磁阀、第二电磁阀，其中，压力表设置在风冷出气口处；机械安全阀与所述风冷出气口连接；第一电磁阀与所述风冷出气口连接；风冷系统4通过第二电磁阀与所述风冷进气口连接。
参见图2，在本实施例中，保温箱组件9的一侧上方设置了风冷进气口15和风冷出气口16，这么做有两个原因：一是因为在试验过程中，保温箱内的空气温度会升高，造成保温箱内气压增大，为了防止安全事故，设置风冷出气口，并将风冷出气口处16安装压力表，同时在风冷出气口16中连接机械安全阀和电磁阀，安全阀设置一个安全气压阈值，电磁阀常闭，当保温箱内压力超过安全值时，机械安全阀自动开启放气，同时压力表将信号传递给控制系统5，开启电磁阀放气；二是因为在热防护系统的隔热试验中常常需要考核同一个试验件的不同温度下的隔热性能，而试验要求是每次加温到一个温度后，必须降温到第一次加温时的初始温度，再重新加热。
因而为了保证试验的快速进行，需要在每次试验后快速降温；因而将风冷进气口15通过电磁阀连接风冷系统4，风冷出气口16连接电磁阀。试验进行时，在保温箱内气压未超过安全阀值时，进气口和出气口的电磁阀常闭，当试验结束时，开启进气口和出气口的电磁阀，采用风机驱动，将风冷系统4产生的冷空气送入保温箱内进行降温，再排出，直至温度传感器12、13和14的测量温度达到加温前的温度停止风冷系统4，关闭进气口和出气口的电磁阀，准备下阶段的加温。
参见图3，在本实施例中，支持系统2包括框架17、试验件支撑架18、加热器支撑架19；其中，试验件支撑架18设置在所述框架17上；加热器支撑架19设置在框架17上；热防护系统试验件设置在试验件支撑架18上；加热系统3设置在加热器支撑架19上。
在本实施例中，框架17为钢材料，对试验件支撑架18和加热器支撑架19起支撑作用，框架17底部安装有4个脚轮20，可以使支撑系统2易移动，并且具有锁死功能。
试验件支撑架18对试验件1起支撑作用，如图4所示。热防护系统试验件一般不能在表面打孔或安装接头等，因而采用支撑的方式将测试件8放置在试验件支撑槽21上。此外，为了使下方的加热系统3可以使测试件8的热面温度均匀，需要使加热系统3的加热面积大于测试件8的面积一定比例，但是这样会造成加热系统3对测试件1的侧面加温以及产生的热扰流会对测试件8的冷面产生温度干扰，因而沿着试验件支撑槽21的方向放置高硅氧棉毡保温材料23。试验件支撑架18内部为空心腔，两端的支撑架进水口和出水口22与水冷系统5相连，形成冷却水循环，防止试验件支撑架18热变形
参见图4，在本实施例中，试验支撑架18上设置有试验支撑槽21；试验件支撑槽21上设置有高硅氧棉毡保温材料23；试验件支撑架18内部为空心腔，水冷系统5连通所述空心腔。
参见图5，在本实施例中，加热器支撑架19上同样设置有高硅氧棉毡保温材料23；
加热器支撑架19包括反射板安装槽24以及第二安装槽25；
加热系统3包括反射板26、水冷管路28以及绝缘子27；
加热系统3的反射板26安装在加热器支撑架19的反射板安装槽24上，加热系统3的水冷管路28通过绝缘子27与加热器支撑架19的安装槽25连接。
具体地，在本实施例中，加热器支撑架19对加热系统3起支撑作用，为了防止加热系统3对支撑系统2产生高温影响，在加热器支撑架19上放置高硅氧棉毡保温材料23，布置在加热系统3的四周。加热系统3的反射板26安装在加热器支撑架19的反射板安装槽24上，加热系统3的水冷管路28通过绝缘子27与加热器支撑架19的安装槽25连接，如图5所示。
参见图6，在本实施例中，加热系统进一步包括电极29以及石英灯管30，其中，石英灯管30与电极29连接，电极29由两块带有弧形凹槽的固定块组成，电极29设置在所述水冷管路28上且能够相对所述水冷管路28运动。
参见图6，在本实施例中，反射板26安装在在加热器支撑架19的反射板安装槽24上，所述反射板内部有多个独立空心腔，各个所述独立空心腔与水冷系统5连通；所述反射板26由高反射率的耐高温金属材料制成，所述反射板26的一个面面向所述石英灯管30，且该面采用抛光处理或高反射率材料涂层。
具体地，石英灯管30与电极29连接，电极29由两块带有弧形凹槽的固定块组成，采用螺钉对电极29的固定块进行安装和拆卸，并可以调整电极29在水冷管路28上的位置，进而调整石英灯管30的间隙，最终改变热防护系统试验件8表面的温度场均匀性。
水冷管路28中心设置有通孔，并置于电极29的弧形凹槽内，水冷管路28的进水口和出水口分别与水冷系统5连接，形成冷却水循环，对电极29进行降温，防止其因高温变形造成石英灯管30掰断。
反射板26由高反射率的耐高温金属材料制成，面向石英灯管30的一侧表面采用抛光处理或高反射率材料涂层，一方面可以提高表面的反射率，使背离试验件方向的大部分热辐射反射回试验件，另一方面又可以减少反射板吸收的热量，降低反射板的温度。反射板26安装在在加热器支撑架19的反射板安装槽24上，反射板内部有多个独立空心腔，与水冷系统5的进出水口连接形成冷却水循环，防止反射板在高温环境下发生变形。
风冷系统4在每个阶段的加温试验结束后，对保温箱9内部环境降温，温度传感器12、13和14测量的温度实时反馈给测量系统7，测量系统将信号反馈给控制系统6，控制系统6根据反馈值对风冷系统4、风冷进气口14的电磁阀和风冷出气口15的电磁阀进行控制。
水冷系统5对支持系统2试验件支撑架18、加热系统3的反射板26和水冷管路28进行冷却降温。
测量系统7在试验中将热防护系统试验件8的热面控制点温度反馈给控制系统6，与温度设定值进行误查校验，控制系统6通过修改加热系统3的控制模型的PID参数，实现特定温度、特定温升率的隔热性能试验。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种热防护系统隔热性能试验装置，所述热防护系统试验件包括冷面以及热面；其特征在于，所述热防护系统隔热性能试验装置包括保温箱组件(9)、支持系统(2)、加热系统(3)、风冷系统(4)、水冷系统(5)、控制系统(6)、测量系统(7)、温度传感器组；其中，
所述控制系统(6)分别与保温箱组件(9)、所述加热系统(3)、风冷系统(4)、水冷系统(5)测量系统(7)以及温度传感器组连接；
所述温度传感器组设置在所述保温箱组件(9)内，所述保温箱组件(9)设置在所述热防护系统试验件的冷面上；
所述热防护系统试验件(8)设置在所述支持系统(2)上；
所述加热系统(3)设置在所述支持系统(2)上，所述加热系统用于为所述保温箱组件(9)加热；
所述风冷系统(4)与所述温度传感器组连接，用于为所述保温箱组件(9)降温；
所述水冷系统(7)与所述支持系统(2)和/或所述加热系统(3)连接，用于为所述支持系统(2)和/或所述加热系统(3)降温；
测量系统(7)，所述测量系统(7)与所述温度传感器组连接，所述测量系统(7)用于测试所述热防护系统试验件的温度；
所述保温箱组件(9)与热防护系统试验件(8)的冷面之间严密贴合，所述保温箱组件(9)的上设置有风冷进气口以及风冷出气口；
所述保温箱组件(9)进一步包括压力表、机械安全阀以及第一电磁阀、第二电磁阀，其中，压力表设置在所述风冷出气口处；机械安全阀与所述风冷出气口连接；
所述第一电磁阀与所述风冷出气口连接；
所述风冷系统(4)通过第二电磁阀与所述风冷进气口连接；
所述温度传感器组包括第一温度传感器、第二温度传感器(14)以及第三温度传感器(12)、第四温度传感器(13)；其中，第一温度传感器安装在所述热防护系统试验件热面上；
第二温度传感器(14)安装在所述热防护系统试验件(8)的冷面上；
所述第三温度传感器(12)以及第四温度传感器(13)安装在所述热防护系统试验件(8)的上方；
所述试验支撑架(18)上设置有试验支撑槽(21)；
所述试验件支撑槽(21)上设置有高硅氧棉毡保温材料(23)；
所述试验件支撑架(18)内部为空心腔，所述水冷系统(5)连通所述空心腔；
所述加热器支撑架(19)上设置有高硅氧棉毡保温材料(23)；
所述加热器支撑架(19)包括反射板安装槽(24)以及第二安装槽(25)；
所述加热系统(3)包括反射板(26)、水冷管路(28)以及绝缘子(27)；
所述加热系统(3)的反射板(26)安装在加热器支撑架(19)的反射板安装槽(24)上，所述加热系统(3)的水冷管路(28)通过绝缘子(27)与加热器支撑架(19)的安装槽(25)连接。
2.如权利要求1所述的热防护系统隔热性能试验装置，其特征在于，所述支持系统(2)包括框架(17)、试验件支撑架(18)、加热器支撑架(19)；其中，
所述试验件支撑架(18)设置在所述框架(17)上；
所述加热器支撑架(19)设置在所述框架(17)上；
所述热防护系统试验件设置在所述试验件支撑架(18)上；
所述加热系统(3)设置在所述加热器支撑架(19)上。
3.如权利要求2所述的热防护系统隔热性能试验装置，其特征在于，所述框架(17)底部安装有脚轮(20)。
4.如权利要求1所述的热防护系统隔热性能试验装置，其特征在于，所述加热系统进一步包括电极(29)以及石英灯管(30)，其中，石英灯管(30)与电极(29)连接，电极(29)由两块带有弧形凹槽的固定块组成，所述电极(29)设置在所述水冷管路(28)上且能够相对所述水冷管路(28)运动。
5.如权利要求4所述的热防护系统隔热性能试验装置，其特征在于，
所述反射板(26)安装在在加热器支撑架(19)的反射板安装槽(24)上，所述反射板内部有多个独立空心腔，各个所述独立空心腔与水冷系统(5)连通；所述反射板(26)由高反射率的耐高温金属材料制成，所述反射板(26)的一个面面向所述石英灯管(30)，且该面采用抛光处理或高反射率材料涂层。
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