CN108493092A - 具有透明陶瓷灯管的红外线加热灯 - Google Patents

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毕研强
柳晓宁
侯雅琴
周艳
武飞
邹世杰
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Abstract

本发明公开一种具有透明陶瓷灯管的红外线加热灯，包括两个夹片型钢条式连接片灯头以及型透明陶瓷灯管，灯管内设置过渡段和加热段，过渡段内设置铌杆电极，加热段内设置螺旋钨丝，钨丝相隔一定距离采用支撑环架进行支撑，螺旋钨丝在工作电压作用下发热，产生红外线，穿过透明陶瓷灯管向外辐射能量，用来加热试件。本发明使用透明陶瓷做红外线加热灯的灯管，提高红外线加热灯的工作温度，为需要进行热防护试验的飞行器进行地面热防护试验提供技术支持。

Description

具有透明陶瓷灯管的红外线加热灯
技术领域
本发明属于飞行器地面热防护试验技术领域，具体涉及一种用于飞行器及其部组件在地面进行的高温、高热流热防护试验用的红外线加热器。其中，飞行器热防护地面试验主要是进行防热材料的筛选、考核和防热结构的评估，考核飞行器热防护设计在气动热环境中的适应性，发现热防护设计中的缺陷，优化热防护设计，考核热防护系统的功能特性，确保飞行任务的成功。
背景技术
飞行器再入返回过程中，要从高速的轨道速度降低到着陆前允许的速度，大气对飞行器的阻尼功的一部分最终表现为传向飞行器表面的气动加热，使飞行器表面温度上升到千度以上。为了防止再入返回阶段气动加热对飞行器造成损坏，飞行器表面铺设有热防护材料。需要对热防护系统的效果进行试验验证。热防护试验方法是为了考核飞行器热防护设计在气动热环境中的适应性，通过地面试验发现热防护设计中的缺陷，优化热防护设计，考核热防护系统的功能特性，确保飞行任务的成功。
为了保证天地往返飞行器防热结构设计的完整性和可靠性，需要大量开展部件级、系统级的结构热试验项目。气动热环境的模拟有辐射加热模拟和气流加热模拟两种方法。气流加热的主要代表是高温风洞。但是高温风洞造价高昂，受运行压力和功率限制，而且气流状态只能实现阶梯式控制，无法满足全尺寸热防护结构件地面热模拟试验的需求。高温风洞试验只能考核表面热防护材料的性能，不能模拟再入期间舱内载荷所处的热环境。此外，辐射加热主要采用红外线加热灯、石墨加热器、电弧灯加热器等多种加热方式，模拟舱体表面高温边界的方法，实现在真空或低气压环境下能够将防热瓦表面加热到规定的温度。是实现多温区、随时间历程变化、全尺寸/整机热试验的唯一试验方法。与气流加热方法相比，辐射加热方法设备的建设和运行成本更经济，对于解决飞行器结构的传热、热变形、热匹配以及复合环境下的结构完整性方面具有独特的优势。因此，新型辐射加热元件的开发和研制，可逐步满足高超声速飞行器的高温、大加热率的试验能力需求。
发明内容
基于此，本发明要解决的技术问题是要提供一种用于飞行器及其部组件在地面进行的高温、高热流热防护热试验用的红外线加热灯。为了保证红外线加热灯加热段在高于1600℃的环境温度下可以正常工作，红外线加热灯的加热功率大于3000W，功率密度大于570KW/m2。
本发明目的是通过如下技术方案实现的：
具有透明陶瓷灯管的红外线加热灯，包括两个夹片型钢条式连接片灯头以及两个灯头底部设置的型透明陶瓷灯管，透明陶瓷灯管内设置对应其垂直部分的过渡段和对应其水平部分的加热段，两侧的过渡段内设置与灯头电连接的铌杆电极，加热段内设置两端分别与铌杆电极电连接的螺旋钨丝，螺旋钨丝相隔一定距离采用支撑环架进行支撑，螺旋钨丝在工作电压作用下发热，产生红外线，作为红外加热灯的主要辐射热源，穿过透明陶瓷灯管向外辐射能量，用来加热试件。
其中，螺旋钨丝采用钨金属绕制成螺旋而成。
其中，透明陶瓷灯管内充卤族元素例如氩气和溴气，以抑制钨的氧化和热挥发。
其中，透明陶瓷灯管在灯丝辐射过程中会吸收一部分能量，成为二次辐射源。
其中，透明陶瓷灯管所用的透明陶瓷的红外透射光谱基本上和石英相同，耐温超过2000℃。
其中，铌杆电极的电阻小，基本上不发热，通过支撑环架进行支撑。
其中，型透明陶瓷灯管，采用多晶氧化铝材质，制造多晶A1203陶瓷的材料纯度应在99.99％以上，总透光率大于96％，其红外透射光谱和石英基本上相同，杨氏模量、硬度、膨胀系数、热导率都比石英优秀，而且耐温超过2000℃。
其中，铌杆电极与夹片型钢条式连接片的不锈钢片采用焊接方式连接。
其中，以透明陶瓷灯管红外线加热灯为组件，将透明陶瓷灯管红外线加热灯进行不同排布组成多种红外加热阵(体)，形成对不同形状的试验件进行超过1500℃以上的快速加热能力。
本发明的红外线加热灯采用透明陶瓷做红外线加热灯的灯管，透明陶瓷灯管设计成型结构，型结构设计可以使红外加热灯的接线端与加热段存在一定距离，在加热平面和接线端面可以采取隔热措施保证接线端子处的温度处于安全的温度范围内，保证红外加热灯的正常工作。通过将本红外线加热灯的不同排布组成多种加热阵(体)，形成对不同形状的试验件进行超过1500℃以上的快速加热能力。本发明解决了飞行器再入热防护试验时高温、高热流环境的快速模拟的技术难点。在飞行器再入热防护试验时，可以根据飞行器的形状进行红外加热阵地设计，能够模拟高温、高热流飞行器再入热环境，使飞行器的热防护系统得到考核。本发明首次使用透明陶瓷做红外线加热灯的灯管，提高红外线加热灯的工作温度，为需要进行热防护试验的飞行器进行地面热防护试验提供了技术支持。
附图说明
图1为本发明的透明陶瓷灯管红外灯的结构示意图。
其中，1、导线；2、灯头-夹片型钢条式连接片3、铌杆电极4、型透明陶瓷灯管；5、螺旋钨丝；6、支撑环架。
具体实施方式
以下介绍的是作为本发明所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。
参见图1，图1为本发明的透明陶瓷灯管红外灯的结构示意图，其中，透明陶瓷灯管红外线加热灯，主要由铌杆电极3、螺旋钨丝5、支撑环架6、型透明陶瓷灯管4和灯头组成。透明陶瓷红外线加热灯包括夹片型钢条式连接片灯头2、以及设置在两个灯头底部的过渡段和加热段。具体实施方式如下：
过渡段内用铌杆作电极，分别与夹片型钢条式连接片灯头2通过导线1进行电连接，由于铌杆的电阻小，基本上不发热。加热段内的钨灯丝采用钨金属绕制成螺旋形成螺旋钨丝5，螺旋钨丝5在工作电压作用下发热，产生红外线，作为红外加热灯的主要辐射热源，穿过透明陶瓷灯管向外辐射能量，用来加热试件。透明陶瓷灯管内充氩气，以抑制钨的氧化和热挥发。透明陶瓷灯管在灯丝辐射过程中会吸收一部分能量，成为二次辐射源。螺旋钨丝所采用的钨属于高熔点金属，熔点达到3400℃，而且具有线膨胀系数小、高温下的蒸汽压和蒸发速度低等优点。透明陶瓷灯管所用的透明陶瓷红外透射光谱和石英几乎一样，杨氏模量、硬度、膨胀系数、热导率都比石英优秀，而且耐温超过2000℃。
在一具体实施方式中，型透明陶瓷灯管，采用多晶氧化铝材质，制造多晶A1203陶瓷的材料纯度应在99.99％以上，总透光率大于96％，其红外透射光谱和石英几乎一样，杨氏模量、硬度、膨胀系数、热导率都比石英优秀，而且耐温超过2000℃。透明陶瓷灯管可以替代石英灯管成为红外线加热灯的灯管。
在一具体实施方式中，透明陶瓷灯管形状为型结构，底部(水平段)放置螺旋钨丝为加热段，螺旋钨丝作为热源，左右边(垂直段)放置铌杆为过渡段，铌杆为红外线加热灯的电极。在透明陶瓷灯管内放置支撑环架用于固定钨丝和铌杆，在透明陶瓷灯管内充氩气，以抑制钨的氧化和热挥发。
其中，透明陶瓷灯管红外线加热灯灯头采用夹片型钢条式连接片，该连接方式中，铌杆与不锈钢片采用焊接方式连接，连接牢靠，耐高温。
其中，以透明陶瓷灯管红外线加热灯为组件，将透明陶瓷灯管红外线加热灯进行不同排布组成多种红外加热阵(体)，形成对不同形状的试验件进行超过1500℃以上的快速加热能力。
尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，本领域的技术人员可以依据本发明的精神对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用在未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.具有透明陶瓷灯管的红外线加热灯，包括两个夹片型钢条式连接片灯头以及两个灯头底部设置的型透明陶瓷灯管，透明陶瓷灯管内设置对应其垂直部分的过渡段和对应其水平部分的加热段，两侧的过渡段内设置与灯头电连接的铌杆电极，加热段内设置两端分别与铌杆电极电连接的螺旋钨丝，螺旋钨丝相隔一定距离采用支撑环架进行支撑，螺旋钨丝在工作电压作用下发热，产生红外线，作为红外加热灯的主要辐射热源，穿过透明陶瓷灯管向外辐射能量，用来加热试件。
2.如权利要求1所述的红外线加热灯，其中，螺旋钨丝采用钨金属绕制成螺旋而成。
3.如权利要求1所述的红外线加热灯，其中，透明陶瓷灯管内充卤族元素气体，以抑制钨的氧化和热挥发。
4.如权利要求3所述的红外线加热灯，其中，卤族元素气体为氩气和溴气。
5.如权利要求1所述的红外线加热灯，其中，透明陶瓷灯管在灯丝辐射过程中会吸收一部分能量，成为二次辐射源。
6.如权利要求1所述的红外线加热灯，其中，透明陶瓷灯管所用的透明陶瓷的红外透射光谱基本上和石英相同，耐温超过2000℃。
7.如权利要求1所述的红外线加热灯，其中，铌杆电极的电阻小，基本上不发热，通过支撑环架进行支撑。
8.如权利要求1所述的红外线加热灯，其中，型透明陶瓷灯管，采用多晶氧化铝材质，制造多晶A1203陶瓷的材料纯度应在99.99％以上，总透光率大于96％，其红外透射光谱和石英基本上相同，杨氏模量、硬度、膨胀系数、热导率都比石英优秀，而且耐温超过2000℃。
9.如权利要求1所述的红外线加热灯，其中，铌杆电极与夹片型钢条式连接片的不锈钢片采用焊接方式连接。
10.如权利要求1所述的红外线加热灯，其中，以透明陶瓷灯管红外线加热灯为组件，将透明陶瓷灯管红外线加热灯进行不同排布组成多种红外加热阵(体)，形成对不同形状的试验件进行超过1500℃以上的快速加热能力。
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