CN109883660B - 一种热模拟试验控制方法 - Google Patents

Abstract

一种热模拟试验控制方法,本发明属于航空航天飞行器环境模拟技术领域。针对热模拟试验中温度或热流密度载荷谱与真实热载荷存在误差的问题，本发明提出一种热模拟试验控制方法：全方程热流密度控制，即通过测量试验件的表面温度实时核算出来热流密度命令值，将其与测得的试验件表面真实热流进行比较，计算机将相应的误差信号输出到功率控制器，进行热试验控制。本发明将气动加热与结构热响应的耦合效应和高温热力学参数随温度的变化对热流密度命令值的影响计入到了计算当中，更加真实的模拟了试验件的瞬态受热情况。

Description

一种热模拟试验控制方法

技术领域

本发明涉及航空航天飞行器环境模拟技术领域，特别是用于高速飞行器瞬态地面热模拟试验控制方法。

背景技术

随着高速飞行器速度的不断提高，在超声速飞行时出现的“热障”问题变得越来越突出，严重的气动加热所产生的高温会降低材料的强度极限和飞行器结构的承载能力，使结构产生热变形，破坏部件的气动外形并影响飞行器的安全飞行。为保证高速飞行器的安全，确认飞行器的材料和结构是否能经得起高速飞行时所产生的热冲击及高温热应力破坏，须建立高速飞行器瞬态地面热模拟试验系统，模拟飞行器材料和结构在高速飞行时的真实受热状况，对高速飞行器热强度进行验证试验。

对飞行器材料和结构在高速飞行时的受热状况的模拟是否真实，主要取决于试验中所控制的物理量及控制方法。热模拟试验常用的控制方法有两种：温度控制和热流密度控制，这两种方法的共同点是需要预先给定温度或热流密度的控制曲线，而温度或热流密度控制曲线一般是根据气动加热参数和结构件简单的一维热分析模型计算得到的，无法考虑气动加热与结构热响应的耦合效应，此外，由于缺乏某些材料的高温热力学参数，使计算得到的温度或热流密度载荷谱与结构表面所承受的真实热载荷有比较大的差别。

本发明为一种新的热模拟试验控制方法，即全方程热流密度控制。所谓全方程热流密度控制即试验过程中热流密度命令值不是在试验开始前提前输入的，而是通过测量试验件的表面温度实时核算出来的，它是针对飞行器飞行状态实时模拟的一种控制方法。该控制方法可以弥补前两种控制方法的不足，可以模拟气动加热与结构热响应的耦合效应，以及材料的高温热力学参数随温度的变化。

发明内容

本发明的目的是提供一种热模拟试验控制方法，精确实现高速飞行器瞬态地面热模拟，使试验模拟更加准确，以达到真实模拟试验件(飞行器)受热情况的目的。

本发明的技术方案是：将试验委托方提供的飞行器轨道参数和相关的空气动力加热数据预先输入计算机，试验时用热电偶(温度传感器)测出试验件表面温度，并将此数据传给计算机，计算机就对任何瞬间按热流密度控制方程进行运算，得到该瞬间试验件表面应该达到的加热热流密度，即热流密度命令值。将此热流密度命令值与热流密度计所测得的试验件表面真实热流进行比较，如有差异，则计算机将相应的电信号(误差信号)输出到功率控制器中，进而改变辐射式加热器当中的石英灯的电压，从而进行热试验控制。

与现有技术相比，本发明在地面模拟试验中，将气动加热与结构热响应的耦合效应对热流密度命令值的影响、高温热力学参数随温度的变化对热流密度命令值的影响计入到了计算当中，全方程热流密度控制方法针对飞行器飞行状态实时模拟的一种控制方法，因此更加真实的模拟了试验件的瞬态受热情况。

附图说明

图1为本发明全方程热流密度控制方法框图；

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步的说明：

一种热模拟试验控制方法针对某飞行器结构件进行全方程热流密度控制，其具体步骤为：

步骤1：确定飞行器(试验件)气动加热热流密度控制方程，由试验委托方给定。由气动加热理论可知，在热流密度控制方程中除黑度系数ε和波尔兹曼常数σ这两个常数外，其它各参数(包括附面层底部气体与飞行器壁面间的对流换热系数h、附面层底部气体在阻尼温度下的定压比热C_p、附面层底部气体的恢复焓J_e、壁面温度下的热焓J_w)均为飞行器表面温度的函数，所以输入飞行器的热流密度最终可表示为飞行器表面温度的函数，因此只要测得飞行器(试验件)表面温度，就可确定热流密度值；

步骤2：标定热流密度损失项q_loss。地面热模拟试验采取石英灯辐射加热模拟飞行器的热流密度输入，由于存在空气对流和试件本身的热辐射损失，试验运行过程中必须对热流密度理论计算值进行修正，补偿由于空气对流和试件本身的热辐射产生的热流密度损失，而热流密度损失与试验件与空气自然对流换热系数及试验件表面温度等多种因素有关，通过计算直接得到总的热损失非常困难，所以热流密度损失项通过单独热流密度损失标定试验方法来测定；

步骤3：将热流密度损失项及飞行器气动加热参数引入控制系统。将热流密度损失项q_loss、黑度系数ε、波尔兹曼常数σ、附面层底部气体与飞行器壁面间的对流换热系数h、附面层底部气体在阻尼温度下的定压比热C_p、附面层底部气体的恢复焓J_e、壁面温度下的热焓J_w等参数引入控制系统。这个过程为载荷谱的编制过程，对于载荷谱的编制分两步进行：1.为每一个需要引入的参数各自添加一个通道，然后排列对应通道的控制载荷谱，即输入同一时间点内各通道对应的载荷，若采用美国MTS控制系统，控制载荷谱在Load Table中编制；2.排列飞行谱，即排列两级加载段之间的运行时间，飞行谱在Profile中编制。对于以温度为自变量的物理量可如热电偶分度表插值一样分段进行线性插值，可通过“基于信号的命令”功能(SBC，Signal Based Command)进行输入，然后将SBC表格在各自通道的控制载荷谱选定。

步骤4：用贴在飞行器表面的温度传感器测得飞行器表面温度TS。

步骤5：将飞行器气动加热参数、飞行器(试验件)表面温度及热流密度损失项代入热流密度控制方程

中计算出气动加热热流密度值。对应试验程序中，先添加一个通道，在此通道中输入热流密度控制方程，再将其他通道中所计算得到的、所测量得到的物理量及引入的物理量引用到该通道的控制方程中，进而计算出热流密度值q_sta。

步骤6：用贴在飞行器表面的热流密度计测得当前时刻热流密度反馈值。

步骤7：将计算得到的热流密度值q_sta作为下一时刻热流密度命令值，与当前时刻测得的热流密度反馈值进行比较。

步骤8：根据二者之差调整功率控制器电压，实现对结构热试验的全方程热流密度控制。热流密度命令值大于热流密度反馈值，控制系统给功率控制器正电压信号，功率控制器会加大功率，进而石英灯加热器也会加大功率；热流密度命令值小于热流密度反馈值，控制系统给功率控制器负电压信号，功率控制器会减小功率，进而石英灯加热器也会减小功率，以此来实现地面热模拟试验的全方程热流密度控制。

Claims (3)

1.一种热模拟试验控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：确定试验件气动加热热流密度控制方程，根据气动加热理论得到试验件气动加热热流密度控制方程，在所述热流密度控制方程中除黑度系数ε和波尔兹曼常数σ这两个常数外，其它各参数均为试验件表面温度的函数，即输入试验件的热流最终可表示为表面温度的函数，测得试验件表面温度，就可确定热流密度载荷值；步骤2：标定热损失项，通过单独热损失标定试验方法来测定热损失项，在试验过程中补偿由于对流和热辐射产生的热损失；步骤3：将试验件轨道参数及相关的空气动力加热数据引入计算机，即控制载荷谱的编制过程，首先为每一个需要引入的参数各自添加一个通道，排列对应通道的控制载荷谱，即输入同一时间点内各通道对应的载荷；其次排列飞行谱，即排列两级加载段之间的运行时间；步骤3中控制系统选用美国MTS控制系统，弹道参数的引入选用“基于信号的命令”功能实现；步骤4：用贴在试验件表面的温度传感器测得试验件表面温度；步骤5：将试验件轨道参数、相关空气动力加热数据、试验件表面温度及热损失项代入热流密度控制方程计算出气动加热热流密度值，对应试验程序中，先添加一个通道中，在此通道中输入热流密度控制方程，再将其他通道中所计算得到的、所测量得到的物理量及输入的物理量引入到该通道中，进而计算出热流密度值；步骤6：用贴在试验件表面的热流密度计测得当前时刻热流密度反馈值；步骤7：将计算得到的热流密度值作为下一时刻热流密度命令值，与当前时刻热流密度反馈值进行比较；步骤8：根据二者比较结果调整功率控制器电压，实现对结构热试验的全方程热流密度控制，热流密度命令值大于热流密度反馈值，控制系统给功率控制器正电压信号，功率控制器会加大功率，进而试验加热器也会加大功率；热流密度命令值小于热流密度反馈值，控制系统给功率控制器负电压信号，功率控制器会减小功率，进而试验加热器也会减小功率。

2.根据权利要求1所述的一种热模拟试验控制方法，其特征在于：步骤2标定热损失项时，选用标定件为与试验件为同一种材料的小板。

3.根据权利要求1所述的一种热模拟试验控制方法，其特征在于：步骤5利用所述热流密度控制方程计算气动加热热流密度值是在虚拟控制通道中通过编程实现。

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