CN110127083A

CN110127083A - 用于地面高温高热流环境模拟的加热系统

Info

Publication number: CN110127083A
Application number: CN201910460380.XA
Authority: CN
Inventors: 王晶; 柳晓宁; 简亚彬; 冯尧; 杨晓宁; 安万庆; 周艳; 朱熙; 王奕荣
Original assignee: Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering
Priority date: 2019-05-30
Filing date: 2019-05-30
Publication date: 2019-08-16

Abstract

本发明公开了一种用于地面高温高热流环境模拟的加热系统，包括U型红外灯的灯阵、水冷反射模块、冷却水系统、功率控制系统、灯阵分线接线箱、上位计算机，数据采集设备，数据采集设备采集热流值、温度值，上位计算机通过这些数值得到功率控制系统输出的电流值，功率控制系统输出指定电流值给U型红外灯灯阵供电，其通过热辐射和热对流方式给试件加热，冷却水系统流经水冷反射模块，使各个U型红外灯温度保持在正常工作温度范围。本发明可用于大气环境、真空环境、真空低温环境和低气压环境等多种环境下高温高热流模拟试验。

Description

用于地面高温高热流环境模拟的加热系统

技术领域

本发明属于航天器和其它飞行器地面热试验技术领域，具体涉及一种可用于航天器在大气环境、真空环境、真空低温环境和低气压环境等多种环境下的高温高热流模拟试验加热系统。

背景技术

航天器或飞行器再入过程飞行马赫数大，热防护系统表面承受不同程度的气动加热，热防护系统的可靠性是飞行安全的关键因素。气动加热环境严酷，对结构和材料产生一系列不利的影响。极端表面温度、大温度梯度、高噪声脉动压等力/热载荷的耦合是其飞行轨道周期环境的显著特点，也是地面试验验证技术面临的最大难点。

高温高热流模拟常采用的模拟方法有辐射加热和气流加热(风洞)。其中辐射加热方法具有加热时间长、加热能力强、多温区控制等特点，是有效的结构全尺寸热试验方法；气流加热方法受试验空间、加热时间等限制在飞行器结构热试验中常不被采用，辐射加热方法已经成为飞行器热结构设计中的重要环节之一，目前主要采用石英灯、硅钼棒、石墨等辐射加热器件用于高温高热流模拟。硅钼棒和石墨加热器能获得更高的试验温度和加热热流，但结构设计复杂，系统响应速度慢，不适合用于快速升降温试验用。

针对飞行器表面温升速率高、热流密度大、温度变化高度非线性的特点，需要设计多分区气动热模拟系统，以便更加能够满足地面高温高热流环境模拟的要求。

发明内容

基于上述问题，本发明的发明目的是提供一种用于航天器、其它飞行器及其部组件在地面进行的高温高热流热试验用的加热系统，可用于大气环境、真空环境、真空低温环境和低气压环境等多种环境下温度1600℃或热流密度800kW/m²以下高温高热流环境模拟。

本发明目的是通过如下技术方案实现的：

用于地面高温高热流环境模拟的加热系统，包括U型红外灯、水冷反射模块、热流计、热电偶、冷却水系统、功率控制系统、灯阵分线接线箱、上位计算机，数据采集设备，其中，数据采集设备采集安装在试件表面的热流计的热流值以及粘贴在试件表面热电偶的温度值，上位计算机通过热流值和温度值计算得到功率控制系统输出的电流值，并发送指令给功率控制系统，功率控制系统输出指定电流值经灯阵分线接线箱给U型红外灯组成的灯阵供电，U型红外灯的灯阵通过热辐射和热对流的方式给试件加热，冷却水系统流经安装在U型红外灯后面的水冷反射模块，使各个U型红外灯温度保持在正常工作温度范围。

其中，U型红外灯为弯管红外灯，两个垂直段长度设计为200mm以上，加热段长度和功率根据使用要求设计，红外灯用卡具安装固定。

其中，U型红外灯的灯阵是由15支U型红外灯组成的模块，U型红外灯阵模块中的各红外灯分别通过分线箱经由供电电缆连接到功率控制系统上。

其中，水冷反射模块安装在各U型红外灯阵的背后，其两端冷却水系统相连接，一端为进水口、另一端为出水口。

进一步地，水冷反射模块为正面抛光金属反射板结构，背面增加水冷管路，由不锈钢材料制成；

其中，冷却水系统包括供水系统和排水系统，采用集水式流量分配方式，供水系统连接加热区内各水冷反射模块和热流计的进水口，排水系统连接加热区内各水冷反射模块和热流计的出水口。

其中，冷却水系统提供冷却用水，为提高各支路流量均匀性，应加大集水段和冷却水路管径比，在各回路进口位置安装压力测量传感器，出口位置安装流量计监测各支路流量；

其中，功率控制系统通过供电电缆连接至红外灯阵分线接线箱，上位计算机通过网线与功率调节设备的LAN口进行连接。

功率控制系统采用程控输出方式进行输出功率调节，采用可控硅或大功率程控电源作为功率调节元件；

其中，红外灯阵分线接线箱用于灯阵单灯引线和功率控制系统供电连接，单灯引线按照相序分配后，采用压接方式与接线端子连接，供电电缆利用快接插头接入分线箱，使用本设计可以方便实现单灯更换。

与现有技术相比，本发明的系统具有热惯性小、控制性能优良、加热功率大、构型灵活、建造成本低等显著优点。

附图说明

图1为本发明的一种用于地面高温高热流环境模拟的加热系统的系统工作原理图。

其中，1－红外灯阵；2－分线接线箱；3－供电电缆；4－功率控制系统；5－数据采集设备；6－供水集水器；7－供水管道；8－水冷反射模块；9－出水管道；10－出水集水器；11－上位计算机。

图2所示为本发明的一种用于地面高温高热流环境模拟的加热系统的集水式流量分配器结构组成图。

其中，21－供水管道；22－供水管道阀门；23－供水集水器；24－进水分支管路阀门；25－进水分支管路；26－水冷反射模块；27－水冷反射模块支撑结构；28－出水分支管路；29－出水分支管路阀门；30－出水集水器；31－出水管道阀门；32－出水管道。

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。

图1所示为本发明的一种用于地面高温高热流环境模拟的加热系统的系统工作原理图。该系统包括红外灯阵1；分线接线箱2；供电电缆3；功率控制系统(即功率调节设备)4；数据采集设备5；供水集水器6；供水管道7；水冷反射模块8；出水管道9；出水集水器10；上位计算机11。数据采集设备5采集安装在试件表面的水冷式高温热流计作为测量传感器的热流值以及粘贴在试件表面热电偶的温度值，上位计算机11通过热流值和温度值计算得到功率调节设备4输出的电流值，并发送指令给功率控制系统(即功率调节设备)4，功率控制系统(即功率调节设备)4输出指定电流值给红外灯阵1供电，红外灯阵1通过热辐射和热对流的方式给试件加热，冷却水通过供水集水器6分配至各供水管道7中，供水管道7的与水冷反射模块8的进水口相连接，出水管道9的与水冷反射模块8的出水口相连接，出水管道9将冷却水汇集在出水集水器10中后将冷却水排出。根据加热分区划分结构，可用管路将一个或者多个热流计串接为一个水冷回路，热流计引线沿冷却管路走线并接入测量仪器；高温热电偶作为测量传感器，根据测量温区选择对应量程热偶，高温热电偶在试验件表面采用多组份配比的无机高温胶粘贴，热偶丝引出加热区后接入快速数据采集系统；

其中，红外灯阵1由多个红外灯阵模块组成，每15支U型红外灯组成一个U型红外灯阵模块。U型红外灯为特制弯管红外灯，两个垂直段设计为200mm，加热段长度和功率可根据使用要求定制设计；

其中，分线接线箱2用于U型红外灯阵1引线和功率调节设备4供电连接，U型红外灯引线按照相序分配后，采用压接方式与接线端子连接，供电电缆3利用快接插头接入分线接线箱2；

其中，功率控制系统(即功率调节设备)4通过供电电缆3连接至红外灯阵分线接线箱2，上位计算机7通过网线与功率调节设备4的LAN口进行连接。功率控制系统(即功率调节设备)4采用程控输出方式进行输出功率调节，可采用可控硅或大功率程控电源作为功率调节元件；

进一步地，功率调节设备具备至少150KW的输出功率，输出电流分辨率不小于0.5A，并具有LAN通信接口。

其中，数据采集设备5采集安装在试件表面的热流计的热流值以及粘贴在试件表面热电偶的温度值，并将采集到的热流值和温度值发送给上位计算机7；

进一步地，数据采集设备5应具备0～100mV电压及0～20mA电流的测试能力；在量程为100mV电压档时，测量准确度不小于±2μV；在量程为20mA电流档时，测量准确度不小于±0.1μA。

其中，水冷反射模块8安装在各红外灯阵1的背后，对红外灯阵起冷却降温作用，确保红外灯在正常温度范围内工作；冷却水通过供水集水器6分配至各供水管道7中，供水管道7的与水冷反射模块8的进水口相连接，出水管道9的与水冷反射模块8的出水口相连接，出水管道9将冷却水汇集在出水集水器10中后将冷却水排出。应加大集水段和冷却水路管径比，在各回路进口位置安装压力测量传感器，出口位置安装流量计监测各支路流量；进一步地，供水集水器6、供水管道7、水冷反射模块8、出水管道9以及出水集水器10组成了冷却水系统；冷却水系统采用集水式流量分配器提供冷却用水，为提高各支路流量均匀性，应加大集水段和冷却水路管径比，在各回路进口位置安装压力测量传感器，出口位置安装流量计监测各支路流量。

图2所示为本发明的一种用于地面高温高热流环境模拟的加热系统的集水式流量分配器结构组成图。集水式流量分配器包括供水管道21；供水管道阀门22；供水集水器23；进水分支管路阀门24；进水分支管路25；水冷反射模块26；水冷反射模块支撑结构27；出水分支管路28；出水分支管路阀门29；出水集水器30；出水管道阀门31；出水管道32。在试验开始时，打开供水管道阀门22、进水分支管路阀门24、出水分支管路阀门29、出水管道阀门31；冷却水从供水管道21流入，在供水集水器23中汇集；由供水集水器23分配给进水分支管路25，各进水分支管路25连接各水冷反射模块26的进水端；冷却水流经各水冷反射模块26后由水冷反射模块26出水端流出，水冷反射模块26出水端连接各出水分支管路28；所有出水分支管路28将冷却水汇集至出水集水器30；出水集水器30连接出水管道阀门31，将冷却水由出水管道阀门31排出。水冷反射模块支撑结构27对各水冷反射模块26起支撑固定作用。

其中，供水管道21进入的冷却水的压力应不小于0.3MP,供水管道21的直径应不小于20cm；

其中，水冷反射模块26为正面抛光金属反射板结构，背面增加水冷管路，考虑结构强度，一般选择不锈钢材料。

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，均应在本发明保护范围之内。

Claims

1.用于地面高温高热流环境模拟的加热系统，包括U型红外灯、水冷反射模块、热流计、热电偶、冷却水系统、功率控制系统、灯阵分线接线箱、上位计算机，数据采集设备，其中，数据采集设备采集安装在试件表面的热流计的热流值以及粘贴在试件表面热电偶的温度值，上位计算机通过热流值和温度值计算得到功率控制系统输出的电流值，并发送指令给功率控制系统，功率控制系统输出指定电流值经灯阵分线接线箱给U型红外灯组成的灯阵供电，U型红外灯的灯阵通过热辐射和热对流的方式给试件加热，冷却水系统流经安装在U型红外灯后面的水冷反射模块，使各个U型红外灯温度保持在正常工作温度范围。

2.如权利要求1所述的用于地面高温高热流环境模拟的加热系统，其中，U型红外灯为弯管红外灯，两个垂直段长度设计为200mm以上，加热段长度和功率根据使用要求设计，红外灯用卡具安装固定。

3.如权利要求1所述的用于地面高温高热流环境模拟的加热系统，其中，U型红外灯的灯阵是由15支U型红外灯组成的模块，U型红外灯阵模块中的各红外灯分别通过分线箱经由供电电缆连接到功率控制系统上。

4.如权利要求1-3任一项所述的用于地面高温高热流环境模拟的加热系统，其中，水冷反射模块安装在各U型红外灯阵的背后，其两端冷却水系统相连接，一端为进水口、另一端为出水口。

5.如权利要求4所述的用于地面高温高热流环境模拟的加热系统，其中，水冷反射模块为正面抛光金属反射板结构，背面增加水冷管路，由不锈钢材料制成。

6.如权利要求1-3任一项所述的用于地面高温高热流环境模拟的加热系统，其中，冷却水系统包括供水系统和排水系统，采用集水式流量分配方式，供水系统连接加热区内各水冷反射模块和热流计的进水口，排水系统连接加热区内各水冷反射模块和热流计的出水口。

7.如权利要求6所述的用于地面高温高热流环境模拟的加热系统，其中，冷却水系统提供冷却用水，为提高各支路流量均匀性，应加大集水段和冷却水路管径比，在各回路进口位置安装压力测量传感器，出口位置安装流量计监测各支路流量。

8.如权利要求1-3任一项所述的用于地面高温高热流环境模拟的加热系统，其中，功率控制系统通过供电电缆连接至红外灯阵分线接线箱，上位计算机通过网线与功率调节设备的LAN口进行连接。

9.如权利要求1-3任一项所述的用于地面高温高热流环境模拟的加热系统，其中，功率控制系统采用程控输出方式进行输出功率调节，采用可控硅或大功率程控电源作为功率调节元件。

10.如权利要求1-3任一项所述的用于地面高温高热流环境模拟的加热系统，其中，红外灯阵分线接线箱用于灯阵单灯引线和功率控制系统供电连接，单灯引线按照相序分配后，采用压接方式与接线端子连接，供电电缆利用快接插头接入分线箱，使用本设计可以方便实现单灯更换。