CN110567742A - 一种模拟气动加热环境的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟气动加热环境的装置，包括：激光光源(1)，出射激光并传输至目标区域(5)，以辐照设置在目标区域的目标材料的表面；空气来流系统(4)，吹扫所述目标材料的表面，进而在所述目标材料的表面产生流动的空气；通过所述激光和空气的流动以模拟目标材料表面的气动加热的环境。本发明实施例提供的装置，可通过辐照激光的变功率目的实现变热流，通过改变空气来流速度改变附加在目标材料表面的剪切力，能够准确的模拟目标材料在气动加热时的环境，能够在飞行器的材料、部件和系统级表征上有着广泛的应用前景。

Description

一种模拟气动加热环境的装置

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，尤其是涉及一种模拟气动加热环境的装置。

背景技术

在航空航天领域，高超声速飞行器高速飞行时，空气受到强烈的压缩和剧烈的摩擦，大部分动能会以激波及尾流涡旋的形式耗散于大气中，剩下的转化为热能，这些热能以边界层对流和激波辐射加热飞行器本体，这种热能传递方式称为飞行器的气动加热。气动加热的特点是升温快、温度高、热量大。

飞行器的气动加热是一个瞬态过程，地面热模拟这个过程目的是重现结构真实的温度分布，用于考察热响应特性。气动热模拟的试验方法一般有“对流方法”和“非对流方法”两类。

对流方法以风洞试验为代表，风洞试验是通过准备预设体积的氢气和氧气，通过氢气的爆炸模拟飞行器的高温气流。风洞试验的热流密度主要是通过变换喷管实现，例如将大口径的喷管变换成小口径的喷管以使风量降低。因此，采用风洞试验这种对流方法存在试验成本高、且单次实验的时间准备周期较长，热加载时间相对较短、改变热流密度加载难度较大，不可能实现可控的变热流条件。因此，这种方法不适合频繁的研究型实验。

非对流方法，一般是在实验室中通过装置模拟出飞行器的气动加热过程。但是，目前国内外还未有相关单位采用极高功率密度条件下激光辐照模拟高速热流加载。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是提供一种模拟气动加热环境的装置，通过激光辐照在目标材料的表面，并且控制目标材料表面的空气的流动以模拟目标材料表面的气动加热的环境。可通过辐照激光的变功率目的实现变热流，通过改变空气来流速度改变附加在目标材料表面的剪切力，能够准确的模拟目标材料在气动加热时的环境，能够在飞行器的材料、部件和系统级表征上有着广泛的应用前景。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种模拟气动加热环境的装置，其包括：激光光源，出射激光并传输至目标区域，以辐照设置在目标区域的目标材料的表面；空气来流系统，吹扫所述目标材料的表面，进而在所述目标材料的表面产生流动的空气；通过所述激光和流动的空气以模拟目标材料表面的气动加热的环境。

进一步地，还包括激光空间传输整形系统，设置在所述激光光源和所述目标区域之间，并设置在沿所述激光光源出射的激光的光路上，用于对所述激光进行空间分布的整形，并将激光辐照到目标材料的表面上；和/或，所述激光空间传输整形系统还用于变换所述激光光源出射的激光辐照到所述目标材料表面的强度和面积。

进一步地，还包括温度测量系统，用于测量所述目标材料表面的温度变化和温度分布，以及目标材料背面的温度变化和温度分布。

进一步地，所述温度测量系统包括热电偶；或者温度测量系统包括校准后的红外热像仪。

进一步地，还包括：激光参数测量系统，设置在所述激光空间传输整形系统和所述目标材料之间，并设置在经所述激光空间传输整形系统输出的激光的光路上；测量经所述激光空间传输整形系统输出的激光的功率、脉冲宽度、波长和出光时间，以评估所述目标材料表面的激光辐照参数。

进一步地，还包括：激光参量控制系统，分别与所述激光参数测量系统与所述激光光源连接；激光参量控制系统，根据所述激光参数测量系统得到的激光辐照参数，调节所述激光光源出射的激光的参数，进而模拟所述目标材料周围产生的不同强度的热流；所述参数包括激光脉冲宽度、持续时间、重复频率中的一种或多种。

进一步地，还包括材料吸收耦合系数表征系统，设置在目标区域中；目标材料设置在所述材料吸收耦合系数表征内，测量所述目标材料对不同参数的激光的耦合吸收系数，以修正加载到所述目标材料表面的激光的能量或功率。

进一步地，还包括电校准和溯源系统，通过测量用电设备和电量的功率反向测量激光源的发射功率，进而得到激光辐照后的目标材料吸收的能量，进而校准溯源激光辐照的能量。

进一步地，还包括数据采集系统，采集在对所述目标材料进行模拟气动过程的参数；所述参数包括所述目标材料表面的温度、目标材料的应力应变、位移、动态影像中的一种或多种。

进一步地，还包括毁伤后效表征系统，基于所述数据采集系统采集的参数，在对所述目标材料模拟气动结束后，检测所述目标材料的烧蚀质量、烧蚀形貌和结构损伤。其中，毁伤后效表征系统，包括质量检测装置(例如天平)、轮廓仪和扫描电镜。天平轮廓仪检测目标材料的烧蚀形貌；扫描电镜检测目标材料的结构损伤；质量检测装置测量目标材料的烧蚀质量。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

本发明实施例提供的装置，通过激光辐照在目标材料的表面，并且控制目标材料表面的空气的流动以模拟目标材料表面的气动加热的环境。可通过辐照激光的变功率目的实现变热流，通过改变空气来流速度改变附加在目标材料表面的剪切力，能够准确的模拟目标材料在气动加热时的环境，能够在飞行器的材料、部件和系统级表征上有着广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施方式的模拟气动加热外热流环境的装置的结构示意图。

附图标记：

1：激光光源；2：激光参量控制系统；3：激光空间传输整形系统；4：空气来流系统；41：喷嘴；42：管道；43：引射管；44：尾气收集器；5：目标区域；6：温度测量系统；7：激光参数测量系统；71：分光镜；8：材料吸收耦合系数表征系统；9：数据采集系统。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

在详细介绍本申请的装置之前，先介绍一下本申请装置的特点，本申请是根据高速飞行器气动热的特点和热流加载实验的需要，以高速空气条件下的高能量密度激光作为基础的地面热模拟试验装置。本申请的模拟气动加热环境的装置是目前高效和适合的“非对流”模拟装置，该“非对流”模拟装置模拟气动加热外热流环境，使用热流密度而不是温度条件作为边界；同时根据不同飞行速度和大气环境条件，热流需要针对不同目标进行可变参量的函数功能性加载。本申请的装置，使用高速来流条件下的高能激光作为高热流的加载是精准、可行、有效和低成本的方式，可为高速飞行器材料、部件级气动热实验表征提供最有效的模拟和数据依据。

图1是本发明一实施方式的模拟气动加热环境的装置的结构示意图。该装置可以设置在实验室内，以用于在实验室内对目标材料的气动加热外热流环境进行模拟，便于实验。

如图1所示，该装置是通过激光和流动的空气以模拟目标材料表面的气动加热的环境。其中激光辐照在目标材料的表面上，提供热能，而空气吹扫在目标材料的表面上，提供气流。热能与气流的结合，模拟出热流。该热流可以模拟出气动时加热的热流环境。并且空气来流装置吹扫目标的表面，能够模拟目标材料在空气中飞行时的气动力的剥蚀和剪切作用。空气条件包括典型温度、湿度和空气密度。当然，若设置的空气的速度越大，气动力的剥蚀力和剪切力越大。

该装置包括：激光光源1，出射激光并传输至目标区域5，以辐照设置在目标区域的目标材料的表面。其中，激光光源1出射的激光可以是高功率的激光。激光光源1可以是固体激光、气体激光、液体激光、化学激光、半导体激光和自由电子激光等，用来模拟不同的热流来源。

目标材料可以是飞行器、飞行器的原材料、飞行器的某一个部件或飞行器内的系统等用于气动热表征的考核目标。

空气来流系统4，吹扫所述目标材料的表面，进而在所述目标材料的表面产生流动的空气。空气来流的速度可以针对不同的目标材料而定。

在一个具体的实施例中，空气来流系统4主要包括空气气源、空气流量调节结构、喷管41、与喷管连接的管道42、扩压器、引射管43、混合管、尾气收集装置44和目标区域。其中，尾气收集装置44可以是例如烟囱之类的气体收集装置。该空气来流系统能够实现目标表面的空气来流，模拟飞行器的气动剪切和剥蚀力的作用。

在一个实施例中，空气气源也可以是空气压缩机。

在一个实施例中，还包括激光空间传输整形系统3，设置在激光光源1和所述目标区域5之间，并设置在沿激光光源1出射的激光的光路上，用于对激光进行空间分布的整形，并辐照到目标材料的表面上。

在一个可选的实施例中，激光空间传输整形系统3包括凹透镜、凸透镜等光学元件，当改变凹透镜或者凸透镜的焦距时，能够改变传输至激光空间传输整形系统3内的激光的光斑的面积，以变换从激光光源1出射的激光辐照到所述目标材料表面的强度和面积，以实现热流的有效强度和面积的加载。

在一个实施例中，还包括激光参数测量系统7，测量经所述激光空间传输整形系统3输出的激光的功率、脉冲宽度、波长和出光时间，以获取所述目标材料表面的激光辐照参数。可选的，激光参数测量系统7实时监测辐照到目标材料上的激光的参数。

获取目标材料表面的激光辐照参数可以是，激光参数测量系统7测量激光到目标材料的靶功率密度，该靶功率密度是指激光功率除以光斑面积。可根据表征面积和部件结构确定材料热加载面积。

可选的，激光参数测量系统7包括分光镜71，通过分光镜71将从经所述激光空间传输整形系统3输出的激光传输至激光参数测量系统中。

在一个实施方式中，还包括激光参量控制系统2，分别与所述激光参数测量系统7与所述激光光源1连接；激光参量控制系统2，根据所述激光参数测量系统7得到的激光辐照参数，调节所述激光光源1出射的激光的参数，进而模拟所述目标材料周围产生的不同强度的热流，以实现对于目标材料的可变热流的加载方式，即实现热流辐照具备函数的功能性加载，使得气动热流的模拟可控。其中，激光的参数包括激光脉冲宽度、持续时间、重复频率中的一种或多种。

可选的，该激光参量控制系统所控制的上述参数，可以通过设置激光脉冲宽度控制电路、激光持续时间控制短路、重复频率的控制电路实现。

在一个实施例中，还包括温度测量系统6，用于测量所述目标材料表面的温度变化(例如升温)和温度分布，以及目标材料背面的温度变化(例如升温)和温度分布，可采用直接接触和校准后的非接触测量实现。

可选的，可将温度测量系统6包括热电偶，将热电偶设置于目标材料的内部，采用直接接触方式进行测量。

在一个具体的实施例中，温度测量系统采用非接触式测量，该温度测量系统包括校准后的红外热像仪61。通过红外热像仪检测目标区域内的目标材料的温度变化。

可选的，温度测量系统还包括衰减片62，该衰减片设置在红外热像仪的前面，以避免激光的能量损伤到红外热像仪。

需要说明的是，本实施例中，红外热像仪的校准是指，在使用红外热像仪测温之前，根据目标材料的属性，设置红外热像仪的材料发射率。例如，目标材料为铝，则将红外热像仪的材料发射率设置为对铝测温的发射率。

在一个实施例中，还包括材料吸收耦合系数表征系统8，测量所述目标材料对不同参数的激光的耦合吸收系数，以修正加载到所述目标材料表面的激光的功率或激光的能量。

具体地，材料吸收耦合系数表征系统主要是定量表征到激光照射目标材料后，激光被吸收的比例是多少，该材料吸收耦合系数的意义在于客观的反映目标材料到底吸收了多少能量，以便于技术人员获得真实的目标材料对激光的吸收程度，以便于获得真实的目标材料的性能。可以通过材料吸收耦合系数表征系统获取的材料吸收耦合系数，与激光功率的乘积，得到目标材料的激光辐照的能量。

可选的，可通过积分球表征方法，计算获取到材料对不同参数的激光耦合吸收系数。

在一个实施例中，一般来讲通过上述材料吸收耦合系数表征系统得到的目标材料的激光辐照的能量可能存在不准确的情况。因此，本发明实施例还提供了一种优选的方法能够溯源到目标材料的激光辐照的能量。

具体地，在本实施例中，还包括电校准和溯源系统，通过用电设备反向测量激光源的发射功率，得到较为准确的激光辐照的能量，进而校准材料吸收耦合系数，溯源激光辐照的能量，通过对材料吸收耦合系数的校准，最终可实现激光辐照热流能量的精确测量。

具体地，电校准和溯源系统包括2个相同材质且质量相同的铁块、加热装置。加热装置可以是加热棒。

电校准和溯源系统对激光辐照能量的测量过程如下：

将目标区域的材质换成铁块，在预设时间内用激光光源向铁块发射激光，使得铁块表面温度升高至预设温度。例如，使用激光光源用200秒将铁块升温100度。采用电加热装置用200秒将铁块升温100度，检测该加热装置的电压、电流，并计算功率。该电加热装置的功率则为激光光源辐照到铁块上被吸收的功率。通过上述电加热装置得到的激光光源辐照到铁块上被铁块吸收的功率，乘以上述材料吸收耦合系数表征系统得到的修正后的耦合系数，能够得到激光辐照的能量。因此，采用上述电校准的方法能够精准的溯源到激光辐照的能量。

在一个实施例中，上述装置还包括对目标材料的数据采集的数据采集系统9，采集在对所述目标材料进行模拟气动过程的参数；所述参数包括所述目标材料表面的温度、目标材料的应力应变、位移、动态影像中的一种或多种。

可选的，数据采集系统9包括温度传感器、数据采集卡和数据记录装置。其中数据采集卡是将温度传感器测量的电流形式的或电压形式的温度数据转换成可读取的温度数据(例如100℃)，数据记录装置将数据采集卡转换的温度数据存储。

可以理解的是，数据采集系统还可以包括应力应变传感器及与其连接的数据采集卡和数据记录装置，以便于获取在对目标进行模拟气动过程中的应力应变。数据采集系统还可以包括位移传感器及与其连接的数据采集卡和数据记录装置，以便于获取目标材料的位移变化。数据采集系统还可以包括摄影机，以获取对目标进行模拟气动过程中的动态影像。

在一个实施例中，还包括毁伤后效表征系统，基于所述数据采集系统采集的上述参数，检测目标材料经过热烧蚀后的变化。

具体的，用于在所述目标材料模拟气动结束后，检测所述目标材料的烧蚀质量、烧蚀形貌和结构损伤。

可选的，在本实施例中，可以结合数据采集系统采集的上述参数，获得模拟气动过程中，某一时刻，激光对目标材料的损伤情况。

在一个具体的实施例中，毁伤后效表征系统包括质量测量装置，例如天平，对目标材料模拟气动后的质量测量。毁伤后效表征系统包括轮廓仪，对目标材料模拟气动后的烧蚀形貌进行检测，可以得到目标材料损伤的深度。毁伤后效表征系统包括扫描电镜，对目标材料模拟气动后的结构损伤检测，进一步确定模拟气动过程对目标材料的影响。

下面将结合图1详细说明本发明第一实施方式的模拟气动加热外热流环境的装置的工作状态。

预先将目标材料固定在目标区域5内。

高功率激光光源1出光，由激光空间传输整形系统3辐照到目标区域5，空气来流系统4中的空气压缩机，空气压缩机提供压缩空气源，将空气吹扫到目标材料处，空气来流速度根据不同材料确定。激光参数测量装置7测量激光到靶功率密度，根据表征面积和部件结构确定材料热加载面积。通过激光参量控制系统2改变热流加载方式。材料吸收耦合系数表征系统8表征激光在典型功率密度条件下与材料的吸收耦合系数；温度测量系统6的热电偶和校准后的红外热像仪进行温度监测，数据采集系统9负责数据的采集。激光辐照后由毁伤后效表征系统用显微镜对样品进行微观形貌表征，用天平等对材料质量损失等情况进行表征。

本发明实施例提供的模拟气动加热外热流环境的装置本发明与传统的风洞模拟装置相比，一是可以模拟机高飞行速度条件下的热流条件，可通过激光辐照的功率和功率密度来模拟不同飞行速度所带来的热效应；二是可实现函数功能的可变热流连续加载，风洞无法完成；三是本申请利用激光光源和流动的空气模拟气动热流环境，当设置好激光光源和空气来流系统后，可以可以即用即停，相比于风洞模拟装置，无需准备氢气氧气等材料，存在单次实验准备的周期短，实验频次高的优点。并且，激光光源与空气来流装置可以同时工作同时启动或同时停止方便使用且，可多次重复实验。四是实验和建设成本低，相比几千万的风洞实验，激光辐照装置成本和单次低实验成本低，且相比于风洞实验来说，激光器的平均寿命为万小时以上，使用寿命相对来说较长，不易受损。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种模拟气动加热环境的装置，其特征在于，包括：

激光光源(1)，出射激光并传输至目标区域(5)，以辐照设置在目标区域的目标材料的表面；

空气来流系统(4)，吹扫所述目标材料的表面，进而在所述目标材料的表面产生流动的空气；

通过所述激光和流动的空气以模拟目标材料表面的气动加热环境。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括

激光空间传输整形系统(3)，设置在所述激光光源(1)和所述目标区域(5)之间，并设置在沿所述激光光源(1)出射的激光的光路上，用于对所述激光进行空间分布的整形，并将激光辐照到目标材料的表面上；和/或，所述激光空间传输整形系统(3)还用于变换所述激光光源(1)出射的激光辐照到所述目标材料表面的强度和面积。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括：

激光参数测量系统(7)，设置在所述激光空间传输整形系统(3)和所述目标材料之间，并设置在经所述激光空间传输整形系统(3)输出的激光的光路上，测量经所述激光空间传输整形系统(3)输出的激光的功率、脉冲宽度、波长和出光时间，以得到所述目标材料表面的激光辐照参数。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括

激光参量控制系统(2)，分别与所述激光参数测量系统(7)与所述激光光源(1)连接；

所述激光参量控制系统(2)，根据所述激光参数测量系统(7)得到的激光辐照参数，调节所述激光光源(1)出射的激光的参数，进而模拟所述目标材料周围产生的不同强度的热流；所述激光的参数包括激光脉冲宽度、持续时间功率、重复频率中的一种或多种。

5.根据权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于，还包括

温度测量系统(6)，用于测量所述目标材料表面的温度变化和温度分布，以及目标材料背面的温度变化和温度分布。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，

所述温度测量系统(6)包括热电偶；或者，

所述温度测量系统(6)包括校准后的红外热像仪。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括

材料吸收耦合系数表征系统(8)，设置在目标区域中；所述目标材料设置在所述材料吸收耦合系数表征(8)内；

所述材料吸收耦合系数表征系统(8)，获取所述目标材料对不同参数的激光的耦合吸收系数，以修正加载到所述目标材料表面的激光的能量或功率。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括

电校准和溯源系统，通过测量用电设备和电量的功率反向测量激光源的发射功率，进而得到激光辐照后的目标材料吸收的能量，进而校准溯源激光辐照的能量。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括

目标材料数据采集系统(9)，采集在对所述目标材料进行模拟气动过程的参数；所述参数包括所述目标材料表面的温度、目标材料的应力应变、位移、动态影像中的一种或多种。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括

毁伤后效表征系统，基于所述数据采集系统采集的所述参数，在对所述目标材料模拟气动结束后，检测所述目标材料的烧蚀质量、烧蚀形貌和结构损伤。