CN113237785A - 一种热流控制试验方法 - Google Patents

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Abstract

本申请属于烧蚀材料热流控制试验领域，一般的控制或调节系统，特别涉及一种热流控制试验方法。包括：步骤一、获取历史热流控制试验中烧蚀材料试验件的温度数据；步骤二、根据所述温度数据选取热流计布置点；步骤三、获取热流控制试验的备用命令值；步骤四、进行热流控制试验。本申请的热流控制试验方法，将热流载荷加载区域划分成多个温区，并合理选取热流计布置点，能够提高热流控制精度；并且实时进行热流计的反馈值的判定，在热流计发生故障时，及时将闭环反馈控制模式切换成开环功率控制模式，从而避免热流计失效带来的风险，在地面热强度模拟试验中能够保证烧蚀材料试验顺利完成，在很大程度上提高试验的可靠性，具有很高的应用价值。

Description

一种热流控制试验方法
技术领域
本申请属于烧蚀材料热流控制试验领域，一般的控制或调节系统，特别涉及一种热流控制试验方法。
背景技术
由于烧蚀材料能够在热流作用下能发生分解、熔化、蒸发、升华、侵蚀等物理和化学变化，借材料表面的质量消耗带走大量的热，烧蚀材料常被作为航空航天的防热材料。
在地面烧蚀材料结构热强度试验中，一般采用闭环控制系统进行热流的控制，闭环控制系统中的热流传感器布置位置不合理，大大降低了试验控制的精度。此外，由于材料本身的特性，烧蚀材料受热后会产生较大的火焰和烟雾，从而对热流计等传感器的稳定性造成很大的影响，严酷的工作环境大大增加了作为闭环控制系统反馈的热流传感器失效的风险，控制系统反馈失效的风险较为突出。
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
本申请的目的是提供了一种热流控制试验方法，以解决现有技术存在的至少一个问题。
本申请的技术方案是：
一种热流控制试验方法，包括：
步骤一、获取历史热流控制试验中烧蚀材料试验件的温度数据；
步骤二、根据所述温度数据选取热流计布置点，具体包括：
S201、将热流载荷加载区域平均划分为多个温区；
S202、在每个温区中均匀选取多个工作点，并根据历史热流控制试验中烧蚀材料试验件的温度数据获取每个工作点的温度；
S203、计算各个工作点与该工作点所在的温区中其他工作点之间的温度差值ΔT；
S204、计算各个工作点与该工作点所在的温区中其他工作点之间的温度的总差值∑ΔT；
S205、将各个温区中温度的总差值∑ΔT最小的工作点作为对应温区的热流计布置点；
步骤三、获取热流控制试验的备用命令值，具体包括：
S301、制作与烧蚀材料试验件外形相同的烧蚀材料模拟件；
S302、按照步骤二的方式在所述烧蚀材料模拟件上选取热流计布置点，并在各个布置点安装热流计；
S303、为所述烧蚀材料模拟件的每个温区配置对应的加热器；
S304、通过控制器控制各个加热器对所述烧蚀材料模拟件施加对应的热流载荷，记录各个温区的控制输出值作为备用命令值；
步骤四、进行热流控制试验，具体包括：
S401、按照步骤二的方式在烧蚀材料试验件上选取热流计布置点，并在各个布置点安装热流计；
S402、为所述烧蚀材料试验件的每个温区配置对应的加热器；
S403、通过控制器控制各个加热器对所述烧蚀材料试验件施加对应的热流载荷，所述控制器实时接收并判断热流计的反馈值是否有效；
若是，则所述控制器根据接收的热流计的反馈值进行闭环控制；
若否，则所述控制器切换到所述备用命令值进行开环控制。
在本申请的至少一个实施例中，所述烧蚀材料试验件以及所述烧蚀材料模拟件包括金属材料制件以及非金属材料制件。
在本申请的至少一个实施例中，所述烧蚀材料试验件以及所述烧蚀材料模拟件均呈圆筒形。
在本申请的至少一个实施例中，S201中，所述将热流载荷加载区域平均划分为多个温区包括：
将热流载荷加载区域平均划分为4个温区，分别为第一温区、第二温区、第三温区以及第四温区；
S202中，所述在每个温区中均匀选取多个工作点，并根据历史热流控制试验中烧蚀材料试验件的温度数据获取每个工作点的温度包括：
在每个温区中均匀选取10个工作点，并根据历史热流控制试验中烧蚀材料试验件的温度数据获取每个工作点的温度。
在本申请的至少一个实施例中，步骤三以及步骤四中所使用的热流计、加热器以及控制器均为相同设备。
在本申请的至少一个实施例中，步骤三以及步骤四中，通过在所述烧蚀材料模拟件以及所述烧蚀材料试验件的热流计布置点设置连接耳片，将热流计可拆卸安装在对应的布置点。
在本申请的至少一个实施例中，步骤三以及步骤四中的加热器在使用之前进行输出功率标定，保证相同控制信号下各个加热器的输出功率一致。
在本申请的至少一个实施例中，所述加热器包括多个石英灯管，每个所述石英灯管与所述烧蚀材料模拟件以及所述烧蚀材料试验件之间的距离均相等。
在本申请的至少一个实施例中，S403中，根据以下方式判断热流计的反馈值是否有效：
当热流计的反馈值同时满足以下关系：
QL≤Q≤QH
ΔQ≤ΔQH
其中，QL为热流计的热流值第一阈值，Q为热流计的热流值，QH为热流计的热流值第二阈值，ΔQ为单位时间内热流计的热流值的变化量，ΔQH为单位时间内热流计的热流值的变化量的第三阈值；
则定义热流计的反馈值有效，否则无效。
在本申请的至少一个实施例中，S403中，根据以下方式判断热流计的反馈值是否有效：
当热流计的反馈值同时满足以下关系：
QL≤Q≤QH
∑ΔQ≤∑ΔQH
其中，QL为热流计的热流值第一阈值，Q为热流计的热流值，QH为热流计的热流值第二阈值，∑ΔQ为预定时间内热流计的热流值的变化量，∑ΔQH为预定时间内热流计的热流值的变化量的第三阈值；
则定义热流计的反馈值有效，否则无效。
发明至少存在以下有益技术效果：
本申请的热流控制试验方法，将热流载荷加载区域划分成多个温区，并合理选取热流计布置点，能够提高热流控制精度；并且实时进行热流计的反馈值的判定，在热流计发生故障时，及时将闭环反馈控制模式切换成开环功率控制模式，从而避免热流计失效带来的风险，在地面热强度模拟试验中能够保证烧蚀材料试验顺利完成，在很大程度上提高试验的可靠性，具有很高的应用价值。
附图说明
图1是本申请一个实施方式的热流控制试验方法的流程图；
图2是本申请一个实施方式的热流控制试验方法的热流控制试验系统示意图；
图3是本申请一个实施方式的热流控制试验方法的热流控制模式切换操作流程图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，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，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。
在本申请的描述中，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申请和简化描述，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申请保护范围的限制。
下面结合附图1至图3对本申请做进一步详细说明。
本申请提供了一种热流控制试验方法，包括以下步骤：
S100、获取历史热流控制试验中烧蚀材料试验件的温度数据；
S200、根据温度数据选取热流计布置点，具体包括：
S201、将热流载荷加载区域平均划分为多个温区；
S202、在每个温区中均匀选取多个工作点，并根据历史热流控制试验中烧蚀材料试验件的温度数据获取每个工作点的温度；
S203、计算各个工作点与该工作点所在的温区中其他工作点之间的温度差值ΔT；
S204、计算各个工作点与该工作点所在的温区中其他工作点之间的温度的总差值∑ΔT；
S205、将各个温区中温度的总差值∑ΔT最小的工作点作为对应温区的热流计布置点；
S300、获取热流控制试验的备用命令值，具体包括：
S301、制作与烧蚀材料试验件外形相同的烧蚀材料模拟件；
S302、按照步骤二的方式在烧蚀材料模拟件上选取热流计布置点，并在各个布置点安装热流计；
S303、为烧蚀材料模拟件的每个温区配置对应的加热器；
S304、通过控制器控制各个加热器对烧蚀材料模拟件施加对应的热流载荷，记录各个温区的控制输出值作为备用命令值；
S400、进行热流控制试验，具体包括：
S401、按照步骤二的方式在烧蚀材料试验件上选取热流计布置点，并在各个布置点安装热流计；
S402、为烧蚀材料试验件的每个温区配置对应的加热器；
S403、通过控制器控制各个加热器对烧蚀材料试验件施加对应的热流载荷，控制器实时接收并判断热流计的反馈值是否有效；
若是，则控制器根据接收的热流计的反馈值进行闭环控制；
若否，则控制器切换到备用命令值进行开环控制。
本申请的热流控制试验方法，飞行器上常用的烧蚀材料包括多种，例如各种难熔金属、碳-碳复合材料以及高温陶瓷等。本实施例中，烧蚀材料试验件以及烧蚀材料模拟件包括金属材料制件以及非金属材料制件，可以实现对飞行器上多种类型的烧蚀材料构件的热强度试验。
在本申请的一个实施方式中，如图2所示，烧蚀材料试验件以及烧蚀材料模拟件均为圆筒形构件。本实施例中，优选通过以下步骤选取热流计布置点：
S201、将烧蚀材料试验件以及烧蚀材料模拟件的圆筒形外壁面的热流载荷加载区域平均划分为4个温区，分别为第一温区、第二温区、第三温区以及第四温区；
S202、在每个温区中均匀选取10个工作点，并根据历史热流控制试验中烧蚀材料试验件的温度数据获取每个工作点的温度；
S203、计算各个工作点与对应工作点所在的温区中其他工作点之间的温度差值ΔT；
S204、计算各个工作点与对应工作点所在的温区中其他工作点之间的温度的总差值∑ΔT；
S205、将各个温区中温度的总差值∑ΔT最小的工作点作为对应温区的热流计布置点。
在本申请的优选实施方案中，在获取热流控制试验的备用命令值以及正式进行热流控制试验时，优选采用相同的热流计、加热器以及控制器。本实施例中，所采用的加热器在使用之前需进行输出功率标定，保证相同控制信号下各个加热器的输出功率一致。
在本申请的优选实施方案中，通过在烧蚀材料模拟件以及烧蚀材料试验件的热流计布置点设置连接耳片，将热流计可拆卸安装在对应的布置点。
在本申请的优选实施方案中，加热器包括多个石英灯管，每个石英灯管与烧蚀材料模拟件以及烧蚀材料试验件之间的距离均相等。本实施例中，将每个加热器中的多个石英灯管并列排布，使得多个石英灯管排布后形成的弧面与烧蚀材料模拟件以及烧蚀材料试验件的圆筒形外形相适配。
在本申请的一个实施方式中，S403中，根据以下方式判断热流计的反馈值是否有效：
当热流计的反馈值同时满足以下关系：
QL≤Q≤QH
ΔQ≤ΔQH
其中，QL为热流计的热流值第一阈值，Q为热流计的热流值，QH为热流计的热流值第二阈值，ΔQ为单位时间内热流计的热流值的变化量，ΔQH为单位时间内热流计的热流值的变化量的第三阈值；
则定义热流计的反馈值有效，否则无效。
在本申请的另一个实施方式中，S403中，根据以下方式判断热流计的反馈值是否有效：
当热流计的反馈值同时满足以下关系：
QL≤Q≤QH
∑ΔQ≤∑ΔQH
其中，QL为热流计的热流值第一阈值，Q为热流计的热流值，QH为热流计的热流值第二阈值，∑ΔQ为预定时间内热流计的热流值的变化量，∑ΔQH为预定时间内热流计的热流值的变化量的第三阈值；
则定义热流计的反馈值有效，否则无效。
本申请的热流控制试验方法，根据历史热流控制试验数据中的温度分布合理选取热流计布置点，并且通过对与烧蚀材料试验件外形相同的烧蚀材料模拟件进行热流控制试验，得到热流控制试验的备用命令值，在进行热流控制试验时，通过控制器控制加热器对试验件施加试验热流载荷，合理定义判断热流计的反馈值是否有效的原则，控制器实时接收并判断热流计反馈是否有效，若反馈有效则系统采用闭环控制模式，控制器根据接收的热流计的反馈值进行闭环控制，若反馈无效，则表明热流计发生故障，控制器切换到开环控制模式，使用备用命令值进行开环功率控制，直至试验结束。
本申请的热流控制试验方法，将热流载荷加载区域划分成多个温区，并合理选取热流计布置点，能够大大提高热流控制的精度；在热流计发生故障时，将闭环反馈控制模式切换成开环功率控制模式，有效避免了由于烧蚀材料本身特性带来影响，解决了在试验过程中反馈失效导致的试验终止的问题，能够保证试验完整顺利进行。本申请实现了烧蚀材料结构部件和全尺寸部件的多模式热流控制方式，物理概念明晰、操作方法简单、具有很高的工程应用价值。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种热流控制试验方法，其特征在于，包括：
步骤一、获取历史热流控制试验中烧蚀材料试验件的温度数据；
步骤二、根据所述温度数据选取热流计布置点，具体包括：
S201、将热流载荷加载区域平均划分为多个温区；
S202、在每个温区中均匀选取多个工作点，并根据历史热流控制试验中烧蚀材料试验件的温度数据获取每个工作点的温度；
S203、计算各个工作点与该工作点所在的温区中其他工作点之间的温度差值ΔT；
S204、计算各个工作点与该工作点所在的温区中其他工作点之间的温度的总差值∑ΔT；
S205、将各个温区中温度的总差值∑ΔT最小的工作点作为对应温区的热流计布置点；
步骤三、获取热流控制试验的备用命令值，具体包括：
S301、制作与烧蚀材料试验件外形相同的烧蚀材料模拟件；
S302、按照步骤二的方式在所述烧蚀材料模拟件上选取热流计布置点，并在各个布置点安装热流计；
S303、为所述烧蚀材料模拟件的每个温区配置对应的加热器；
S304、通过控制器控制各个加热器对所述烧蚀材料模拟件施加对应的热流载荷，记录各个温区的控制输出值作为备用命令值；
步骤四、进行热流控制试验，具体包括：
S401、按照步骤二的方式在烧蚀材料试验件上选取热流计布置点，并在各个布置点安装热流计；
S402、为所述烧蚀材料试验件的每个温区配置对应的加热器；
S403、通过控制器控制各个加热器对所述烧蚀材料试验件施加对应的热流载荷，所述控制器实时接收并判断热流计的反馈值是否有效；
若是，则所述控制器根据接收的热流计的反馈值进行闭环控制；
若否，则所述控制器切换到所述备用命令值进行开环控制。
2.根据权利要求1所述的热流控制试验方法，其特征在于，所述烧蚀材料试验件以及所述烧蚀材料模拟件包括金属材料制件以及非金属材料制件。
3.根据权利要求2所述的热流控制试验方法，其特征在于，所述烧蚀材料试验件以及所述烧蚀材料模拟件均呈圆筒形。
4.根据权利要求3所述的热流控制试验方法，其特征在于，S201中，所述将热流载荷加载区域平均划分为多个温区包括：
将热流载荷加载区域平均划分为4个温区，分别为第一温区、第二温区、第三温区以及第四温区；
S202中，所述在每个温区中均匀选取多个工作点，并根据历史热流控制试验中烧蚀材料试验件的温度数据获取每个工作点的温度包括：
在每个温区中均匀选取10个工作点，并根据历史热流控制试验中烧蚀材料试验件的温度数据获取每个工作点的温度。
5.根据权利要求4所述的热流控制试验方法，其特征在于，步骤三以及步骤四中所使用的热流计、加热器以及控制器均为相同设备。
6.根据权利要求5所述的热流控制试验方法，其特征在于，步骤三以及步骤四中，通过在所述烧蚀材料模拟件以及所述烧蚀材料试验件的热流计布置点设置连接耳片，将热流计可拆卸安装在对应的布置点。
7.根据权利要求5所述的热流控制试验方法，其特征在于，步骤三以及步骤四中的加热器在使用之前进行输出功率标定，保证相同控制信号下各个加热器的输出功率一致。
8.根据权利要求6所述的热流控制试验方法，其特征在于，所述加热器包括多个石英灯管，每个所述石英灯管与所述烧蚀材料模拟件以及所述烧蚀材料试验件之间的距离均相等。
9.根据权利要求1所述的热流控制试验方法，其特征在于，S403中，根据以下方式判断热流计的反馈值是否有效：
当热流计的反馈值同时满足以下关系：
QL≤Q≤QH
ΔQ≤ΔQH
其中，QL为热流计的热流值第一阈值，Q为热流计的热流值，QH为热流计的热流值第二阈值，ΔQ为单位时间内热流计的热流值的变化量，ΔQH为单位时间内热流计的热流值的变化量的第三阈值；
则定义热流计的反馈值有效，否则无效。
10.根据权利要求1所述的热流控制试验方法，其特征在于，S403中，根据以下方式判断热流计的反馈值是否有效：
当热流计的反馈值同时满足以下关系：
QL≤Q≤QH
∑ΔQ≤∑ΔQH
其中，QL为热流计的热流值第一阈值，Q为热流计的热流值，QH为热流计的热流值第二阈值，∑ΔQ为预定时间内热流计的热流值的变化量，∑ΔQH为预定时间内热流计的热流值的变化量的第三阈值；
则定义热流计的反馈值有效，否则无效。
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