CN114813200A - 一种飞机构件高温特性测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种飞机构件高温特性测量装置及方法，该装置包括试验箱、水冷板、薄膜式热流测试机构、隔热框、均热板和石英灯辐射加热器；该方法包括以下步骤：一、飞机构件试验件的高温试验；二、高温试验中的温度测量；三、判断飞机构件试验件的热传递是否达到稳态；四、获得热传递达到稳态后飞机构件试验件的冷端温度、热流密度和均热板的温度；五、获取飞机构件试验件的高温特性。本发明通过依次设置水冷板、薄膜式热流测试机构、试验件和均热板，能有效避免传统方式存在飞机构件试验件和水冷板之间的缝隙漏热问题，还可同时对飞机构件试验件的热流密度和冷端温度进行测量，保证飞机构件试验件高温特性的测量精确度。

Description

一种飞机构件高温特性测量装置及方法
技术领域
本发明属于飞机防热结构热强度试验技术领域，具体涉及一种飞机构件高温特性测量装置及方法。
背景技术
飞机高速飞行时，表面承受较大的气动热载荷，金属防热系统是可重复使用航天器（RLV）的重要组成部分，它可使飞机免受其载入大气层时受到严重的气动热，作为被动热防护方案的可重复使用金属热防护系统是各种类型飞机大面积防热的主要选择。以X-33金属热防护系统为例，金属热防护系统是由表面的高温合金蜂窝盖板、隔热材料和内部钛合金蜂窝板三层结构组成，表面为高温合金蜂窝盖板，用于抵挡在发射和飞行中外来物体的撞击。在飞机进入大气层时，表面盖板由于受到严重的气动加热，温度最高达1000℃，而由于机身是铝合金制成的，最高设计温度为176℃，中间隔热材料的作用就是减少进入机体内的热量。多层纤维防热结构作为热防护系统的隔热材料，被广泛采用。热传导系数作为表征结构高温特性的主要参数，其准确评定对于材料的研发和结构设计具有重大意义。热流计法是一种稳态测定方法，基于傅立叶一维热传导定律，根据处在稳态条件下的试验件上下表面的温度差以及通过试验件的热流密度来计算导热系数，由Fourier定律可知，稳态法测试验件等效导热系数的计算公式如下所示：
Figure 834942DEST_PATH_IMAGE001
其中：
Figure 777490DEST_PATH_IMAGE002
为试验件的热端温度；
Figure 153107DEST_PATH_IMAGE003
为试验件的冷端温度；
Figure 573725DEST_PATH_IMAGE004
为通过试验件的热流密度；
Figure 46294DEST_PATH_IMAGE005
为试验件的厚度；
Figure 159744DEST_PATH_IMAGE006
为试验件的等效热传导系数。
现有的采用稳态热流计法测试多层隔热结构等效热传导系数的装置是在水冷板上布置热流计和热电偶，将热流计粘接在水冷板顶部，而在热流计以外的其他区域，覆盖聚酰亚胺薄膜，这就可能导致试验件和水冷板之间不能紧密贴合，从而出现缝隙漏热。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种飞机构件高温特性测量装置，其结构设计合理，适用范围广泛，测量方法简便，通过将飞机构件试验件设置在薄膜式热流测试机构与均热板之间，并通过在均热板上设置多个第一温度传感器测量均热板的平均热端温度，并通过将薄膜式热流测试机构设置在水冷板上，测量飞机构件试验件的冷端温度和热流密度，能有效避免传统方式存在飞机构件试验件和水冷板之间不能紧密贴合从而出现缝隙漏热的问题，同时还能实现对飞机构件试验件的热流密度和冷端温度的同时测量，保证飞机构件试验件高温特性的测量精确度。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种飞机构件高温特性测量装置，其特征在于：包括上部开口的试验箱以及由下至上依次设置在试验箱内的水冷板、薄膜式热流测试机构、隔热框和均热板，飞机构件试验件位于隔热框内，所述飞机构件试验件为多层防热结构，所述试验箱的上部设置有用于对其上部开口进行封闭的盖板，所述盖板的内侧安装有用于对试验箱内的飞机构件试验件进行加热的石英灯辐射加热器，所述薄膜式热流测试机构用于测量飞机构件试验件的热流密度和冷端温度，所述薄膜式热流测试机构呈平板状，所述均热板上设置有用于测量均热板的上表面温度的第一温度传感器。
上述的一种飞机构件高温特性测量装置，其特征在于：所述飞机构件试验件的上端面与隔热框的上表面相平齐，所述飞机构件试验件的下端面与隔热框的下表面相平齐。
上述的一种飞机构件高温特性测量装置，其特征在于：所述隔热框为由耐火陶瓷板制作而成的矩形框。
上述的一种飞机构件高温特性测量装置，其特征在于：所述水冷板为矩形平板。
上述的一种飞机构件高温特性测量装置，其特征在于：所述均热板为矩形平板，所述均热板的每一侧均开设有多个槽口，所述均热板的每个角上均开设有一个槽口。
上述的一种飞机构件高温特性测量装置，其特征在于：所述薄膜式热流测试机构包括两个上下叠合布设的柔性铜箔、以及封装在两个所述柔性铜箔之间的热流计和多个第二温度传感器，所述柔性铜箔的形状与水冷板的形状相适配。
上述的一种飞机构件高温特性测量装置，其特征在于：所述热流计布设在所述柔性铜箔的中部，多个所述第二温度传感器沿所述柔性铜箔的一个对角线呈均匀布设。
同时，本发明还公开了一种飞机构件高温特性测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、飞机构件试验件的高温试验：通过石英灯辐射加热器对飞机构件试验件进行高温试验；
其中，通过水冷板使飞机构件试验件的冷端温度保持在设定温度；
步骤二、高温试验中的温度测量：通过薄膜式热流测试机构测量飞机构件试验件的平均冷端温度，通过多个第一温度传感器测量均热板的上表面温度；
步骤三、判断飞机构件试验件的热传递是否达到稳态：当多个第一温度传感器测量到的均热板的上表面温度均不发生变化或其温度的变化值在设定范围内时，热传递达到稳态，执行步骤四；否则，重复步骤二；
步骤四、获得热传递达到稳态后飞机构件试验件的冷端温度、热流密度和均热板的温度：当热传递达到稳态后，记录多个第一温度传感器测量到的均热板的上表面温度，并记录薄膜式热流测试机构测量到的飞机构件试验件的平均冷端温度
Figure 271925DEST_PATH_IMAGE007
和通过飞机构件试验件的热流密度
Figure 496233DEST_PATH_IMAGE008
，并通过对多个第一温度传感器的热端温度进行平均得到均热板的上表面平均温度
Figure 557730DEST_PATH_IMAGE009
；
步骤五、获取飞机构件试验件的高温特性：所述飞机构件试验件的高温特性包括飞机构件试验件的等效热传导系数，根据公式
Figure 842081DEST_PATH_IMAGE010
，得到飞机构件试验件的等效热传导系数
Figure 192291DEST_PATH_IMAGE011
；
其中，
Figure 220289DEST_PATH_IMAGE012
为飞机构件试验件的厚度，
Figure 401872DEST_PATH_IMAGE013
为均热板的厚度，
Figure 591545DEST_PATH_IMAGE014
为均热板的热传导系数。
上述的飞机构件高温特性测量方法，其特征在于：步骤一中，在进行高温试验前，将所述均热板在高温炉中进行氧化处理的时间为五小时至七小时，使得均热板氧化后的黑度系数不小于设定值。
上述的飞机构件高温特性测量方法，其特征在于：所述飞机构件试验件与隔热框之间的缝隙内填充有隔热材料。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用的装置，通过在隔热框上设置均热板，使得均热板的下表面构成飞机构件试验件的热端边界，能够通过均热板为飞机构件试验件提供均一的温度边界，进而保证石英灯辐射加热器对飞机构件试验件进行均匀加热。
2、本发明采用的装置，通过在水冷板与隔热框之间设置一个用于测量飞机构件试验件的热流密度和冷端温度的薄膜式热流测试机构，能够使得水冷板的上表面与薄膜式热流测试机构的下表面紧密贴合，飞机构件试验件的下端面与薄膜式热流测试机构的上表面紧密贴合，能有效避免传统方式存在飞机构件试验件和水冷板之间不能紧密贴合从而出现缝隙漏热的问题，同时还能实现对飞机构件试验件的热流密度和冷端温度的同时测量，保证飞机构件试验件热传导系数的测量精确度。
3、本发明采用的方法，通过将飞机构件试验件设置在薄膜式热流测试机构与均热板之间，并通过在均热板上设置多个第一温度传感器测量均热板的平均热端温度，并通过将薄膜式热流测试机构设置在水冷板上，测量试验件的冷端温度和热流密度，能有效保证飞机构件试验件的冷端温度保持恒温，进而提高试验件等效热传导系数的测量精度。
综上所述，本发明结构设计合理，适用范围广泛，测量方法简便，通过将飞机构件试验件设置在薄膜式热流测试机构与均热板之间，并通过在均热板上设置多个第一温度传感器测量均热板的平均热端温度，并通过将薄膜式热流测试机构设置在水冷板上，测量飞机构件试验件的冷端温度和热流密度，能有效避免传统方式存在飞机构件试验件和水冷板之间不能紧密贴合从而出现缝隙漏热的问题，同时还能实现对飞机构件试验件的热流密度和冷端温度的同时测量，保证飞机构件试验件高温特性的测量精确度。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明高温特性测量装置的结构示意图。
图2为本发明第一温度传感器在均热板上的布设位置示意图。
图3为本发明薄膜式热流测试机构的内部结构示意图。
图4为本发明方法的流程框图。
附图标记说明:
1—试验箱； 1-1—盖板； 2—均热板；
2-1—槽口； 3—第一温度传感器； 4—隔热框；
5—薄膜式热流测试机构； 5-1—柔性铜箔；
5-2—热流计； 5-3—第二温度传感器； 6—水冷板；
7—石英灯辐射加热器； 8—飞机构件试验件。
具体实施方式
如图1至图3所示的一种飞机构件高温特性测量装置，包括上部开口的试验箱1以及由下至上依次设置在试验箱1内的水冷板6、薄膜式热流测试机构5、隔热框4和均热板2，飞机构件试验件8位于隔热框4内，所述飞机构件试验件8为多层防热结构，所述试验箱1的上部设置有用于对其上部开口进行封闭的盖板1-1，所述盖板1-1的内侧安装有用于对试验箱1内的飞机构件试验件8进行加热的石英灯辐射加热器7，所述薄膜式热流测试机构5用于测量飞机构件试验件8的热流密度和冷端温度，所述薄膜式热流测试机构5呈平板状，所述均热板2上设置有用于测量均热板2的上表面温度的第一温度传感器3。
具体实施时，所述多层防热结构包括多层纤维隔热材料，相邻两层所述纤维隔热材料之间均设置有一个反射屏；纤维隔热材料起主要隔热作用，反射屏的作用是降低高温情况下热辐射在纤维隔热材料内的传递；纤维隔热毡的传热机制为多种传热方式的混合，主要包括固体传导、气体传导、通过纤维间隙的自然对流、纤维与周围参与介质的辐射交换；当温度大于800℃时，热辐射是纤维隔热材料的主导传热方式。
实际使用时，均热板2采用高温合金GH30制作而成，通过在隔热框4上设置均热板2，使得均热板2的下表面构成飞机构件试验件8的热面边界，能够通过均热板2为飞机构件试验件8提供均一的温度边界，进而保证石英灯辐射加热器7对飞机构件试验件8进行均匀加热。
具体实施时，通过在水冷板6与隔热框4之间设置一个用于测量飞机构件试验件8的热流密度和冷端温度的薄膜式热流测试机构5，能够使得水冷板6的上表面与薄膜式热流测试机构5的下表面紧密贴合，飞机构件试验件8的下端面与薄膜式热流测试机构5的上表面紧密贴合，能有效避免传统方式存在飞机构件试验件8和水冷板6之间不能紧密贴合从而出现缝隙漏热的问题，同时还能实现对飞机构件试验件8的热流密度和冷端温度的同时测量，保证飞机构件试验件8热传导系数的测量精确度。
具体实施时，第一温度传感器3为热电偶且其粘贴在均热板2的上表面上，均热板2的上表面上设置有五个第一温度传感器3，其中一个第一温度传感器3布设在均热板2的中心，其它四个第一温度传感器3布设在以均热板2的中心为圆心的同一圆周上，薄膜式热流测试机构5粘贴在水冷板6的上表面，能有效避免在飞机构件试验件8的上端面设置温度传感器导致飞机构件试验件8受热不均匀。
需要说明的是，通过在均热板2上设置第一温度传感器3，便于对均热板2的上表面温度进行有效测量。
本实施例中，所述飞机构件试验件8的上端面与隔热框4的上表面相平齐，所述飞机构件试验件8的下端面与隔热框4的下表面相平齐。
本实施例中，所述隔热框4为由耐火陶瓷板制作而成的矩形框。
实际使用时，隔热框4设置在薄膜式热流测试机构5的中部。
本实施例中，所述水冷板6为矩形平板，所述水冷板6内沿其长度方向和宽度方向均设置有冷却通道。
实际使用时，通过在试验箱1内设置水冷板6，根据傅里叶热传导定律，将飞机构件试验件8的冷端至于水冷板6上，这样保证飞机构件试验件8的冷端保持恒定低温，一方面飞机构件试验件8的冷端和热端的温差最大，能够保证沿着飞机构件试验件8厚度方向的一维热传导，另一方面能够保证稳态，因为如果不加水冷板6，那么飞机构件试验件8的冷端温度也会上升，这样就无法达到稳态。
本实施例中，所述均热板2为矩形平板，所述均热板2的每一侧均开设有多个槽口2-1，所述均热板2的每个角上均开设有一个槽口2-1。
实际使用时，通过在均热板2的周侧开设多个槽口2-1，能有效避免从均热板2中心到边缘的温度梯度引起的弯曲形变。
本实施例中，所述薄膜式热流测试机构5包括两个上下叠合布设的柔性铜箔5-1、以及封装在两个所述柔性铜箔5-1之间的热流计5-2和多个第二温度传感器5-3，所述柔性铜箔5-1的形状与水冷板6的形状相适配。
实际使用时，柔性铜箔5-1的形状与均热板2的形状相同，柔性铜箔5-1的长度和宽度均与均热板2的长度和宽度一致。
需要说明的是，第二温度传感器5-3为热电偶且其数量为九个，热电偶引线用耐高温套管包覆。
本实施例中，热流计5-2测量100mm×100mm区域内一维稳态传热的平均热流密度，最大热流密度小于10kw/m2，第二温度传感器5-3测量温度范围小于200℃，分别输出单个第二温度传感器5-3测量值，热流密度和温度的测量精度均为1%。
本实施例中，所述热流计5-2布设在所述柔性铜箔5-1的中部，多个所述第二温度传感器5-3沿所述柔性铜箔5-1的一个对角线呈均匀布设。
实际使用时，多个所述第二温度传感器5-3沿所述柔性铜箔5-1的一个对角线呈均匀布设，最终计算出多个第二温度传感器5-3的平均值作为飞机构件试验件8的冷端温度，能有效提高温度测量精度。
如图4所示的一种飞机构件高温特性测量方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、飞机构件试验件的高温试验：通过石英灯辐射加热器7对飞机构件试验件8进行高温试验；
其中，通过水冷板6使飞机构件试验件8的冷端温度保持在设定温度；
步骤二、高温试验中的温度测量：通过薄膜式热流测试机构5测量飞机构件试验件8的平均冷端温度，通过多个第一温度传感器3测量均热板2的上表面温度；
步骤三、判断飞机构件试验件的热传递是否达到稳态：当多个第一温度传感器3测量到的均热板2的上表面温度均不发生变化或其温度的变化值在设定范围内时，热传递达到稳态，执行步骤四；否则，重复步骤二；
步骤四、获得热传递达到稳态后飞机构件试验件的冷端温度、热流密度和均热板的温度：当热传递达到稳态后，记录多个第一温度传感器3测量到的均热板2的上表面温度，并记录薄膜式热流测试机构5测量到的飞机构件试验件8的平均冷端温度
Figure 179783DEST_PATH_IMAGE015
和通过飞机构件试验件8的热流密度
Figure 745894DEST_PATH_IMAGE016
，并通过对多个第一温度传感器3的热端温度进行平均得到均热板2的上表面平均温度
Figure 47562DEST_PATH_IMAGE017
；
步骤五、获取飞机构件试验件的高温特性：所述飞机构件试验件8的高温特性包括飞机构件试验件8的等效热传导系数，根据公式
Figure 408136DEST_PATH_IMAGE018
，得到飞机构件试验件8的等效热传导系数
Figure 732939DEST_PATH_IMAGE019
；
其中，
Figure 102740DEST_PATH_IMAGE020
为飞机构件试验件8的厚度，
Figure 993336DEST_PATH_IMAGE021
为均热板2的厚度，
Figure 790390DEST_PATH_IMAGE022
为均热板2的热传导系数。
实际使用时，飞机构件试验件8的平均冷端温度
Figure 586177DEST_PATH_IMAGE007
为多个第二温度传感器5-3测量的冷端温度的平均值。
需要说明的是，通过石英灯辐射加热器7对飞机构件试验件8进行高温试验时，首先将飞机构件试验件8的热端加热到指定温度，即将均热板2的上表面加热到一定温度，然后持续加热1小时到2小时，飞机构件试验件8的热端温度趋于稳定，即均热板2的上表面温度不发生变化或热端温度的变化值在设定范围内时，热传递达到稳态，当飞机构件试验件8的热传递达到稳态时，测量飞机构件试验件8的热端温度、冷端温度以及热流密度；为使稳态导热情况下飞机构件试验件8冷面温度保持恒温，飞机构件试验件8冷端与水冷板6保持良好接触，即飞机构件试验件8的下端面与薄膜式热流测试机构5的上表面保持良好接触，薄膜式热流测试机构5的下表面与水冷板6的上表面保持良好接触。
具体实施时，首先根据傅立叶一维热传导定律和均热板2的热传导系数，可推算出飞机构件试验件8的热端温度，进而根据傅立叶一维热传导定律可得到飞机构件试验件8的等效热传导系数，其中，通过均热板2的热流密度等于通过飞机构件试验件8的热流密度。
实际使用时，在进行试验件的高温试验过程中，始终通过冷却水循环系统对水冷板6进行水冷，所述冷却水系统包括水箱和设置在水箱内的水泵，所述水泵的出水口与水冷板6上冷却通道的进水口之间通过进水管相连通，水冷板6上冷却通道的出水口连接有排水管。
具体实施时，步骤一中，在进行高温试验前，将所述均热板2在高温炉中进行氧化处理的时间为六小时，使得均热板2氧化后的黑度系数为0.85。
具体实施时，所述飞机构件试验件8与隔热框4之间的缝隙内填充有隔热材料。
需要说明的是，通过在飞机构件试验件8与隔热框4之间的缝隙内填充隔热材料，能有效避免均热板2的温度对石英灯辐射加热器7产生影响，能提高温度测量精度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种飞机构件高温特性测量装置，其特征在于：包括上部开口的试验箱（1）以及由下至上依次设置在试验箱（1）内的水冷板（6）、薄膜式热流测试机构（5）、隔热框（4）和均热板（2），飞机构件试验件（8）位于隔热框（4）内，所述飞机构件试验件（8）为多层防热结构，所述试验箱（1）的上部设置有用于对其上部开口进行封闭的盖板（1-1），所述盖板（1-1）的内侧安装有用于对试验箱（1）内的飞机构件试验件（8）进行加热的石英灯辐射加热器（7），所述薄膜式热流测试机构（5）用于测量飞机构件试验件（8）的热流密度和冷端温度，所述薄膜式热流测试机构（5）呈平板状，所述均热板（2）上设置有用于测量均热板（2）的上表面温度的第一温度传感器（3）。
2.按照权利要求1所述的一种飞机构件高温特性测量装置，其特征在于：所述飞机构件试验件（8）的上端面与隔热框（4）的上表面相平齐，所述飞机构件试验件（8）的下端面与隔热框（4）的下表面相平齐。
3.按照权利要求1所述的一种飞机构件高温特性测量装置，其特征在于：所述隔热框（4）为由耐火陶瓷板制作而成的矩形框。
4.按照权利要求1所述的一种飞机构件高温特性测量装置，其特征在于：所述水冷板（6）为矩形平板。
5.按照权利要求1所述的一种飞机构件高温特性测量装置，其特征在于：所述均热板（2）为矩形平板，所述均热板（2）的每一侧均开设有多个槽口（2-1），所述均热板（2）的每个角上均开设有一个槽口（2-1）。
6.按照权利要求1所述的一种飞机构件高温特性测量装置，其特征在于：所述薄膜式热流测试机构（5）包括两个上下叠合布设的柔性铜箔（5-1）、以及封装在两个所述柔性铜箔（5-1）之间的热流计（5-2）和多个第二温度传感器（5-3），所述柔性铜箔（5-1）的形状与水冷板（6）的形状相适配。
7.按照权利要求6所述的一种飞机构件高温特性测量装置，其特征在于：所述热流计（5-2）布设在所述柔性铜箔（5-1）的中部，多个所述第二温度传感器（5-3）沿所述柔性铜箔（5-1）的一个对角线呈均匀布设。
8.一种利用权利要求1所述的飞机构件高温特性测量装置进行飞机构件高温特性测量的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、飞机构件试验件的高温试验：通过石英灯辐射加热器（7）对飞机构件试验件（8）进行高温试验；
其中，通过水冷板（6）使飞机构件试验件（8）的冷端温度保持在设定温度；
步骤二、高温试验中的温度测量：通过薄膜式热流测试机构（5）测量飞机构件试验件（8）的平均冷端温度，通过多个第一温度传感器（3）测量均热板（2）的上表面温度；
步骤三、判断飞机构件试验件的热传递是否达到稳态：当多个第一温度传感器（3）测量到的均热板（2）的上表面温度均不发生变化或其温度的变化值在设定范围内时，热传递达到稳态，执行步骤四；否则，重复步骤二；
步骤四、获得热传递达到稳态后飞机构件试验件的冷端温度、热流密度和均热板的温度：当热传递达到稳态后，记录多个第一温度传感器（3）测量到的均热板（2）的上表面温度，并记录薄膜式热流测试机构（5）测量到的飞机构件试验件（8）的平均冷端温度
Figure 554780DEST_PATH_IMAGE001
和通过飞机构件试验件（8）的热流密度
Figure 889947DEST_PATH_IMAGE002
，并通过对多个第一温度传感器（3）的热端温度进行平均得到均热板（2）的上表面平均温度
Figure 618868DEST_PATH_IMAGE003
；
步骤五、获取飞机构件试验件的高温特性：所述飞机构件试验件（8）的高温特性包括飞机构件试验件（8）的等效热传导系数，根据公式
Figure 635366DEST_PATH_IMAGE004
，得到飞机构件试验件（8）的等效热传导系数
Figure 133343DEST_PATH_IMAGE005
；
其中，
Figure 904990DEST_PATH_IMAGE006
为飞机构件试验件（8）的厚度，
Figure 544044DEST_PATH_IMAGE007
为均热板（2）的厚度，
Figure 426549DEST_PATH_IMAGE008
为均热板（2）的热传导系数。
9.按照权利要求8所述的飞机构件高温特性测量方法，其特征在于：步骤一中，在进行高温试验前，将所述均热板（2）在高温炉中进行氧化处理的时间为五小时至七小时，使得均热板（2）氧化后的黑度系数不小于设定值。
10.按照权利要求8所述的飞机构件高温特性测量方法，其特征在于：所述飞机构件试验件（8）与隔热框（4）之间的缝隙内填充有隔热材料。
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