CN114878201B - 一种适用于空天飞机曲面外形的热载荷试验系统 - Google Patents

Abstract

本申请属于飞机测试技术领域，具体涉及一种适用于空天飞机曲面外形的热载荷试验系统。该装置主要包括底座（1）、石墨棒（2）及石墨条（3），石墨棒（2）及石墨条（3）设置在底座（1）的四个侧边围成的空间内，其中，石墨棒（2）包括架设在左右侧边的上下两根棒体，两根棒体分别连接一铜电极（21），以输入电流，多个石墨条（3）分别具有不同的曲面外形的加热主体（31），每个石墨条（3）的加热主体（31）的两端分别具有一个通孔（32），从而套设在上下两根棒体上，多个石墨条（3）套设至石墨棒（2）上之后，各加热主体（31）组合成一个适配所述空天飞机曲面外形的加热曲面。本申请能够大幅提高石墨加热器的加热均匀性。

Description

一种适用于空天飞机曲面外形的热载荷试验系统

技术领域

本申请属于飞机测试技术领域，具体涉及一种适用于空天飞机曲面外形的热载荷试验系统。

背景技术

当空天飞机在大气层中以高超声速飞行时，其结构表面受到严酷的气动加热作用，因此需要在地面试验中通过加热器对试验件进行加热以模拟空天飞机所受的表面热载荷，当飞行器速度较高时，气动加热效应很强，热载荷的热流密度很大。这需要加热器具备很强的热输出能力。现有的试验技术难以满足其试验模拟要求。

以石墨为发热单元的石墨加热器，具备强大的热输出能力，能够为空天飞机或高超声速飞行器地面热强度试验验证提供理想的超高温热环境。现有石墨加热装置一般为平板结构，在加热均匀性方面，对平面结构件效果较好，对曲面结构件而言，即使是通过多块石墨加热装置仿形拼接，加热均匀性也存在一定的偏差。

现有技术所提供的设备不能对复杂曲面提供持续的加热能力，无法实现对飞行器在高空中超高速飞行状态下曲面部件表面热场变化的真实模拟。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供一种适用于空天飞机曲面外形的热载荷试验系统，通过设计随形石墨条，然后将多个石墨条并联的方式，可以实现对空天飞机曲面结构件的均匀加热。

本申请的适用于空天飞机曲面外形的热载荷试验系统，主要包括试验腔体，所述试验腔体封闭且形成含氧量不高于300ppm的微氧环境，所述试验腔体内固定安装有具有曲面外形的飞机试验件；石墨加热器，设置在所述试验腔体内，包括底座、石墨棒及石墨条，所述底座包括上下左右四个侧边，所述石墨棒及石墨条设置在上述四个侧边围成的空间内，其中，石墨棒包括架设在左右侧边的上下两根棒体，上棒体在左侧边穿出后连接一铜电极，下棒体在右侧边穿出后连接另一铜电极，多个石墨条分别具有不同的曲面外形的加热主体，每个石墨条的加热主体的两端分别具有一个通孔，其中一个通孔套设在所述上棒体上，另一个通孔套设在所述下棒体上，多个石墨条套设至石墨棒上之后，各加热主体组合成一个适配所述飞机试验件曲面外形的加热曲面；其中，当所述石墨加热器安装在试验腔体内时，其具有曲面外形的加热主体正对飞机试验件的加热曲面，所述石墨加热器的铜电极通过电源线连接试验腔体外的电源，通过电源供电使石墨条发热进而对所述飞机试验件进行热载荷试验。

优选的是，所述石墨棒通过底座左右侧边的穿出孔架设在底座上，且所述石墨棒与所述底座的穿出孔之间设置有陶瓷衬套。

优选的是，所述底座的各侧边均包括位于内部的反射板，至少多个侧边还包括位于外部的水冷背板，所述反射板内表面镜面抛光处理，所述水冷背板内置有水冷却通道，所述水冷却通道具有进水口及出水口。

优选的是，所述水冷却通道在所述水冷背板内盘旋延伸。

优选的是，所述反射板采用铝合金制成。

优选的是，所述底座的下底板外侧设置有多个第一支脚。

优选的是，所述底座的四个侧边同在前侧或同在后侧设置有多个第二支脚。

优选的是，还包括能够形成微氧环境的试验腔体，由底座、石墨棒及石墨条组成的石墨加热器设置在所述试验腔体内。

本申请由多个随形石墨条组成，与现有加热装置相比，大幅提高了加热的均匀性。

附图说明

图1为本申请适用于空天飞机曲面外形的热载荷试验系统的一优选实施例的结构示意图。

图2为本申请图1所示实施例的石墨条结构示意图。

图3为本申请图1所示实施例的底座结构示意图。

其中，1-底座，11-反射板，12-水冷背板，121-进水口，122-出水口，13-第一支脚，14-第二支脚；

2-石墨棒，21-铜电极；

3-石墨条，31-加热主体，32-通孔；

4-飞机试验件，5-水管，6-电源线，7-试验腔体。

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方式中的附图，对本申请实施方式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。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，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方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

本申请提供了一种适用于空天飞机曲面外形的热载荷试验系统，如图1所示，主要包括试验腔体7，所述试验腔体7封闭且形成含氧量不高于300ppm的微氧环境，所述试验腔体7内固定安装有具有曲面外形的飞机试验件4；石墨加热器，设置在所述试验腔体7内，包括底座1、石墨棒2及石墨条3，所述底座1包括上下左右四个侧边，所述石墨棒2及石墨条3设置在上述四个侧边围成的空间内，其中，石墨棒2包括架设在左右侧边的上下两根棒体，上棒体在左侧边穿出后连接一铜电极21，下棒体在右侧边穿出后连接另一铜电极21，多个石墨条3分别具有不同的曲面外形的加热主体31，每个石墨条3的加热主体31的两端分别具有一个通孔32，其中一个通孔32套设在所述上棒体上，另一个通孔32套设在所述下棒体上，多个石墨条3套设至石墨棒2上之后，各加热主体31组合成一个适配所述飞机试验件4曲面外形的加热曲面；其中，当所述石墨加热器安装在试验腔体7内时，其具有曲面外形的加热主体31正对飞机试验件4的加热曲面，所述石墨加热器的铜电极21通过电源线6连接试验腔体7外的电源，通过电源供电使石墨条3发热进而对所述飞机试验件4进行热载荷试验。

需要说明的是，本申请的石墨条3为随形石墨条，随形石墨条辐射面为曲面，具体大小、曲率等参数由试验件受热面形状决定，如图2所示，本装置中石墨条3辐射面长度为300mm，宽度为15mm，石墨条3两端为通孔32，通孔32为石墨棒孔，用于将石墨条3挂载在石墨棒2上，孔直径为20mm。用于串联的石墨棒2的直径为20mm，将各个随形石墨条连接在一起，进一步说明的是，石墨条3形状由试验件外形决定，因此各个石墨条3外形不一定相同。

需要说明的是，虽然示意图中未示出试验腔体7如何形成微氧环境，但本领域技术人员能够理解，一般可以通过微氧气体管路连接该封闭的试验腔体7，通过注入微氧气体来保证试验腔体7内的氧气浓度处在较低的水平。本实施例中，微氧环境主要是为了模拟真实的高空低氧区域，从而防止在地面试验中，试验件因热载荷作用发生氧化反应而造成实验数据失真。

在一些可选实施方式中，所述石墨棒2通过底座1左右侧边的穿出孔架设在底座1上，且所述石墨棒2与所述底座1的穿出孔之间设置有陶瓷衬套。通过陶瓷衬套对底座1起到绝缘保护作用。

在一些可选实施方式中，所述底座1的各侧边均包括位于内部的反射板11，至少多个侧边还包括位于外部的水冷背板12，所述反射板11内表面镜面抛光处理，所述水冷背板12内置有水冷却通道，所述水冷却通道具有进水口121及出水口122。

参考图1，本实施例中，进水口121及出水口122通过水管5连接至试验腔体7外，通过水泵实现对石墨加热器的冷却水循环。

需要说明的是，底座1的各侧边均包括一个反射板11，从而从上下左右对底座1内的石墨条3进行反射，反射板11起到降低热量泄露以及固定石墨加热器的作用。水冷背板12可以仅在底座1的上侧边设置，如图3所示，水冷背板12通过焊接或者铆接等固定在底座1的上侧边的反射板11上，水冷通道在该水冷背板12内部延伸。备选实施方式中，也可以将水冷背板12设置在上侧边及左右两个侧边上，进水口121及出水口122都设置在上侧边上，与进水口121连通的水冷却通道首先自上侧边的水冷背板12内延伸到左侧边的水冷背板12内，之后在左侧边的水冷背板12内延伸，再然后，通过上侧边的水冷背板12延伸到右侧边的水冷背板12内，并在右侧边的水冷背板12内延伸，最后，通过设置在上侧边的水冷背板12的出水口122流出。备选实施方式中，也可以将水冷背板12设置在上下左右四个侧边上，进水口121及出水口122都设置在上侧边上，水冷却通道依次流经左侧边的水冷背板12、底侧边的水冷背板12、右侧边的水冷背板12，最后回到上侧边的水冷背板12，实现水流循环。

另外需要说明的是，水冷背板12与反射板11还可以一体加工制成，底座1的各侧边内表面为反射板11，外表面为水冷背板12，通过在水冷背板12与反射板11围成的封闭腔体中规划水冷却通道，引导冷却水对反射板11降温。

在一些可选实施方式中，所述水冷却通道在所述水冷背板12内盘旋延伸。可以理解的是，水冷却通道也可以布置为来回延伸的多排结构，其目的都在于增大水冷却通道的长度，提高其与反射板11的接触，提高冷却效果。

在一些可选实施方式中，所述反射板11采用铝合金制成。另外，水冷背板12、进出水管等也可以采用铝合金材料制成。

在一些可选实施方式中，所述底座1的下底板外侧设置有多个第一支脚13。参考图3，通过第一支脚13将该加热器放置在试验环境中，以使得石墨条3构成的辐射面正对位于其侧边的试验件。

在一些可选实施方式中，所述底座1的四个侧边同在前侧或同在后侧设置有多个第二支脚14。参考图3，通过第二支脚14可以将该加热器放倒后放置在试验环境中，以使得石墨条3构成的辐射面正对位于其上方的试验件。

在一个备选实施方式中，本申请的水冷背板12可以单独设计，即包括底座1上侧的具有独立进水口及出水口的第一水冷背板，底座1下侧的具有独立进水口及出水口的第二水冷背板，底座1左侧的具有独立进水口及出水口的第三水冷背板，底座1右侧的具有独立进水口及出水口的第四水冷背板，也可以将其中两个或三个水冷背板设计为共用一套进出水口，其它的水冷背板采用另一个进出水口，各水冷背板12的进出水口可以在图3中的各支脚上加工形成。

本实施例中，由底座1、石墨棒2及石墨条3组成的石墨加热器设置在所述试验腔体7内。可以理解的是，本申请的石墨加热器是需要在微氧环境下使用的，试验时，将待考核的飞机试验件4安装在加热区，并在试验件上布置测控系统需要的传感器；将石墨条3安装至底座1上；将底座1与水冷反射系统安装在加热区，检查并确保水冷反射系统可以有效阻隔超高温加热阵列的热量泄露，防止对加热装置内常温工作设备的伤害；通过微氧环境维持系统上的水、电、气和测控系统安装通道，给试验装置接入水、电、气，将测控系统连接至测控设备；开启微氧环境维持系统，将加热装置内部的氧含量降至300ppm以下；开启水、电、气，开启测控系统，开始试验。试验前将试验件与本加热装置放置试验腔体7内，打开水路检查并确保水冷反射系统可以正常有效工作。

本申请可用于空天飞机曲面结构件热强度考核试验的石墨加热装置，相比现有石墨加热技术，大幅提高了加热的均匀性。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本申请作了详尽的描述，但在本申请基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本申请精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本申请要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种适用于空天飞机曲面外形的热载荷试验系统，其特征在于，包括：

试验腔体(7)，所述试验腔体(7)封闭且形成含氧量不高于300ppm的微氧环境，所述试验腔体(7)内固定安装有具有曲面外形的飞机试验件(4)；

石墨加热器，设置在所述试验腔体(7)内，包括底座(1)、石墨棒(2)及石墨条(3)，多个石墨条(3)分别具有不同的曲面外形的加热主体(31)，各加热主体(31)组合成一个适配所述飞机试验件(4)曲面外形的加热曲面；

其中，当所述石墨加热器安装在试验腔体(7)内时，其具有曲面外形的加热主体(31)正对飞机试验件(4)的加热曲面，所述石墨加热器的铜电极(21)通过电源线(6)连接试验腔体(7)外的电源，通过电源供电使石墨条(3)发热进而对所述飞机试验件(4)进行热载荷试验；

所述底座(1)包括上下左右四个侧边，所述石墨棒(2)及石墨条(3)设置在上述四个侧边围成的空间内，所述石墨棒(2)包括架设在左右侧边的上下两根棒体，上棒体在左侧边穿出后连接一铜电极(21)，下棒体在右侧边穿出后连接另一铜电极(21)，每个石墨条(3)的加热主体(31)的两端分别具有一个通孔(32)，其中一个通孔(32)套设在所述上棒体上，另一个通孔(32)套设在所述下棒体上，多个石墨条(3)套设至石墨棒(2)上之后，形成所述加热曲面。

2.如权利要求1所述的适用于空天飞机曲面外形的热载荷试验系统，其特征在于，所述石墨棒(2)通过底座(1)左右侧边的穿出孔架设在底座(1)上，且所述石墨棒(2)与所述底座(1)的穿出孔之间设置有陶瓷衬套。

3.如权利要求1所述的适用于空天飞机曲面外形的热载荷试验系统，其特征在于，所述底座(1)的各侧边均包括位于内部的反射板(11)，至少多个侧边还包括位于外部的水冷背板(12)，所述反射板(11)内表面镜面抛光处理，所述水冷背板(12)内置有水冷却通道，所述水冷却通道具有进水口(121)及出水口(122)。

4.如权利要求3所述的适用于空天飞机曲面外形的热载荷试验系统，其特征在于，所述水冷却通道在所述水冷背板(12)内盘旋延伸。

5.如权利要求3所述的适用于空天飞机曲面外形的热载荷试验系统，其特征在于，所述反射板(11)采用铝合金制成。

6.如权利要求1所述的适用于空天飞机曲面外形的热载荷试验系统，其特征在于，所述底座(1)的下底板外侧设置有多个第一支脚(13)。

7.如权利要求1所述的适用于空天飞机曲面外形的热载荷试验系统，其特征在于，所述底座(1)的四个侧边同在前侧或同在后侧设置有多个第二支脚(14)。

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