CN114885450A - 一种空天飞机测试用的极高温极低温热强度循环试验系统 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种空天飞机测试用的极高温极低温热强度循环试验系统，包括：自冷式加热组件，其包括密封壳体、辐射型的加热元件及石英玻璃透光罩，密封壳体包裹环绕在密封箱体的外侧，加热元件置于密封壳体内部，石英玻璃透光罩设置在密封箱体的内侧面，密封壳体的外侧面具有气体进口及气体出口；密封箱体，其内侧面具有一个或多个指向密封箱体中心轴线的环形突起而形成的导热筋，导热筋沿着密封箱体的轴线方向排布，密封箱体的轴向一侧设有冷却气进管，另一侧设有排气管，冷却介质从冷却气进管进入密封箱体内侧，用于实现密封箱体内的试验件的降温；以及同轴扰流风扇组件，其包括扰流风扇、传动风扇及连接轴，扰流风扇设置在密封箱体的内部。

Description

一种空天飞机测试用的极高温极低温热强度循环试验系统
技术领域
本申请属于空天飞机环境试验技术领域，特别涉及一种空天飞机测试用的极高温极低温热强度循环试验系。
背景技术
随着高速飞行器的不断发展，尤其是天地往返飞行器的发展，其对飞行器的可重复使用需求愈加明显。在空天飞行器飞行过程中，其需要经历由常温到极高温（1300℃），再由极高温到极低温（-130℃）的严酷温度环境过程。因此，在空天飞机地面试验中需要实现该气动热环境的模拟，以检验空天飞机结构及材料的可靠性。
在现有的温度环境箱，有单纯的高温环境试验箱，也有单纯的低温环境试验箱，但仅能满足飞行器的单方向温度测试。而对于现有的高低温环境箱，虽然可以实现在同一个环境箱内的高低温环境模拟，但其升/降温速率基本只有（1-3）℃/min的升降速率，且升/降温度范围一般在300℃至-70℃之间，无法满足空天飞行器的气动热环境模拟。
因此亟需一种极高温极低温循环加热装置，来模拟可重复使用天地往返飞行器的严酷气动热环境模拟。
发明内容
本申请的目的是提供了一种空天飞机测试用的极高温极低温热强度循环试验系统，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。
本申请的技术方案是：一种空天飞机测试用的极高温极低温热强度循环试验系统，包括：
自冷式加热组件，所述自冷式加热组件包括密封壳体、辐射型的加热元件及石英玻璃透光罩，所述密封壳体包裹环绕在密封箱体的外侧，所述加热元件连续或非连续的连接在一起且置于所述密封壳体内部，所述石英玻璃透光罩设置在所述密封壳体靠近密封箱体的内侧面，所述密封壳体的外侧面具有气体进口及气体出口，当所述加热元件工作而向外辐射热量时，通过向所述密封壳体的气体进口内通入惰性冷却气体实现对所述加热元件的冷却或保护；
密封箱体，所述密封箱体为薄壁加筋结构，所述密封箱体的内侧面具有一个或多个指向密封箱体中心轴线的环形突起而形成的导热筋，所述导热筋沿着所述密封箱体的轴线方向排布，所述密封箱体的轴向一侧设有冷却气进管，另一侧设有排气管，冷却介质从冷却气进管进入所述密封箱体内侧，用于实现密封箱体内的试验件的降温；以及
同轴扰流风扇组件，所述同轴扰流风扇组件包括扰流风扇、传动风扇及连接轴，所述扰流风扇设置在所述密封箱体的内部，所述传动风扇设置在所述密封箱体的外侧，扰流风扇和传动风扇通过连接轴连接，通过密封箱体外侧的气体驱动所述传动风扇转动，从而带动所述密封箱体内部的扰流风扇转动，从而实现密封箱体内的温度场迅速均匀。
进一步的，所述加热元件包括石英灯或石墨。
进一步的，所述加热元件距离所述密封箱体的表面为50mm-70mm，且所述加热元件的最高热流密度为1.5MW/m2，以使得所述密封箱体的表面温度最高能够至1500℃。
进一步的，所述密封箱体的壁板厚度为1mm±0.2mm。
进一步的，所述密封箱体采用不锈钢材料制成。
进一步的，所述冷却介质为液氮。
进一步的，所述冷却气进管的轴线与所述试验件在密封箱体内的位置齐平。
进一步的，所述冷却气进管上设置低温比例阀以控制冷却介质的进入量，所述冷却介质的最大流量为300L/min。
进一步的，所述排气管上设置减压阀，在冷却气进管流入冷却介质时，通过开启减压阀以排出所述密封箱体内的部分高温气体。
进一步的，所述密封箱体非辐射接收面设有隔热层，用于隔绝所述密封箱体与外界环境的温度交换。
本申请提供的循环试验系统集成加热与降温为一体，且通过自冷式加热组件进行辐射加热的方式可实现1300℃的极高温环境模拟，通过采用液氮作为冷却介质进行降温，可实现-130℃的极低温环境模拟，突破了现有的高低温环境箱的升降温范围。同时，密封箱体采用薄壁加筋结构，保证了箱体的结构稳定性，在保证箱体内部可快速加热情况下，还可实现密封箱体内环境温度的快速升降温，提高了升降温速率，大幅缩短了高低温循环疲劳试验的试验周期。
附图说明
为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1为本申请的循环试验系统结构示意图。
图2为本申请的循环试验系统P向示意图。
附图标记：
1-自冷式加热组件
11-密封壳体
12-加热元件
13-石英玻璃透光罩
14-气体进口
15-气体出口
2-密封箱体
21-导热筋
22-冷却气进管
23-排气管
24-低温比例阀
25-减压阀
26-隔热层
3-同轴扰流风扇组件
31-扰流风扇
32-传动风扇
33-连接轴
4-置物架。
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。
如图1和图2所示，本申请提供的极高温极低温热强度循环试验系统包括自冷式加热组件1、密封箱体2及同轴扰流风扇组件3。
其中，自冷式加热组件1包括密封壳体11、辐射型的加热元件12及石英玻璃透光罩13。密封壳体11呈圆筒形，包裹环绕在密封箱体2的外侧，加热元件12连续或非连续的连接成圆环型且置于密封壳体11内部，石英玻璃透光罩13设置在密封壳体11的内侧面，密封壳体11的外侧面具有气体进口14及气体出口15。当加热元件12工作而向外辐射热量时，通过向密封壳体11的气体进口14通入惰性冷却气体，实现对加热元件12的冷却或保护，加热元件12的热量透过石英玻璃透光罩13高效、均匀的辐射至密封箱体2上。
在本申请一些实施例中，辐射型的加热元件12既可以使用石英灯，也可以使用石墨。当加热元件12为石英灯时，通入密封壳体11内的惰性气体对石英灯壁实现冷却的作用；当加热元件12为石墨时，通入密封壳体11内的惰性冷却气体可以降低石墨的氧化过程，从而起到保护加热组件的作用。
在采用自冷式加热组件1对试验件进行加热时，加热元件12距离密封箱体2的表面设置为50mm-70mm，加热元件12的最高热流密度为1.5MW/m2时，其加温能力可使密封箱体2的表面温度最高至1500℃。
密封箱体2为薄壁加筋的结构形式，其成圆筒形。在本申请优选实施例中，密封箱体2的壁板厚度约为（1±0.2）mm，其可以采用不锈钢材料制成。在密封箱体2的内侧具有一个或多个指向中心轴线的环形突起形成的导热筋21，导热筋21沿着密封箱体2的轴线方向平行排布。其中，相邻两个导热筋21之间的间距可根据实际情况确定。密封箱体2可在接收自冷式加热组件1辐射散热的情况下迅速实现匀热，且导热筋21不仅增大了密封箱体2的结构稳定性，其还能够将密封箱体2的热量继续往密封箱体2内部进行辐射，提高密封箱体2内的环境最高温度及温升速率，最终使得箱内环境最高温度可以达到1300℃。
此外，密封箱体2的轴向一侧设有冷却气进管22，另一侧设有排气管23，冷却介质从冷却气进管22进入密封箱体2内侧，从排气管23流出密封箱体2，实现密封箱体2内的试验件的降温。在冷却气进管22上设置低温比例阀24以控制冷却介质的进入量，在排气管23上设置减压阀25。其中，冷却气进管22的轴线大致的与试验件所处的位置齐平，从而可以较为迅速的将试验件进行冷却降温。
其中，本申请中所使用的冷却介质G1为液氮，液氮的最大流量为300L/min，从而使密封箱体2内的环境最低温度可至-130℃。
密封箱体2的排气管23上安装的减压阀25，在急速降温过程中，通过开启减压阀25排出一部分高温气体，结合低温比例阀24控制冷却介质液氮的进入量，通过内部空气温度测点，采用控制程序实现密封箱体2内的温度按曲线进行控制，最终可实现最大温度变化率达10℃/s（即600℃/min）。
需要说明的是，本申请中的密封箱体2的大小可以依据试验对象的大小进行加工。
密封箱体2的固定端安装有同轴扰流风扇组件3，同轴扰流风扇组件3包括扰流风扇31、传动风扇32及连接轴33，扰流风扇31设置在密封箱体2的内部，传动风扇32设置在密封箱体2的外侧，两风扇通过连接轴33连接。通过气体G2驱动密封箱体2外部的传动风扇32转动，从而带动密封箱体2内部的扰流风扇31转动，实现密封箱体2内的温度场迅速均匀。密封箱体2外部的传动风扇32可通过流动气体或压缩气体作用在传动风扇32的叶片上实现转动，相比于常规技术中使用电机驱动风扇的方式，其不依赖于电机的使用环境温度，有效解决了高低温交变环境下长时间试验过程中常规电机驱动风扇转动可靠性差的难题，该同轴扰流风扇组件3的可靠性更高。
在本申请该优选实施例中，密封箱体2内部的扰流风扇31大致的与密封箱体2轴向重合，从而使密封箱体2内的温度场可以迅速的均匀。
进一步的，密封箱体2非辐射接收面（即图1所示实施例中的左端面和右端面）设有隔热层26，以隔绝密封箱体2与外界环境的温度交换。
置物架4放置在密封箱体2的内部，空天飞机被测试的试验件放置在置物架4上。
使用时，打开密封箱体2的舱门，将试验件放置在密封箱体2内部的置物架4上，关闭舱门；在升温段采用自冷式加热组件1对密封箱体2进行加热，自冷式加热组件1内的加热元件12通过高透光性的石英玻璃透光罩13后对密封箱体2进行辐射加热，加热过程中从气体进口14给密封壳体11通入惰性冷却气体并从气体出口15排出加热元件12产生的高温气体；使用驱动气体G2对着传动风扇32而使传动风扇32转动，进而带动扰流风扇31转动，从而使得密封箱体2内的温度场均匀；在降温段，开启冷却气进管22上的低温比例阀24，控制冷却介质液氮进入密封箱体2，同时开启排气管23上的减压阀25，排出密封箱体2内的高温混合气体；同轴扰流风扇组件3在整个升/降温过程中始终处于转动状态，以确保密封箱体2内的温度场均匀。
本申请提供的循环试验系统集成加热与降温为一体，且通过自冷式加热组件进行辐射加热的方式可实现1300℃的极高温环境模拟，通过采用液氮作为冷却介质进行降温，可实现-130℃的极低温环境模拟，突破了现有的高低温环境箱的升降温范围。同时，密封箱体采用薄壁加筋结构，保证了箱体的结构稳定性，在保证箱体内部可快速加热情况下，还可实现密封箱体内环境温度的快速升降温，提高了升降温速率，大幅缩短了高低温循环疲劳试验的试验周期。
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)

1.一种空天飞机测试用的极高温极低温热强度循环试验系统，其特征在于，包括：
自冷式加热组件（1），所述自冷式加热组件（1）包括密封壳体（11）、辐射型的加热元件（12）及石英玻璃透光罩（13），所述密封壳体（11）包裹环绕在密封箱体（2）的外侧，所述加热元件（12）连续或非连续的连接在一起且置于所述密封壳体（11）内部，所述石英玻璃透光罩（13）设置在所述密封壳体（11）靠近密封箱体（2）的内侧面，所述密封壳体（11）的外侧面具有气体进口（14）及气体出口（15），当所述加热元件（12）工作而向外辐射热量时，通过向所述密封壳体（11）的气体进口（14）内通入惰性冷却气体实现对所述加热元件（12）的冷却或保护；
密封箱体（2），所述密封箱体（2）为薄壁加筋结构，所述密封箱体（2）的内侧面具有一个或多个指向密封箱体（2）中心轴线的环形突起而形成的导热筋（21），所述导热筋（21）沿着所述密封箱体（2）的轴线方向排布，所述密封箱体（2）的轴向一侧设有冷却气进管（22），另一侧设有排气管（23），冷却介质从冷却气进管（22）进入所述密封箱体（2）内侧，用于对密封箱体（2）内设置的试验件进行降温；以及
同轴扰流风扇组件（3），所述同轴扰流风扇组件（3）包括扰流风扇（31）、传动风扇（32）及连接轴（33），所述扰流风扇（31）设置在所述密封箱体（2）的内部，所述传动风扇（32）设置在所述密封箱体（2）的外侧，扰流风扇（31）和传动风扇（32）通过连接轴（33）连接，通过密封箱体（2）外侧的气体驱动所述传动风扇（32）转动，从而带动所述密封箱体（2）内部的扰流风扇（31）转动，从而实现密封箱体（2）内的温度场迅速均匀。
2.如权利要求1所述的空天飞机测试用的极高温极低温热强度循环试验系统，其特征在于，所述加热元件（12）包括石英灯或石墨。
3.如权利要求1所述的空天飞机测试用的极高温极低温热强度循环试验系统，其特征在于，所述加热元件（12）距离所述密封箱体（2）的表面为50mm-70mm，且所述加热元件（12）的最高热流密度为1.5MW/m2，以使得所述密封箱体（2）的表面温度最高能够至1500℃。
4.如权利要求1所述的空天飞机测试用的极高温极低温热强度循环试验系统，其特征在于，所述密封箱体（2）的壁板厚度为1mm±0.2mm。
5.如权利要求4所述的空天飞机测试用的极高温极低温热强度循环试验系统，其特征在于，所述密封箱体（2）采用不锈钢材料制成。
6.如权利要求1所述的空天飞机测试用的极高温极低温热强度循环试验系统，其特征在于，所述冷却介质为液氮。
7.如权利要求6所述的空天飞机测试用的极高温极低温热强度循环试验系统，其特征在于，所述冷却气进管（22）的轴线与所述试验件在密封箱体（2）内的位置齐平。
8.如权利要求6所述的空天飞机测试用的极高温极低温热强度循环试验系统，其特征在于，所述冷却气进管（22）上设置低温比例阀（24）以控制冷却介质的进入量，所述冷却介质的最大流量为300L/min。
9.如权利要求6所述的空天飞机测试用的极高温极低温热强度循环试验系统，其特征在于，所述排气管（23）上设置减压阀（25），在冷却气进管（22）流入冷却介质时，通过开启减压阀（25）以排出所述密封箱体（2）内的部分高温气体。
10.如权利要求1所述的空天飞机测试用的极高温极低温热强度循环试验系统，其特征在于，所述密封箱体（2）非辐射接收面设有隔热层（26），用于隔绝所述密封箱体（2）与外界环境的温度交换。
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