CN204368446U - 一种对试验件表面升温降温全程可控试验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种对试验件表面升温降温全程可控试验系统，主要包括试验件、温度测量传感器、温度控制传感器、石英灯加热器、电功率调节设备、测控计算机和气体冷却组件；其中，试验件的表面上布置有温度测量传感器和温度控制传感器，温度测量传感器和温度控制传感器分别与测控计算机的两个输入端连接,测控计算机还有两个输出端分别与电功率调节设备和气体冷却组件连接,电功率调节设备与石英灯加热器连接。本实用新型设计采用流量可控的压缩气体对试验件冷却，代替了现有技术采用结构自身热辐射和自然对流冷却的降温方式，解决了以往试验只能控制升温不能控制降温过程的问题，实现了可控的降温段热环境加载，从而实现了对升温降温全程的精确模拟。

Description

一种对试验件表面升温降温全程可控试验系统

技术领域

本实用新型涉及一种热强度试验领域的试验系统，具体涉及一种对试验件表面升温降温全程可控试验系统。

背景技术

航天器结构地面热试验作为研究考核飞行器热结构的热传递特性和高温力学性能，正发挥着越来越重要的作用。热试验中热载荷条件按照飞行弹道时序表面温度或热壁热流条件来进行实时控制，随飞行弹道、飞行时序及环境的差异，飞行器某些结构，例如：机动飞行的弹头等部位，表面除快速升温或者保持恒温外，某些飞行时段表面会由于负热流状态呈现快速降温的特点。

在当前的飞行器结构热环境地面试验中，对试验件的辐射加热一般采用石英灯辐射加热器来实现。石英灯具有尺寸小、功率大、热效率高、热惯性小等优点，可以根据试验对象的形状和尺寸进行相应的石英灯加热器设计，可以按照飞行时序的升温曲线快速响应并进行精确模拟，满足大多数结构快速升温的要求。而对降温曲线目前采用结构自身热辐射和自然对流冷却降温的方式进行。根据以往的经验，这种自然冷却的降温能力十分有限，对于大部分结构试验的降温段达不到按照飞行时序进行快速降温的要求，无法实现可控的降温段热环境加载。

随着新型战术武器型号的研制，对机动性的要求越来越高，弹道壁面温度曲线也将越来越复杂。降温段作为导弹表面热载荷的组成部分，其模拟的优劣将直接影响到热结构的考核效果。降温产生的偏差会产生两种主要影响：第一，结构壁面温度高于要求温度，使得向结构内部传热偏多；第二，结构表面降温速率低于要求值，导致某些结构，特别是脆性高温结构，表面热应力偏低，试验为欠考核。因此只有按照气动热载荷全程精确模拟，才能实现对结构的正确考核。目前，还没有一种对试验件表面升温降温全程可控试验系统。

发明内容

实用新型目的

本实用新型的目的是提供一种试验件表面升温降温全程可控试验系统，可以实现对试验件表面的快速升温降温，对升温降温全程的精确控制，对试验件表面各种温度曲线的精确模拟，能够满足对试验件表面升温降温过程均有严格要求的考核试验，从而得到准确的考核结果。

技术方案

本实用新型设计了一种对试验件表面升温降温全程可控试验系统，对于试验件进行热强度试验，包括：温度测量传感器、温度控制传感器、石英灯加热器、电功率调节设备、测控计算机和气体冷却组件；其中，温度测量传感器和温度控制传感器布置于所述试验件的表面上，温度测量传感器和温度控制传感器分别与测控计算机的两个输入端连接，测控计算机还有两个输出端分别与电功率调节设备和气体冷却组件连接，电功率调节设备与石英灯加热器连接。

所述的气体冷却组件包括冷却喷管、均匀配气装置和供气系统；其中，供气系统与均匀配气装置的输入端连接，均匀配气装置的输出端与冷却喷管的输入端连接。

所述的均匀配气装置由多个配气单元组成，为多级结构，包括第一级、最后一级、多个中间级；

所述的配气单元的主体为圆柱形空腔结构，圆柱形空腔上端为进气口，在圆柱形空腔侧壁靠近下端面的位置，沿圆周均匀设置多个出气口；

第一级结构中，配气单元的进气口与供气系统连接，出气口与下一级结构中的多个配气单元连接；中间级结构中，配气单元的进气口与上一级结构中的一个配气单元的出气口连接，出气口与下一级结构中的多个配气单元连接；最后一级结构中，配气单元的进气口与上一级结构中的一个配气单元的出气口连接，出气口与冷却喷管的输入端连接。

所述的冷却喷管按照矩阵形式排布，冷却喷管朝向试验件的输出端采用喇叭喷口形式，保持所有冷却喷管轴线均平行，并与试验件表面呈30°至60°的倾角。

所述的供气系统包括气动阀、减压阀、截止阀、压力传感器、气源安全阀、气源；其中，气源与气源安全阀的输入端连接，气源安全阀的输出端与截止阀的一端连接，截止阀的另一端与减压阀的输入端连接，减压阀的输出端与气动阀的一端连接，气动阀的另一端连接到均匀配气装置的输入端上，在气源安全阀与截止阀中间安装压力传感器，气动阀的控制信号输入端与测控计算机的输出端连接。

所述的石英灯加热器包括石英灯、电极和反射板，布置于试验件外部。

有益效果

本实用新型是一种试验件表面升温降温全程可控试验系统，在采用石英灯加热器对试验件加热的现有技术的基础上，设计采用流量可控的压缩气体对试验件冷却，代替了现有技术采用结构自身热辐射和自然对流冷却的降温方式，解决了现有技术对于大部分结构试验的降温段达不到按照飞行时序进行快速降温要求的问题，克服了以往试验只能控制升温不能控制降温过程的弊端，实现了可控的降温段热环境加载，从而实现了对升温降温全程的精确模拟，最终得到准确的考核结果。

本实用新型设计采用分级串联方式的均匀配气装置，实现单一冷却源向冷却喷管的均匀配气；其中，均匀配气装置由多个配气单元组成，结构简单易于操作；冷却喷管按照矩阵形式排布，朝向试验件的输出端采用喇叭喷口形式，保持轴线均平行并与试验件表面呈一定倾角，达到保持气流方向一致、喷气冷却均匀的目的。并且，由于采用多级配气的结构，所述系统结构具有良好的可扩展性和可定制性，能够适应多种冷却要求。

本实用新型为热强度试验领域增添了一种新的升温降温全程精确模拟的试验系统，可以应用于对试验件表面升温降温过程均有严格要求的考核试验，对于提高热强度试验的能力、扩展热强度试验领域具有积极作用。

附图说明

图1为升温降温全程可控试验系统示意图。

图2为均匀配气装置示意图。

图3为配气单元的示意图。

图4为配气单元沿图3中A-A线的剖面图；

其中，1、电功率调节设备，2、测控计算机，3、测量数据通道，4、控制数据通道，5、温度测量传感器，6、温度控制传感器，7、试验件，8、石英灯，9、反射板，10、电极，11、冷却喷管，12、气体软管，13、均匀配气装置，14、气动阀，15、减压阀，16、截止阀，17、压力传感器，18、气源安全阀，19、气源。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行进一步描述。

本实用新型是一种对试验件表面升温降温全程可控试验系统，对于试验件7进行热强度试验，采用石英灯加热器对试验件7加热，采用流量可控的压缩气体对试验件7冷却，通过测控计算机2实时控制，可以达到对试验件7表面快速升温降温的目的。如图1所示，本实用新型所述的试验系统包括：温度测量传感器5、温度控制传感器6、石英灯加热器、电功率调节设备1、气体冷却组件和测控计算机2；其中，气体冷却组件包括冷却喷管11、均匀配气装置13和供气系统。

所述的温度测量传感器5和温度控制传感器6布置于试验件7的表面上，用于实时感知试验件7的温度。温度测量传感器5和温度控制传感器6分别通过测量数据通道3和控制数据通道4与测控计算机2的两个输入端连接，其中，温度控制传感器6采集的数据用于与目标温度进行对比，进而控制试验系统采取相应的升温或降温措施，温度测量传感器5采集的数据用于记录试验结果。同时，测控计算机2还有两个输出端分别与电功率调节设备1和供气系统连接。所述测控计算机2上运行程序实现升温降温，涉及的程序及相关控制方法为公知技术，例如，在升温时，测控计算机2通过开启石英灯8使试验件7升温，所述系统使用测控计算机2，但是不涉及对于计算机2的控制方法的改进。

所述的电功率调节设备1与石英灯加热器连接，所述的石英灯加热器包括石英灯8、电极10和反射板9，布置于试验件7外部，石英灯8与试验件7表面相距80mm-100mm，用于对试验件7加热，反射板9用于固定石英灯8，并且利用反射原理辅助加热过程。

所述的冷却喷管11按照矩阵形式布置于石英灯加热器的反射板9上。为使得喷气冷却均匀，冷却喷管11朝向试验件7的输出端采用喇叭喷口形式，保持所有冷却喷管11轴线均平行，并与试验件7表面呈一定的倾角，角度通常为30°至60°，这样可以保持气流方向一致。其中，冷却喷管11分布密度根据冷却均匀性需要设置。

冷却喷管11的输入端通过气体软管12连接到均匀配气装置13的输出端上，均匀配气装置13的输入端与供气系统连接。均匀配气装置13设计采用分级串联的方式，实现单一冷却源向气体软管12的均匀配气，进而达到冷却喷管11均匀配气的目的。如图2所示，一级配气装置的输出端与若干二级配气装置的输入端连接，每个二级配气装置的输出端与若干三级配气装置的输入端连接，依此类推。每一级配气装置的数量和配气装置的级数根据冷却需要设置，例如，当配气装置为三级结构时，由第一级、最后一级和一个中间级组成；当配气装置为四级结构时，由第一级、最后一级和两个中间级组成。

本实用新型中均匀配气装置13的基本组成单位是配气单元，每一级配气装置均由一个或多个配气单元组成。如图3和图4所示，所述的配气单元的主体为圆柱形空腔结构；圆柱形空腔上端面的中心与外部管状结构相连通作为进气口；在圆柱形空腔侧壁靠近下端面的位置，沿圆周均匀设置多个相连通的外部管状结构作为出气口。其中，出气口的数量、进气口管径和出气口管径的大小根据需要设置，例如，对于一个配气单元来说，进气口管径通常大于出气口管径；对于不同级配气装置中的配气单元来说，上一级的进气口管径和出气口管径通常大于下一级的进气口管径和出气口管径。冷却气体从配气单元的进气口流入，均匀分流后通过多个出气口流出，实现了均匀配气的目的。

均匀配气装置13的输入端与供气系统连接，供气系统包括气动阀14、减压阀15、截止阀16、压力传感器17、气源安全阀18、气源19。其中，气源19与气源安全阀18的输入端连接，气源安全阀18的输出端与截止阀16的一端连接，截止阀16的另一端与减压阀15的输入端连接，减压阀15的输出端与气动阀14的一端连接，气动阀14的另一端连接到均匀配气装置13的输入端上，在气源安全阀18与截止阀16中间安装压力传感器17，气动阀14的控制信号输入端与测控计算机2的输出端连接。

本实用新型所述的一种对试验件表面升温降温全程可控试验系统的具体试验方法如下：

试验前打开截止阀16，调节减压阀15，使得压力处于需要的安全值，然后开始试验。根据试验件7表面的温度控制传感器6的值，测控计算机2进行相应的调节：在升温、保温段，测控计算机2输出控制信号给气动阀14，保持阀门关闭，同时根据温度控制传感器6的值，输出控制电压信号给电功率调节设备1，从而调节石英灯8的灯端电压，使得加热按照要求的温度曲线控制；在降温段，测控计算机2首先降低石英灯8的灯端电压，在信号为零却仍不能满足降温要求时，测控计算机2增大输出控制信号给气动阀14，开启阀门，根据降温曲线来调节气动阀14的阀门开口大小，从而改变冷却气量的大小，达到调节降温速率的目的。

采用上述试验方法，对某型号舵金属模拟结构进行了升温降温试验，具体试验参数如下：

试验件7采用2mm厚300mmX300mmA3钢板结构，石英灯加热器采用500mm/2kW石英灯组加热器，冷却喷管11与石英灯加热器反射板9呈60度夹角，冷却喷管11内径5mm，采用7X7的矩阵分布，分布间距取50mm，高压部分管路采用金属管路硬链接，均匀配气装置13及相关部分采用塑料软管连接。

试验结果表明，加热和冷却均匀性偏差在5％以内,在500℃时降温速率可以达到8℃/s，舵面温度均匀度满足要求，实施效果良好，实现了升温降温全程的精确控制，能够满足大部分航天器试验的工程需要。

上面对本实用新型的实施例作了详细说明，上述实施方式仅为本实用新型的最优实施例，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种对试验件表面升温降温全程可控试验系统，对于试验件(7)进行热强度试验，包括：温度测量传感器(5)、温度控制传感器(6)、石英灯加热器、电功率调节设备(1)和测控计算机(2)，其特征在于：还包括气体冷却组件；

其中，温度测量传感器(5)和温度控制传感器(6)布置于所述试验件(7)的表面上，温度测量传感器(5)和温度控制传感器(6)分别与测控计算机(2)的两个输入端连接,测控计算机(2)还有两个输出端分别与电功率调节设备(1)和气体冷却组件连接,电功率调节设备(1)与石英灯加热器连接。

2.按照权利要求1所述的一种对试验件表面升温降温全程可控试验系统，其特征在于：所述的气体冷却组件包括冷却喷管(11)、均匀配气装置(13)和供气系统；

其中，供气系统与均匀配气装置(13)的输入端连接，均匀配气装置(13)的输出端与冷却喷管(11)的输入端连接。

3.按照权利要求2所述的一种对试验件表面升温降温全程可控试验系统，其特征在于：所述的均匀配气装置(13)由多个配气单元组成，为多级结构，包括第一级、最后一级、多个中间级；

所述的配气单元的主体为圆柱形空腔结构，圆柱形空腔上端为进气口，在圆柱形空腔侧壁靠近下端面的位置，沿圆周均匀设置多个出气口；

第一级结构中，配气单元的进气口与供气系统连接，出气口与下一级结构中的多个配气单元连接；

中间级结构中，配气单元的进气口与上一级结构中的一个配气单元的出气口连接，出气口与下一级结构中的多个配气单元连接；

最后一级结构中，配气单元的进气口与上一级结构中的一个配气单元的出气口连接，出气口与冷却喷管(11)的输入端连接。

4.按照权利要求2所述的一种对试验件表面升温降温全程可控试验系统，其特征在于：所述的冷却喷管(11)按照矩阵形式排布，冷却喷管(11)朝向试验件(7)的输出端采用喇叭喷口形式，保持所有冷却喷管(11)轴线均平行，并与试验件(7)表面呈30°至60°的倾角。

5.按照权利要求2所述的一种对试验件表面升温降温全程可控试验系统，其特征在于：所述的供气系统包括气动阀(14)、减压阀(15)、截止阀(16)、压力传感器(17)、气源安全阀(18)、气源(19)；

其中，气源(19)与气源安全阀(18)的输入端连接，气源安全阀(18)的输出端与截止阀(16)的一端连接，截止阀(16)的另一端与减压阀(15)的输入端连接，减压阀(15)的输出端与气动阀(14)的一端连接，气动阀(14)的另一端连接到均匀配气装置(13)的输入端上，在气源安全阀(18)与截止阀(16)中间安装压力传感器(17)，气动阀(14)的控制信号输入端与测控计算机(2)的输出端连接。

6.按照权利要求1所述的一种对试验件表面升温降温全程可控试验系统，其特征在于：所述的石英灯加热器包括石英灯(8)、电极(10)和反射板(9)，布置于试验件(7)外部。