１.引 言
目前，機(jī)械連接仍然是先進(jìn)航空航天器最主要的連接方式�？蛇x用的連接方式一般有螺栓連接、鉚接、焊接和粘接４種。其中，后３種連接方式都屬于永久性連接，只有螺栓連接可重復(fù)拆卸，是熱結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用時(shí)不可回避的連接方式（如圖１所示）。由于受到氣動(dòng)熱、噪聲、殘骸碎片等多種因素影響，飛行器外層熱防護(hù)面板可能產(chǎn)生面板破裂、燒穿、超溫、涂層脫落、面板與主結(jié)構(gòu)分離等多種失效模式。其中，最可能也是最危險(xiǎn)的失效模式就是面板與主結(jié)構(gòu)分離，導(dǎo)致熱氣流進(jìn)入，分系統(tǒng)發(fā)生故障，引 起 一 系 列 連 鎖 反 應(yīng)，嚴(yán) 重 時(shí) 會(huì) 導(dǎo) 致 機(jī) 毀人亡。
對于高溫合金螺栓與 Ｃ／Ｃ、Ｃ／ＳｉＣ 等先進(jìn)復(fù)材面板的連接結(jié)構(gòu)，由于高溫合金的熱膨脹系數(shù)比復(fù)材大很多，高溫環(huán)境下由于熱失配會(huì)造成螺栓預(yù)緊力大幅下降。螺栓預(yù)緊力下降會(huì)導(dǎo)致被連接件滑移、分離或螺栓松脫，直接威脅到熱防護(hù)面板與主結(jié)構(gòu)連接的可靠性，進(jìn)而影響到熱防護(hù)系統(tǒng)的完整性，嚴(yán)重威脅到飛行安全。圖２所示的 Ｃ／Ｃ 熱防護(hù)面板的３種主要失效模式中，模式１和模式２均由于螺栓連接變松弛引起，模式１造成了 Ｃ／Ｃ板與支架之間的連接松弛，模式２造成了支架與機(jī)體結(jié)構(gòu)之間的連接松弛。
有研究提出了極端環(huán)境下連接熱防護(hù)面板的螺栓松弛監(jiān)測技術(shù)，針對由于螺栓預(yù)緊力下降導(dǎo)致的面板松弛和支架松弛，建立了螺栓連接熱防護(hù)系統(tǒng)的嵌入式健康監(jiān)測系統(tǒng)。該技術(shù)基于傳播波的衰減特性，可得到螺栓上的預(yù)緊力變化。通過模擬再入時(shí)的噪聲試驗(yàn)，獲得了可靠的測試結(jié)果。也有研究通過高溫循環(huán)的熱試驗(yàn)，證實(shí)飛行器再入過程中對連接熱防護(hù)系統(tǒng)的陶瓷基復(fù)材緊固件上施加的力矩會(huì)下降，在使用前施加預(yù)應(yīng)變可以防止因緊固件受熱伸長造成的力矩減�。郏矗荨Ｓ袑W(xué)者以 Ｃ／ＳｉＣ螺栓為例，研究復(fù)合材料熱結(jié)構(gòu)連接剛度的試驗(yàn)分析方法，分析了常溫下預(yù)緊力矩與螺栓軸向力之間的關(guān)系，考慮高溫對預(yù)緊力的影響并給出了預(yù)緊力矩修正公式。
２００５年，國外在 ＦＯＴＯＮ－Ｍ２的再入艙的再入過程中進(jìn)行了采用螺栓連接的“ＫＥＲＡＭＩＫ”陶瓷熱防護(hù)系統(tǒng)試驗(yàn)，該試驗(yàn)的主要目的之一即是對熱防護(hù)系統(tǒng)連接和緊固的方案性能進(jìn)行考核。再入艙著陸后發(fā)現(xiàn)，該熱防護(hù)系統(tǒng)各部分連接狀況良好，飛行后所有的緊固件均牢固地連接在平板上。在移除螺栓的過程中，測量了螺栓的剩余扭矩，發(fā)現(xiàn)相比裝配時(shí)的初始扭矩，飛行后螺栓的扭矩平均下降了一半左右。因此，對熱循環(huán)后的螺栓設(shè)計(jì)提出了更高的要求。由于能夠測試預(yù)緊力的傳感器在高溫環(huán)境下極易失效，目前缺乏螺栓預(yù)緊力高溫變化的地面試驗(yàn)方法，本文主要對此開展相關(guān)試驗(yàn)原理與試驗(yàn)方案研究。
２.試驗(yàn)原理
試驗(yàn)件外形如圖３所示，試驗(yàn)件由兩塊相同的Ｃ／ＳｉＣ板搭接，中央用 ＧＨ９９螺栓連接固定，板最外端厚２０ｍｍ，搭接段厚８ｍｍ，中間段為斜面過渡，兩端螺栓孔與中央螺栓孔不在同一直線上。
試驗(yàn)原理如圖４所示，試驗(yàn)時(shí)，對試驗(yàn)件施加水平方向的拉伸載荷。加到一定載荷后，固定加載裝置位置以保持當(dāng)前載荷。由于試驗(yàn)件兩端的螺栓孔與中央連接兩塊 Ｃ／ＳｉＣ 板的螺栓孔不在同一直線上，在水平方向拉伸載荷作用下，兩板會(huì)產(chǎn)生相對中央螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩。當(dāng)中央螺栓預(yù)緊力足夠時(shí)，試驗(yàn)件依靠兩板之間的靜摩擦力平衡力矩。當(dāng)中央螺栓預(yù)緊力下降至兩板間的靜摩擦力不足以平衡轉(zhuǎn)動(dòng)力矩時(shí)，兩板會(huì)發(fā)生相對中央螺栓的轉(zhuǎn)動(dòng)。
由于加載裝置位置固定，會(huì)抵消加載裝置上沿加載方向的部分變形，導(dǎo)致之前施加的拉伸載荷降低。因此，拉伸載荷的變化可以反映出螺栓預(yù)緊力在加熱時(shí)的變化情況，進(jìn)而評估螺栓保持預(yù)緊力的性能。試驗(yàn)件的外形設(shè)計(jì)使得其受拉時(shí)螺栓為單剪狀態(tài)，兩板可在各自平面內(nèi)繞中央螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)。 |
