１.引 言
科技的進步使得高超聲速飛行器馬赫數(shù)越來越高，飛行器表面與大氣摩擦產生的氣動加熱將導致結構產生熱應力與熱變形等 現(xiàn) 象，使飛 行 器外形、結構強度及結構剛度發(fā)生變化。結構熱試驗技術正是為解決飛行器跨越聲速后出現(xiàn)的熱障問題而發(fā)展起來的一種地面模擬試驗技術，通過在地面等效模擬飛行熱環(huán)境、氣動載荷等因素來考察其對結構以及結構適應性的影響，測量并記錄溫度、應變等有關數(shù)據(jù)分布規(guī)律，通過試驗鑒定結構的熱強度。地面熱模擬試驗熱源，國內廣泛使用的是石英燈輻射加熱。石英燈具有加熱時間長、加熱能力強、多溫區(qū)控制等特點，是有效的結構全尺寸熱試驗方法。石 英 燈 加 熱 的 溫 度 理 論 上 可 以 達 到１５００℃，但是在此溫度下，加熱時間不能太長，一般限制在２０ｓ以內，在１２５０℃以下可以進行較長時間的熱試驗。文獻通過蒙特卡羅方法開展了燈頭盲區(qū)對熱流場的影響分析，獲得了燈頭盲區(qū)尺寸、燈陣與試件距離對熱流波谷的影響規(guī)律，提出并討論了改善燈頭盲區(qū)的方法。
傳統(tǒng)的加熱器設計是根據(jù)試驗件外形確定加熱器的形狀和結構尺寸，然后在此基礎上布置盡可能多的石英燈管，并未對加 熱 器需 用功 率 進 行 計算，這會導致加熱器功率不足，無法滿足試驗溫度要求的情況出現(xiàn)，使試驗調試時間延長，嚴重的還會造成石英燈管超功率使用，引發(fā)燈管爆裂或燈管使用壽命縮短。本文對試驗件所需的加熱功率進行了理論描述，同時指出，為使試驗件表面溫度達到相同數(shù)值，不同材料由于其熱沉的不同，所需的加熱功率差異很大，鈦合金所需熱流是陶瓷所需熱流的兩倍以上。
２.石英燈加熱功率估算
采用基于試驗件材料熱物理性能的加熱器功率估算方法，確定加熱器的設計功率。對于薄壁結構，按照結構最大可能吸熱量確定，試驗件表面達到最高試驗溫度時試驗件吸收的熱量表示為：
式中，Ｑ 為試驗件表面達到最高試驗溫度時試驗件吸收的熱量，Ｊ；Ａ 為試驗件受熱面積，ｍ２；δ為受熱面材料厚度，ｍ；ρ為受熱面材料密度；ｋｇ／ｍ３；Ｃ為受熱面材料的比熱容，Ｊ／（ｋｇ·℃）；Ｔ 為試驗件表面達到的最高試驗溫度，℃。
試驗件最大溫升率對應的升溫時間為：
式中，Ｔ 為 試 驗 件 表 面 達 到 的 最 高 試 驗 溫度，℃；ｔ為加熱時間，ｓ；Ｔｖ為最大溫升率，℃／ｓ。試驗件吸收熱功率為：
式中，Ｗｘ為試驗件吸收的熱功率，Ｗ；
公式（３）表明，試驗件吸收的熱功率與材料的比熱容和溫升率成正比，而與 試 驗 的 最 高 溫 度 無關。它是在絕熱條件下試驗件按某一溫升率加熱時所需要的理論功率。
試驗件吸收的熱功率是加熱器的有用功率，向周圍環(huán)境的對流、輻射散熱等熱損失屬于加熱器的無用功率，加熱器的設計功率為：
式中，Ｗ為加熱器設計功率，Ｗ；η為加熱器效率。
加熱器效率與熱源狀態(tài)、被加熱試件表面性質、試驗件內部傳熱條件、周圍環(huán)境條件等因素相關。
３.材料特性對加熱功率的要求
３.１問題的提出
由于厚度相同、應用熱環(huán)境相同的不同材料的熱物理參數(shù)不同，其熱傳遞的速度也不同。所以，相同結構在相同的試驗環(huán)境中，為了使結構表面的溫度相同，則需要施加不同的加熱功率。
３.２研究方法
針對陶瓷、鈦合金、Ａ３鋼３種材料的試驗件（尺寸２４０×２４０），通過數(shù)值仿真進行對比分析。除結構上表面施加熱流外，其它表面絕熱。表１給出了材料熱物理參數(shù)。
在相同熱流載荷下，通過計算可以得到３種材料試件的表面溫度。對熱結構中常見的鈦合金和陶瓷材料，通過熱流反演，得到表面溫度相同時，鈦合金與陶瓷試件的輸入熱流曲線。
３.３熱流反演
所謂熱流反演，就是已知結構表面溫度反推出所需要施加的熱流。采用了圖１所示的結構表面熱流計算流程。
第一步，在 ＭＳＣ．Ｐａｔｒａｎ平臺建立有限元模型；
第二步，在場環(huán)境（Ｆｉｅｌｄｓ）輸入熱物理參數(shù)表；
第三步，輸入初始熱流曲線；
第四步，導出 ＭＳＣ．Ｎａｓｔｒａｎ格式的 ＰＤＦ 卡片數(shù)據(jù)，對 ＭＳＣ．Ｎａｓｔｒａｎ格式的 ＰＤＦ卡片數(shù)據(jù)進行歸一化處理，處理方法是熱流載荷的相關數(shù)據(jù)提取出來，并保存在熱流數(shù)據(jù)文件中，其它數(shù)據(jù)由于在后續(xù)計算中沒有變化，保存在一個固定文件中；
第五步，進行當前工況計算；
第六步，提取計算模型特征點的 ＭＳＣ．Ｎａｓｔｒａｎ計算結果；
第七步，對特征點的溫度與給定的計算模型表面溫度進行比較，根據(jù)比較結果，自動動態(tài)修正熱流載荷曲線數(shù)據(jù)并形成新的ＢＤＦ文件，如果沒有滿足要求則轉到第七步，如果滿足要求則轉到第八步；
第八步，計算結束。相同熱流載荷下，計算得到３種材料的表面溫度（如圖２所示），可以看出，陶瓷的溫度升高最明顯，鋼材試件最小，而鈦合金處于兩者中間。３種材料的熱沉差別不大，而密度相差較大，試件的尺寸相同。因此，密度大的溫升最少，數(shù)值仿真的結果與此相符。
當鈦合金試件和陶瓷試件表面溫度相同（如圖３所示）時，通過熱流反演得到的熱流曲線如圖 ４所示。由圖４可以看出，為了達到相同的表面溫度，鈦合金所需熱流是陶瓷所需熱流的兩倍以上。對于由兩種熱沉相差不大的材料構成的試驗件，保持相同溫度時，輸入熱流的差異 主 要 是 密 度 差 異 導 致的，鈦合金和陶瓷材料的密度差異２倍以上，圖４中數(shù)值仿真分析的結果也符合這一特點。
４.結 論
本文針對熱結構試驗中，石英燈加熱系統(tǒng)的設計參數(shù)問題進行了系統(tǒng)研究，通過本文的研究，可以得到：
（１）加熱器輸入功率的計算方法，給出了根據(jù)熱流（或溫度）邊界條件，加熱器功率的理論計算公式；
（２）不同材料試驗件對加熱功率的要求是完全不同的，加熱器的設計應該在遵循前述兩條結論的條件下，根據(jù)具體情況進行計算和參數(shù)選取。 |
