１.引 言
科技的進(jìn)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(chǎn)生的氣動加熱將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱應(yīng)力與熱變形等 現(xiàn) 象，使飛 行 器外形、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生變化。結(jié)構(gòu)熱試驗技術(shù)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術(shù)，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(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)適應(yīng)性的影響，測量并記錄溫度、應(yīng)變等有關(guān)數(shù)據(jù)分布規(guī)律，通 過 試 驗 鑒 定結(jié) 構(gòu) 的 熱強(qiáng)度。地面模擬試驗熱源，國內(nèi)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(qiáng)、多溫區(qū)控制等特點(diǎn)，是有效的結(jié)構(gòu)全尺寸熱試驗方法。石 英 燈 加 熱 的 溫 度 理 論 上 可 以 達(dá) 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(nèi)，在１２５０℃以下可以進(jìn)行較長時間的熱試驗。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(shè)計是根據(jù)試驗件外形確定加熱器的形狀和結(jié)構(gòu)尺寸，然后在此基礎(chǔ)上布置盡可能多的石英燈管，并未對加 熱 器需 用功 率 進(jìn) 行 計算，這會導(dǎo)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(diào)試時間延長，嚴(yán)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(jìn)行了理論描述，同時指出，為使試驗件表面溫度達(dá)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(shè)計功率。對于薄壁結(jié)構(gòu)，按照結(jié)構(gòu)最大可能吸熱量確定，試驗件表面達(dá)到最高試驗溫度時試驗件吸收的熱量表示為：
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(guān)。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(shè)計功率為：
式中，Ｗ為加熱器設(shè)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(zhì)、試驗件內(nèi)部傳熱條件、周圍環(huán)境條件等因素相關(guān)。
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(yīng)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(jié)構(gòu)在相同的試驗環(huán)境中，為了使結(jié)構(gòu)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(jìn)行對比分析。除結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)表面溫度反推出所需要施加的熱流。采用了圖１所示的結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(jìn)行歸一化處理，處理方法是熱流載荷的相關(guān)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(jìn)行當(dāng)前工況計算；
第六步，提取計算模型特征點(diǎn)的 ＭＳＣ．Ｎａｓｔｒａｎ計算結(jié)果；
第七步，對特征點(diǎn)的溫度與給定的計算模型表面溫度進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)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(zhuǎn)到第七步，如果滿足要求則轉(zhuǎn)到第八步；
第八步，計算結(jié)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(jié)果與此相符。
當(dāng)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(dá)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(gòu)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(dǎo) 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(jié)果也符合這一特點(diǎn)。
４ 結(jié) 論
本文針對熱結(jié)構(gòu)試驗中，石英燈加熱系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)問題進(jìn)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(shè)計應(yīng)該在遵循前述兩條結(jié)論的條件下，根據(jù)具體情況進(jìn)行計算和參數(shù)選取。 |
