適應瞬態(tài)高溫過載環(huán)境的加載裝置設計及試驗研究

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621999）

飛行速度快、滯空時間長、高機動性強的飛行器具有重要的軍事應用價值和重大戰(zhàn)略意義，已成為21世紀以來世界各主要航空航天大國的研究熱點[1-3]。隨著飛行器飛行速度設計值的大幅度提高，由氣動熱引起的高溫熱環(huán)境變得越來越嚴酷[4-6]。當飛行器快速飛行時，駐點溫度急劇升高。同時，飛行過程中會面臨因殼體外表面高速繞流流場誘導的振動、過載和噪聲等復雜力環(huán)境。熱-離心復合環(huán)境會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一系列不利影響[7-16]，如：1）高溫環(huán)境下材料的彈性模量和強度極限下降，導致結(jié)構(gòu)的承載能力下降；2）快溫變會形成較大的溫度梯度，產(chǎn)生的附加熱應力與力載荷所產(chǎn)生的機械應力相疊加，導致結(jié)構(gòu)剛度下降，造成結(jié)構(gòu)局部或總體的失效；3）在高溫、熱應力和機械應力的共同作用下，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較大變形，破壞其氣動外形，高溫又使結(jié)構(gòu)剛度下降，影響其振動傳遞特性，在幾種因素的共同作用下，會降低結(jié)構(gòu)的固有頻率，嚴重時會產(chǎn)生顫振，甚至出現(xiàn)更加危險的共振現(xiàn)象，即所謂的氣動熱彈性問題；4）飛行器上的運動機構(gòu)受高溫作用，產(chǎn)生不協(xié)調(diào)變形，會影響機械正常動作，甚至因機件卡塞而導致飛行事故；5）彈（箭）儀器艙內(nèi)儀器設備正常的工作環(huán)境溫度一般不應超過50 ℃，當艙體外表面受到氣動加熱時，艙壁溫度急劇升高，將會使艙內(nèi)溫度越限，造成元器件性能惡化甚至失效，產(chǎn)生危險的后果。

美國在20 世紀就建有一系列用于飛行器的瞬態(tài)高溫熱加載試驗設備，20 世紀末又建立了加熱功率超過30 MW/m2的試驗設備。該設備可用于檢測飛行器及其他相關(guān)試件在高溫環(huán)境下的結(jié)構(gòu)問題，測試試件的尺寸半徑可以達到2 m[17]。此外，歐洲航空局、法國、德國等國家均具有離心設備或加熱設備。由于技術(shù)封鎖原因，并未見國外相關(guān)高溫-離心試驗的報道[18-19]。國內(nèi)北京強度與環(huán)境研究所建立高溫-離心綜合試驗設備，但最高溫度只到500 ℃[20]。

文中介紹了高溫、非線性及瞬態(tài)高溫熱加載系統(tǒng)和適用于高過載環(huán)境下高強度石英燈設計、夾具優(yōu)化和試驗驗證。尤其是試驗件溫度可達600 ℃，可承受最大80g離心載荷石英燈的成功研制，拓展了瞬態(tài)熱-力復合環(huán)境試驗能力。

1 氣動熱模擬載荷實現(xiàn)

氣動加熱是空氣與飛行器表面相對運動所發(fā)生的強迫對流傳熱，以傳導和輻射加熱方式為手段的地面模擬試驗，雖然從換熱原理上講有本質(zhì)區(qū)別，但從研究結(jié)構(gòu)特性的試驗目的出發(fā)，可以真實地模擬結(jié)構(gòu)表面吸收的熱能，建立起兩者之間的等效關(guān)系。

石英燈加熱具有單位面積熱流密度大、熱慣性小、易組裝和可分區(qū)控制等優(yōu)點?？捎糜诟咚亠w行器結(jié)構(gòu)熱試驗、氣動熱試驗和熱-力（熱-振動、熱-模態(tài)和熱-離心）復合試驗中。針對典型試驗件，通過理論分析、數(shù)值計算和演示試驗，建立了瞬態(tài)加熱系統(tǒng)，如圖1 所示。該系統(tǒng)石英燈管為雙燈管設計，單支功率高達20 kW，功率密度為29 W/mm。

圖1 高溫熱加載系統(tǒng)Fig.1 transient heating system:a) flat heating system;b) cone heating system

2 高過載環(huán)境下石英燈設計

普通石英燈燈管的單燈管和加熱器件（主要是加熱鎢絲）無法承受80g離心載荷的過載。在80g離心環(huán)境下會發(fā)生擠壓變形（加速度方向為軸向），如圖2 所示。該燈管功率密度僅為5 W/mm，加熱試驗件時溫升速率較低，不能達到快速升溫的目的。

為滿足功率密度要求，將單燈管改為雙燈管，功率密度可達15～20 W/mm，滿功率輸出時，試驗件溫升速率可達到100 ℃/s 。雙燈管石英玻璃和鎢絲均經(jīng)過強化設計，但試驗表明，未通電情況下該設計軸向亦不能承受80g離心載荷（燈管和燈絲均不能承受）。試驗后分析情況表明，除鎢絲和石英玻璃外，燈管出線孔陶瓷和石英玻璃連接處亦為燈管薄弱環(huán)節(jié)，如圖3 所示。

為避免高過載環(huán)境下石英燈被拉斷，同時經(jīng)過理論分析和數(shù)值仿真認為，離心場下石英燈徑向受力優(yōu)于軸向，因此后續(xù)試驗離心場下使用石英燈采用徑向加載，且從以下幾個方面解決遇到的技術(shù)難題。

圖2 軸向80g 離心力作用下燈絲嚴重變形Fig.2 Serious deformation of quartz lamp filament caused by an overload of 80g in the axial direction

圖3 80g 軸向離心載荷下燈絲斷裂Fig.3 The breakup of quartz lamp filament caused by an overload of 80g in axial direction

1）GB 4654—2008《非金屬基體紅外輻射加熱器通用技術(shù)條件》中規(guī)定，石英燈管圓柱形管身和壓封板位置能承受50 N 的力即為合格。在高過載環(huán)境下，此處受力大于800 N，從而導致破裂或剪斷。為解決該問題，首先將石英燈管玻璃壁厚由1.8 mm 增大至2.2 mm；其次選用剛性更好的進口石英玻璃管，改進生產(chǎn)固化工藝，使該連接位置強度滿足試驗要求。

2）試驗表明，燈管在壓封板、排氣口和圓柱管身交接部位等3 個位置容易被剪斷。數(shù)值計算分析表明，上述幾個位置存在應力集中現(xiàn)象。生產(chǎn)加工過程中采用退火等辦法消去應力集中點過高的應力，以避免試驗過程中燈管在這3 個位置出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。

3）普通石英燈管僅兩端支撐，中間懸空，高過載環(huán)境下，燈絲易被拉斷或貼合至管壁，造成短路。為了避免燈絲僅兩端承受來自燈管軸向的拉伸之力，設計時燈絲采用螺旋結(jié)構(gòu)，并對燈管內(nèi)支撐燈絲的支架圈部位進行處理，即帶凹槽的燈壁設計。

4）燈管功率大，直徑粗，質(zhì)量大，高過載環(huán)境下支架圈易坍塌和在管內(nèi)發(fā)生移動而拉斷的問題。為了解決這個問題，對制做支架圈的設備進行改裝，以擴大支架圈的直徑，使之與適應管壁更好地貼合在一起。

解決上述問題后，經(jīng)過多次設計、試驗迭代，最終生產(chǎn)出滿足徑向80g離心載荷下帶電工作的強度和持續(xù)時間要求的石英燈管，該石英燈管密度約20 W/mm。燈管實物如圖4 所示。

3 高過載高溫環(huán)境下夾具優(yōu)化設計

石英燈燈管由石英玻璃在高溫環(huán)境下拉制而成，發(fā)熱元件由鎢絲構(gòu)成，出線口位置由陶瓷和石英玻璃粘接固定。在80g離心載荷下，其承受的力為正常環(huán)境下的80 倍，若夾具設計不當。可能造成工作狀態(tài)下石英燈管破裂、鎢絲短路，進而可能造成離心機集流環(huán)燒毀，對其造成嚴重損害。同時夾具設計要考慮隔熱功能，避免試驗時溫度過高，造成離心機不能正常工作。

為滿足上述要求，設計了如圖5 所示的高過載高溫環(huán)境下使用夾具。石英燈底支承環(huán)與加熱筒內(nèi)壁連接，石英燈與石英燈底支承環(huán)連接，石英燈底壓板與石英燈連接。石英燈越短，能承受的過載越大。由于石英燈較短，又要實現(xiàn)對試驗件各部分均勻加熱，就須將石英燈沿燈管軸向方向錯開布置。為了給試驗件施加沿燈管軸向方向的加速度載荷，石英燈底支承環(huán)和石英燈底壓板須設計成帶止口的形式，如圖6 所示。通過數(shù)值計算和預試驗，該加熱裝置可承受最高離心載荷80g、最高溫度600 ℃的高過載及高溫試驗考核。

圖5 大過載、瞬態(tài)高溫熱-加速度復合試驗裝置內(nèi)部構(gòu)型Fig.5 Internal structure of transient heating and overload testing device

圖6 高溫-離心環(huán)境試驗夾具止口設計Fig.6 The design of seam allowance of heating and overload testing device

4 高過載環(huán)境下熱加載試驗驗證

為保證離心環(huán)境下溫度場的均勻性和更真實模擬高過載及高溫環(huán)境，熱加載系統(tǒng)和離心機需進行協(xié)調(diào)控制，即加速度和溫度同時達到目標值。為此設計了瞬態(tài)熱-離心復合試驗系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，如圖7 所示。加速度的控制（即離心機的轉(zhuǎn)速控制）相對簡單且獨立（不受溫度影響），因此，只要溫度能跟隨實測的加速度，就可以實現(xiàn)溫度和加速度的同步控制。瞬態(tài)高溫熱-離心試驗控制系統(tǒng)可同步控制離心機轉(zhuǎn)速和熱加載平臺來實現(xiàn)加速度與試件表面溫度的同步加載，進而實現(xiàn)常溫～600 ℃，加速度最大為80g，試驗保載1 min，溫度控制允差5%以內(nèi)的目標。

圖7 瞬態(tài)高溫-加速度同步控制系統(tǒng)Fig.7 The synchronous control system of transient heating and overload

本次驗證試驗采用的離心機的主要指標如下：最大負載為4 t；最大加速度為200g；容量為200g·t；半徑為7 m；調(diào)速范圍為0～159 r/min。該離心機可實現(xiàn)慣性載荷與溫度、慣性載荷與氣動力載荷的復合協(xié)調(diào)加載。

為實現(xiàn)瞬態(tài)高溫與離心力載荷的協(xié)調(diào)加載，針對典型試驗件（尺寸如圖8 所示，其主要材料為304 不銹鋼），設計了高過載高溫環(huán)境試驗。該次試驗程序為：同時啟動離心機加載和燈陣加熱系統(tǒng)，當離心機加載載荷達到80g時，要求被加熱試驗件表面達到600 ℃。同時要求在過載80g狀態(tài)和600 ℃環(huán)境下保持1 min，期間溫度控制允差在±5%以內(nèi)。

圖9a 為石英燈在離心機加載過程中保持正常工作，圖9b 為石英燈經(jīng)歷過載80g載荷后的狀態(tài)，石英燈管玻璃保持完好，燈絲基本完好，但仍能正常工作。其中開展的試驗驗證的溫度-加速度加載曲線如圖10 所示。對曲線進行分析可知，溫度加載和加速度加載基本達到了協(xié)調(diào)一致，試件表面溫度在保載階段溫度最大偏差為-9.3 ℃，遠優(yōu)于誤差控制精度5%。其中受限于集流環(huán)可承受的最大電流限制，試驗件表面最大溫升速率達到87 ℃/s 。若集流環(huán)承載功率能進一步增大，試驗件溫升速率還有提升空間。

圖8 典型試驗件尺寸Fig.8 the size of the test article

圖9 離心機上工作狀態(tài)石英燈Fig.9 a) The quartz lamps that work noramlly on the centrifuge;b) the quartz lamp subject to an load of 80g

圖10 80g 離心狀態(tài)下溫度加載曲線Fig.10 The curve of temperature under centrifugal condition with an overload of 80g

5 結(jié)語

通過高過載離心環(huán)境下石英燈設計、夾具優(yōu)化、熱力載荷協(xié)調(diào)加載技術(shù)研究，開展了典型試驗件熱-離心復合試驗。通過優(yōu)化設計獲得了可承載80g離心載荷，功率密度為20 W/mm，可將試驗件加熱至最高溫度超過600 ℃的石英燈。優(yōu)化了夾具夾持和隔熱性能，使之能承受試驗時的高溫及高過載環(huán)境，掌握了加速度-溫度協(xié)調(diào)加載控制技術(shù)。在離心機上實現(xiàn)了600 ℃、80g高溫-離心復合試驗，最大溫升速率高達87 ℃/s 。