陶瓷基復(fù)合材料舵面結(jié)構(gòu)力熱耦合試驗(yàn)技術(shù)研究

李永瑞，叢琳華

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力∕疲勞航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

1 引 言

導(dǎo)彈在空氣中高速飛行時(shí)，舵面利用其偏轉(zhuǎn)而產(chǎn)生導(dǎo)彈平衡力和控制力，因此，舵面是飛行器的一個(gè)重要部件。隨著導(dǎo)彈飛行速度的提升，因空氣加熱使得導(dǎo)彈表面溫度大大提高，因此，現(xiàn)在的高速飛行導(dǎo)彈的舵面采用了陶瓷基復(fù)合材料。

陶瓷基復(fù)合材料具有輕質(zhì)、耐高溫、高溫抗氧化性能和力學(xué)性能優(yōu)異的特點(diǎn)(其工作溫度高達(dá)1650℃)，特別是與制備技術(shù)較為成熟的C纖維和SiC纖維相容性較好，因此在飛行器熱端部件上得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。文獻(xiàn)[4]分析了彈(箭)結(jié)構(gòu)熱強(qiáng)度力熱耦合試驗(yàn)頂壓式加載的實(shí)現(xiàn)策略及方法，完成了加載方法的實(shí)施、控制和優(yōu)化。

為了驗(yàn)證C/SiC、SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料舵面結(jié)構(gòu)在力熱耦合作用下的強(qiáng)度和剛度是否滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，本文針對材質(zhì)為C/SiC、SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料的防熱承載一體化結(jié)構(gòu)進(jìn)行力熱耦合試驗(yàn)，獲得了舵面結(jié)構(gòu)在復(fù)合環(huán)境下的響應(yīng)參數(shù)，對評(píng)價(jià)復(fù)合材料舵面結(jié)構(gòu)在高溫下的承載能力、使用壽命以及安全可靠性具有重要意義。陶瓷基復(fù)合材料舵面結(jié)構(gòu)力熱耦合試驗(yàn)技術(shù)研究，為高超聲速飛行器高溫復(fù)合材料舵面結(jié)構(gòu)的地面熱強(qiáng)度試驗(yàn)提供了重要的試驗(yàn)手段和技術(shù)參考。

2 研究內(nèi)容

研究對象為C/SiC、SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料防熱承載一體化舵面結(jié)構(gòu)。飛行器在大氣層中以高馬赫數(shù)飛行時(shí)，飛行器表面空氣受到強(qiáng)烈壓縮和摩擦作用，產(chǎn)生嚴(yán)酷的氣動(dòng)加熱環(huán)境，機(jī)翼、舵面等部分區(qū)域會(huì)出現(xiàn)高達(dá)1600℃的高溫。高溫環(huán)境會(huì)改變復(fù)合材料模量、強(qiáng)度等力學(xué)性能，并使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱變形，影響結(jié)構(gòu)的承載能力。為保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的完整性和可靠性，對陶瓷基復(fù)合材料舵面結(jié)構(gòu)開展1600℃高溫下的力熱耦合試驗(yàn)，研究其氣動(dòng)力、熱載荷模擬技術(shù)。

3 舵面結(jié)構(gòu)載荷模擬

3.1 試驗(yàn)件固定安裝

試驗(yàn)件通過舵軸及軸承安裝在固定底座內(nèi)，底座通過橫梁固定在承力地坪上。舵軸搖臂上的支耳通過鎖定機(jī)構(gòu)固定在底座上，防止舵面發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，固定安裝方式如圖1所示。舵機(jī)艙前端框通過螺栓與支持平臺(tái)連接。

圖1 舵面結(jié)構(gòu)固定安裝方式

3.2 高溫環(huán)境下力載荷模擬

作用于舵面結(jié)構(gòu)表面的氣動(dòng)力是分布載荷。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，采用離散化的方法將分布載荷簡化為多個(gè)集中載荷。根據(jù)杠桿原理組成杠桿加載系統(tǒng)，逐級(jí)合成為一個(gè)或多個(gè)集中載荷。簡化時(shí)除了應(yīng)遵循使試驗(yàn)件考核部位受力真實(shí)，不引起其它部位提前破壞的一般原則外，熱試驗(yàn)的加載機(jī)構(gòu)與試驗(yàn)件的連接方式，還需適應(yīng)高溫環(huán)境，同時(shí)又不嚴(yán)重地破壞試驗(yàn)件表面的溫度分布。具體到加載時(shí)，主要包括兩種實(shí)施方式：

(1)穿過加熱區(qū)，在加熱區(qū)外布置加載推桿并對加載推桿采取一定的隔熱保護(hù)措施，保證加載推桿的使用安全，實(shí)現(xiàn)加載。

(2)在加熱區(qū)內(nèi)部布置加載裝置并通過杠桿施加載荷，實(shí)現(xiàn)加載。

采用方式(1)進(jìn)行加載時(shí)，要求在加載推桿通過加熱器段的加熱器反射板上采用柔性隔熱材料進(jìn)行包裹，其作用是防止加載推桿距離燈管太近時(shí)，輻射熱使加載推桿局部溫度過高，引起加載推桿破壞或失效。同時(shí)，柔性隔熱材料還可以阻擋加熱器開口處內(nèi)外空氣對流，部分減少因?qū)α鞫斐傻臒釗p失。這種載荷施加方法的應(yīng)用應(yīng)根據(jù)不同的試驗(yàn)情況及不同的試驗(yàn)件形狀進(jìn)行相對應(yīng)的試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。

采用方式(2)進(jìn)行加載時(shí)，需要根據(jù)試驗(yàn)件的形狀和加載點(diǎn)位置及載荷大小在試驗(yàn)件內(nèi)部設(shè)計(jì)一套過渡加載夾具并安裝到加熱器內(nèi)部，通過夾具傳遞載荷實(shí)現(xiàn)加載。采用方式(2)時(shí)要特別注意試驗(yàn)加載、支持夾具的設(shè)計(jì)，要注意加熱裝置的大小及安裝位置，同時(shí)要保證加載杠桿的支持與固定。由于加載夾具有一部分位于試驗(yàn)件內(nèi)部，而試驗(yàn)件內(nèi)部溫度較高，加載夾具處在高溫環(huán)境中工作，故在設(shè)計(jì)加載夾具時(shí)應(yīng)考慮加載夾具在高溫環(huán)境下的剛度、強(qiáng)度下降問題。同時(shí)，試驗(yàn)過程中由于試驗(yàn)件受載變形，導(dǎo)致試驗(yàn)件與加熱器的距離改變。如果變形較大，不僅會(huì)改變試驗(yàn)件表面溫度場的分布，而且可能會(huì)導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。解決這一問題的有效方法是使加熱器隨試驗(yàn)件變形一起運(yùn)動(dòng)，稱之為隨動(dòng)。

本文陶瓷基復(fù)合材料舵面結(jié)構(gòu)采用穿過加熱區(qū)的加載推桿進(jìn)行力載荷的施加。加載推桿前端需深入到加熱區(qū)域，在1600℃左右的超高溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)力載荷的施加。為了解決高溫溫度場對加載推桿強(qiáng)度影響較大，嚴(yán)重時(shí)可能引起局部發(fā)生失穩(wěn)導(dǎo)致滑移，使得加載塊與石英燈裝置接觸，發(fā)生石英燈管爆裂、短路以及控制測量系統(tǒng)損壞等嚴(yán)重后果，本試驗(yàn)對加載推桿采取內(nèi)部空腔循環(huán)水冷卻的方式，如圖2所示。在加載推桿末端安裝進(jìn)水管、出水管，冷卻水進(jìn)入進(jìn)水管后流至推桿內(nèi)腔靠近加載塊一端，吸收熱量后流至內(nèi)腔靠近出水口一端，經(jīng)出水口排出，從而實(shí)現(xiàn)對加載推桿和加載塊的冷卻，確保加載推桿和加載塊在高溫環(huán)境中的強(qiáng)度，提高加載的可靠性和安全性。同時(shí)，在加載塊表面包裹柔性隔熱材料，避免試驗(yàn)件出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，減小熱傳導(dǎo)。

圖2 水冷加載推桿結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 熱載荷模擬

(1)溫區(qū)劃分

舵面迎、背風(fēng)面蒙皮采用不同的加熱曲線，試驗(yàn)時(shí)劃分為迎、背風(fēng)面2個(gè)加熱區(qū)，每個(gè)加熱區(qū)有2個(gè)溫區(qū)，如圖3所示。由于舵面結(jié)構(gòu)尺寸較小，除去加載區(qū)域，剩余加熱區(qū)域有限。在保證加載工裝與加熱裝置之間留有足夠安全距離的前提下，合理排布模塊化石英燈尤為重要。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)建立二維或三維模型進(jìn)行比較，選取加熱面積最大的排布方式。

(a)加載側(cè)

將試驗(yàn)件表面噴為黑色，使試驗(yàn)件表面熱量吸收及反射特性更為均勻一致。為防止單個(gè)溫度控點(diǎn)熱電偶發(fā)生脫落等導(dǎo)致試驗(yàn)中斷的情況發(fā)生，在每個(gè)加熱區(qū)設(shè)置兩個(gè)溫度控點(diǎn)，試驗(yàn)中實(shí)時(shí)選取溫度較高的控點(diǎn)進(jìn)行溫度控制。鑒于結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)具有瞬態(tài)實(shí)時(shí)過程控制的特點(diǎn)，要求正式試驗(yàn)一次成功。

在正式試驗(yàn)前，給定低電壓進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，選出試驗(yàn)件表面溫度最高的兩個(gè)點(diǎn)作為正式試驗(yàn)的控點(diǎn)。同時(shí)，標(biāo)定正式溫度曲線的電壓曲線，保證兩個(gè)溫度控點(diǎn)均發(fā)生損壞后，系統(tǒng)可切換至電壓曲線進(jìn)行控制加熱，確保試驗(yàn)順利進(jìn)行。

(2)模塊化石英燈輻射加熱裝置

高超聲速飛行器具有表面溫升速率和熱流密度大、溫度變化高度非線性的特點(diǎn)。地面模擬試驗(yàn)中，如何準(zhǔn)確反映其在高速飛行過程中復(fù)雜的氣動(dòng)熱環(huán)境非常重要。目前，氣動(dòng)加熱模擬試驗(yàn)的熱源主要有石英燈、石墨加熱器等。其中，石墨加熱器可以生成高達(dá)1800℃的熱試驗(yàn)環(huán)境，但缺點(diǎn)是其加熱裝置升溫速度較慢，不能滿足高速飛行器表面溫升速率大的要求，而且加熱裝置的熱慣性比較大，不太適合模擬復(fù)雜機(jī)動(dòng)飛行條件下的快速非線性高溫?zé)岘h(huán)境。石英燈具有良好的電控性能，熱慣性小，非常適合于高速變化的瞬態(tài)氣動(dòng)加熱模擬。同時(shí)，其還具有發(fā)熱功率大、體積小、可組成不同尺寸和形狀加熱裝置的優(yōu)點(diǎn)，既適用于小型試驗(yàn)件，也適用于大型全尺寸結(jié)構(gòu)件。因此，石英燈是氣動(dòng)熱模擬試驗(yàn)比較理想的輻射加熱源。

石英燈加熱管外表面的石英玻璃熔化溫度高達(dá)1700℃，軟化溫度為1600℃，熱膨脹系數(shù)極小(約為5.8×10-7/℃)，具有良好的抗熱沖擊性能。超過1200℃的高溫?zé)嵩囼?yàn)長時(shí)間進(jìn)行時(shí)，燈管表面的溫度會(huì)達(dá)到甚至超過石英玻璃的軟化溫度。當(dāng)石英玻璃高溫軟化后，燈管內(nèi)部的氣體膨脹會(huì)引起管壁變薄破裂。

為了實(shí)現(xiàn)對高超聲速飛行器前錐部、機(jī)身和舵面結(jié)構(gòu)等區(qū)域的瞬態(tài)高速非線性熱環(huán)境模擬，采用模塊化石英燈輻射加熱裝置(如圖4所示)。該裝置采用主動(dòng)冷卻方法，通過引入壓縮空氣對石英玻璃和燈頭進(jìn)行冷卻，引入水流對燈座和反射板進(jìn)行冷卻，使石英燈整個(gè)裝置在安全的溫度范圍內(nèi)工作，有效延長了石英燈在高溫條件下的連續(xù)使用時(shí)間，提高了石英燈管的使用壽命。

圖4 模塊化石英燈加熱器設(shè)計(jì)圖

4 驗(yàn)證結(jié)果分析

采用上述陶瓷基復(fù)合材料舵面結(jié)構(gòu)力熱耦合試驗(yàn)方法，通過模塊化石英燈輻射加熱裝置模擬舵面結(jié)構(gòu)在實(shí)際飛行過程中的氣動(dòng)熱環(huán)境，采用水冷加載推桿實(shí)現(xiàn)單面壓向載荷的施加，順利完成了某SiC空氣舵力熱耦合試驗(yàn)。圖5是空氣舵力熱耦合試驗(yàn)現(xiàn)場圖片。試驗(yàn)過程中，測力傳感器和溫度傳感器采用閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)對載荷及溫度的高精度控制。

圖5 力熱耦合試驗(yàn)現(xiàn)場圖片

圖6給出了溫度測量結(jié)果部分曲線，可以看出，控制點(diǎn)溫度曲線與測量點(diǎn)溫度曲線吻合良好，在溫度上升和下降過程具有很好的跟隨性，控制點(diǎn)最高溫度達(dá)到了1659.7℃。由此驗(yàn)證了模塊化石英燈輻射加熱系統(tǒng)能夠按照高速飛行過程中舵面結(jié)構(gòu)表面溫度的變化，對氣動(dòng)熱環(huán)境模擬過程實(shí)施快速、 準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)跟蹤， 獲得與預(yù)設(shè)超高溫氣動(dòng)熱環(huán)境相一致的動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)結(jié)果。

圖6 力熱耦合試驗(yàn)部分溫度曲線

5 結(jié) 論

本文自行研制的帶水冷及氣冷的模塊化石英燈輻射加熱裝置，具有加熱溫度范圍廣、溫度峰值高、超高溫加熱持續(xù)時(shí)間長等優(yōu)點(diǎn)，既適用于小尺寸試驗(yàn)件高溫隔熱性能試驗(yàn)，也可以大規(guī)模拼裝進(jìn)行大尺寸地面多場耦合試驗(yàn)。

選取溫度較高的兩個(gè)溫度控點(diǎn)，試驗(yàn)中實(shí)時(shí)選取溫度較高的控點(diǎn)進(jìn)行溫度控制，在試驗(yàn)前標(biāo)定正式溫度曲線的電壓曲線，可以有效防止因控點(diǎn)熱電偶脫落等情況發(fā)生而導(dǎo)致試驗(yàn)中斷，確保試驗(yàn)一次成功。

通過設(shè)計(jì)水冷結(jié)構(gòu)對加載塊及加載推桿進(jìn)行實(shí)時(shí)冷卻，可減小熱影響區(qū)，保證加載工裝在1600℃超高溫環(huán)境中的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)力載荷平穩(wěn)有效的施加。

陶瓷基復(fù)合材料舵面結(jié)構(gòu)力熱耦合試驗(yàn)技術(shù)的研究，為高超聲速飛行器高溫復(fù)合材料舵面結(jié)構(gòu)的地面熱強(qiáng)度試驗(yàn)提供了重要的試驗(yàn)手段和技術(shù)參考。