高速飛行器外熱流模擬試驗裝置研究

楊　祺，汪　洋，張文瑞，于錕錕，劉　寧

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州　730000）

高速飛行器外熱流模擬試驗裝置研究

楊祺，汪洋，張文瑞，于錕錕，劉寧

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州730000）

介紹了氣動熱模擬的常規試驗方法，針對某高速飛行器使用環境條件，設計并搭建了一套基于高頻感應加熱的高速飛行器外熱流模擬試驗裝置，并通過試驗驗證表明，該裝置能有效模擬飛行器在氣動加熱條件下的外表面溫度及溫升狀態，并通過溫度控制器將溫度控制在要求的范圍內。

高速飛行器；氣動加熱；模擬；高頻加熱

0　引言

隨著科學技術的發展，現代戰爭形態正在發生深刻的變化，空中力量已逐漸成為戰爭的重要角色。目前，美、俄等先進國家正在發展新一代防空導彈，最大飛行馬赫數達到Ma=8～10，最大射程300～400 km，作戰高度在10～40 km。導彈以高超聲速在大氣層中飛行時，空氣受到強烈的壓縮和摩擦作用，大部分動能轉化為熱能，導致周圍的空氣溫度急劇升高，而且熱能迅速向飛行器表面傳遞。在飛行高度為10 km，飛行速度4馬赫的情況下，彈體頭部駐點的溫度將達到930 K左右，這種氣動加熱的特點是升溫快、溫度高、熱量大。

對于高超聲速飛行器的研究和設計來說，其熱防護一直是高超聲速飛行器研制的關鍵技術。為驗證高超聲速飛行器的熱防護設計，研究熱防護過程中的換熱規律，在地面熱模擬試驗中需用特殊方案模擬飛行器，由于氣動加熱實際工況外熱流影響。因此，設計一種能在短時間內迅速升溫并且相對穩定的加熱方式成為高超聲速飛行器熱防護設計試驗中的關鍵問題。

1　常規試驗方法介紹

飛行器的氣動加熱是一個瞬態過程，地面熱模擬這個過程目的是重現結構真實的溫度分布，用于考察熱響應特性。氣動熱模擬的試驗方法一般有“非對流方法”和“對流方法”兩類。

對流方法以風動試驗為代表，但是在高速高溫條件下的模擬試驗成本極高，單次試驗費用至少為幾十萬元人民幣，多則需要數百萬元以上。由于試驗成本的原因，使得以石英加熱器為基礎的紅外輻射氣動熱模擬試驗技術獲得廣泛的使用。

石英燈的熱慣性非常小，可以根據結構的形狀進行布置，非常適合大面積的氣動熱試驗。石英燈加熱器有三個方面的優點：（1）尺寸小，功率大。在額定工作電壓下單支石英燈的輸出功率可達1～3 kW，燈管直徑只有10 mm，便于組成石英燈加熱陣列，而且石英燈的瞬時超載能力非常強；（2）熱效率高，壽命長。石英玻璃透過紅外線的能力強，鎢絲的熱穩定性好，額定電壓下約有85%的能量以輻射形式放射出來。在水平狀態下工作壽命可達2 000 h；（3）熱慣性小。燈絲的橫截面小，熱慣性小，便于熱量的瞬時控制。

感應加熱[2]源自于法拉第發現的電磁感應現象，就是交變的磁場會使導體中產生感應電流，從而令導體發熱，近年來感應加熱也已經逐漸進入到人們的生活中，并逐漸被越來越多的使用。高頻感應加熱，其原理是利用其發出高周波的大電流流向被繞制成方形的加熱感應線圈。由高周波感應線圈內發生極性瞬間變化的強大磁束，將加熱塊金屬放置在高頻線圈正上方，磁束就會貫通整個被加熱的金屬物體。感應加熱物體的內部與高頻機感應加熱電流相反的方向，發生相對應的強大渦電流。因為感應加熱塊存在電阻，因此發生強的焦耳熱能，使感應加塊溫度迅速上升。感應加熱原理如圖1所示。

圖1　感應加熱原理圖

感應加熱和其他傳統加熱方式，如燃燒加熱、電阻加熱等不同，直接將電能轉變成熱能。根據感應加熱方式的原理可知，其加熱區域主要是金屬導體表面，并通過熱傳遞的方式實現加熱，因此可通過控制感應電流的大小和頻率，控制加熱的功率和加熱深度。目前已在機械制造工業、冶金、國防等領域成為不可缺少的加熱方式[3]。

2　高速飛行器外熱流模擬裝置需求分析

本裝置針對某飛行器，模擬飛行時由于氣動加熱[4]造成的飛行器外表面溫度迅速升高現象，模擬外熱流加熱環境。因此，本裝置需滿足兩點要求：

（1）在模擬熱防護措施一定時，飛行器蒙皮外表面溫度范圍450～650℃，溫度穩定性±5℃；

（2）本裝置要求迅速升溫，由常溫升至650℃時的時間不應高于250 s。

3　高速飛行器外熱流模擬裝置設計

根據高速飛行器外熱流模擬裝置的需求分析，確定該裝置模擬氣動加熱外熱流環境時，使用溫度邊界條件而不是熱流密度為邊界條件，因此選用感應加熱為加熱方式。

3.1試驗裝置設計

高速飛行器外熱流模擬裝置主要由高頻加熱裝置、感應線圈、加熱塊、云母片等組成，其結構如圖2所示。

圖2　高速飛行器外熱流模擬裝置結構圖

（1）高頻加熱裝置

由上海錦際電源設備有限公司生產，主要為感應線圈提供振蕩電流。通過加熱功率調節按鈕，可以調節加熱功率，進而調節加熱速度與溫度高低。

（2）感應線圈

感應線圈根據加熱塊形狀，采用Φ10×1的紫銅管繞制而成。高頻振蕩電流通過感應線圈時，發生極性瞬間變化的強大磁束，使加熱塊金屬產生渦流，由于焦耳效應，金屬加熱塊被迅速加熱。考慮被加熱塊溫度均勻性，將感應線圈如圖3盤繞。

（3）加熱塊

加熱塊由45＃碳鋼制成，其感應加熱效果較好。加熱塊尺寸210 mm×210 mm×20 mm，其四角有與端框連接M12螺孔，上表面中心及四周布置5個Φ3×16孔，用來布設鎧裝熱偶傳感器。

圖3　感應線圈盤繞方式

（4）云母片

布置在加熱塊及感應圈之間，保證加熱塊及感應圈有良好絕緣。

3.2溫度控制回路

在加熱塊中預埋5只鎧裝熱電偶用以監測加熱塊的溫度，溫度回路采用鎧裝熱電偶測量加熱塊的溫度，根據5個被測點的溫度進行邏輯判斷，當任一點超過溫度上限則開啟高頻感應裝置，當控制點都低于溫度下限則關閉高頻感應裝置，從而完成裝置的溫度控制功能。測溫點布置如圖4所示

圖4　模擬裝置測溫點布置情況圖

4　驗證試驗

4.1試驗程序

首先按照高頻加熱裝置使用說明書正確連接設備，將加熱塊置于感應線圈上方，通過感應電流對其進行加熱，加熱塊與感應線圈之間加云母片防止感應線圈短路；在加熱塊中心及邊緣處安裝鎧裝熱電偶，熱電偶與溫度控制器相連；系統開機，使用溫度控制器檢測加熱塊中心點及邊緣點溫度；加熱塊達到目標溫度后，溫度穩定在一定范圍內，記錄目標溫度及溫度變化區間上、下限數據；關機完成加熱溫度測試。試驗期間，使用秒表對溫度變化進行計時。

4.2試驗結果

圖5為高速飛行器外熱流模擬裝置空負荷模擬試驗時的加熱曲線，試驗時設定加熱塊溫度為510℃±5℃。由圖5可以看出，加熱塊在大約130 s時，溫度到達設定溫度510℃。在此后的270 s中，溫度在510℃上下波動。滿足試驗對外熱流邊界條件的要求。

圖5　加熱裝置升溫曲線圖

5　結論

使用高頻感應加熱裝置設計并搭建了模擬某高速飛行器外熱流溫度條件的外熱流模擬裝置，并通過試驗驗證了該裝置的有效性。試驗證明，該外熱流模擬裝置能夠在規定的時間內將加熱塊升溫至設定溫度，并通過溫度控制器控制高頻加熱裝置的開斷，將加熱塊溫度控制在要求的范圍內。

[1]吳大方，潘兵，鄭力銘，等.高超聲速飛行器材料與結構氣動熱環境模擬方法及試驗研究[J].航天器環境工程，2012，29（3）:250-258.

[2]孫琪.用于水加熱裝置的高頻感應加熱電源設計[D].西安：西安理工大學，2010.

[3]潘天明.現代感應加熱裝置[M].北京：冶金工業出版社，1996.

[4]楊祺，張文端，于錕錕，等.基于FLUENT的紅外窗口主動冷卻裝置數值模擬[J].真空與低溫，2014，21（2）:92-95.

THE STUDY OFHEAT FLUX SIMULATION TESTER FOR SUPER-SPEEDING FLIGHT VEHICLE

YANG Qi，WANG Yang，ZHANGWen-rui，YU Kun-kun，LIU Ning
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Instituteof Physics，Lanzhou730000，China）

This paper introduced the general experimentmethod of simulation system of transientaerodynamic heating.In allusion to the environment condition of some super-speeding flight vehicle，designed and built a suitof heat flux simulation tester for super-speeding slightvehicle based on high frequency heating.The examination proved that the simulation tester simulated the out surface temperature and calefactive state under aerodynamic heating，at the same time the temperature controller changed the temperature to the acceptable range.

Super-Speeding FlightVehicle；aerodynamic heating；simulate；high frequency heating

V461.7

A

1006-7086（2016）01-0039-03

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.01.009

2015-08-17

重點實驗室基金課題（9140C550308140C55014）

楊祺（1983-），女，甘肅省蘭州市人，碩士，主要從事低溫制冷方面的研究。E-mail：qiqi94520@126.com。