典型金屬蒙皮結構空氣舵力熱聯合試驗技術研究

李永瑞，叢琳華，劉寧夫

（中國飛機強度研究所，陜西?西安?710065）

空氣舵是控制導彈飛行姿態的重要執行機構之一，同時也是導彈結構設計的關鍵部件之一，與導彈總體氣動設計直接相關。通過操縱空氣舵轉動產生相應的氣動力，以控制導彈的飛行姿態，保證符合靶點彈道設計[1]。

高速穿越地球大氣層或在大氣層中巡航飛行時，空氣舵不僅受氣動力、慣性力等多種機械載荷的作用，還要經受非常嚴酷的氣動加熱作用。為保證導彈的安全性和可靠性，必須對空氣舵結構進行地面模擬試驗，模擬高速飛行時的受熱及承載狀況，在熱環境和力學環境耦合作用下分析熱應力、熱變形、結構膨脹量等高溫力學性能參數的變化對結構強度的影響，觀察結構的受力狀況，進一步評價其在高溫下的承載能力、使用壽命以及安全可靠性。

1??研究對象

研究對象為典型金屬蒙皮骨架結構的導彈空氣舵（采用舵機艙艙體作為試驗件支持段），如圖1所示。在高速飛行過程中，空氣舵承受氣動載荷和氣動加熱的作用。氣動模擬時，空氣舵安裝于舵機艙艙體左側，舵機艙處于水平狀態，空氣舵平行于水平面，將空氣舵可折疊一側朝下，通過模擬作動器將空氣舵鎖定在零位狀態。舵機艙前端框通過螺栓與支持平臺連接。

圖1 研究對象外形

2??載荷模擬

2.1??氣動熱載荷模擬

目前，氣動熱載荷模擬所使用的熱源手段主要有石英燈、硅碳加熱器、硅鉬加熱器以及石墨加熱器等。硅碳、硅鉬以及石墨等加熱器可以生成溫度更高的熱試驗環境，但是其加熱裝置的升溫速度比較慢且熱慣性大，不適合用于復雜機動飛行條件下的快速非線性高溫熱環境的動態模擬[2]。而石英燈因具有良好的熱性能，具有可控性好、溫度范圍寬、適用范圍廣等優點，因此通常采用石英燈加熱的方式來滿足高超聲速飛行器氣動熱載荷模擬的要求。

在空氣舵上下蒙皮兩側布置石英燈紅外輻射加熱系統，采用石英燈紅外輻射加熱方式模擬實際飛行過程中舵面的氣動熱環境。石英燈紅外輻射加熱系統見圖2。選取舵面蒙皮上靠近前緣位置的特征點作為溫度控制點，實現對溫度載荷的閉環控制。

圖2 石英燈紅外輻射加熱系統

2.2??高溫環境下力載荷的施加方式

結構熱強度試驗中的力載荷施加較為困難，一方面力載荷施加裝置與試驗件的連接部分在熱環境中，受熱情況有時甚至比試驗件更嚴酷，必須按照受熱結構進行優化設計，以保證加載裝置的使用功能；另一方面力載荷施加裝置應盡量減少對溫度場的影響，以保證試驗模擬的效果[3]。就翼面類結構試驗件而言，高溫環境下力載荷施加方式主要有托板拉桿、焊接頭、單面推桿以及夾板等4種方式。

針對金屬蒙皮骨架結構空氣舵的特點和要求，通常選用托板、拉桿方式進行力載荷的施加，這種方式加載點位置準確，載荷模擬準確度好，加載裝置結構簡單、安裝方便，且可靠性高，試驗過程中不影響試驗件變形，適用于各種外形尺寸的試驗件。

托板、拉桿加載方式如圖3所示，根據試驗加載點附近區域結構特點，在避免破壞試驗件承載結構的情況下，選擇每個加載點附近非關鍵結構區域開孔，通過螺栓將托板固定在試驗件表面，托板安裝形式如圖4所示，最后通過拉桿將力傳遞至托板，再由托板傳遞至試驗件。各加載點載荷通過比例杠桿合成或單獨加載，以滿足載荷的分布要求[4]。

圖3 托板、拉桿加載形式

圖4 托板安裝形式

拉桿加載時需要穿過試驗件和加熱器，試驗件及加熱器的設計需要充分考慮試驗件變形、熱膨脹等因素的影響，避免加載過程中由于試驗件變形或者破壞使得拉桿破壞加熱器或者拉桿與加熱器連接形成短路。

由于托板直接貼合在空氣舵表面，因接觸傳熱將導致試驗件局部溫度降低，因此對于托板與試驗件貼合面布置隔熱棉氈進行隔熱處理，同時增加貼合性，避免因集中力損傷試驗件。

3??測量方式

3.1??溫度測量

在空氣舵舵芯、舵機艙艙體及舵軸孔附近等典型位置，布置溫度傳感器，記錄試驗過程中的溫度變化。瞬態輻射加熱條件下，通常用于測量結構表面溫度的溫度傳感器有K型（鎳鉻-鎳硅）、T型（銅-康銅）及B型（鉑銠30-鉑銠6）三種類型熱電偶，其中K型熱電偶具有測溫范圍寬、靈敏度高、壽命長、性價比高等優點，是結構熱試驗中應用最廣的一種熱電偶。一般金屬蒙皮結構的空氣舵多選用K型熱電偶，采用儲能焊的方法將K型熱電偶焊接于空氣舵表面，如圖5所示。

3.2??位移測量

測量結構在外載荷作用下的變形，是驗證結構強度和剛度、檢驗結構的承載能力、評價結構設計的重要依據。通常在空氣舵上選取特征部位，布置位移傳感器記錄加載過程中的位移數據。

圖5 K型熱電偶固定方式

位移測量方式有接觸式和非接觸式兩種。接觸式位移測量是采用接觸探頭直接接觸被測結構，得到結構位移的方法，常用的接觸式位移傳感器有千分表、拉線式位移計、線性差動變壓式位移傳感器等；非接觸位移測量是以光電、電磁、超聲波等技術為基礎，在儀器的感受元件不與被測物體表面接觸的情況下，即可獲取被測物體的各種外表或內在的數據特征，常用的非接觸式位移傳感器有激光位移傳感器、數字圖像相關法測量系統等。

接觸式測量方法具有較高的分辨率和可信度，且技術發展得相當完善。非接觸式測量精度大多數低于接觸式測量，且價格較高，在高溫試驗中，石英燈加熱產生的紅外光、試驗件加熱后冒出的濃煙、試驗現場的高溫等會對測試系統產生干擾，影響測量數據的可靠性。

綜合考慮測量精度要求、試驗成本以及試驗件所處的熱環境等因素，選用拉線式位移傳感器進行位移測量，如圖6所示。拉線式位移傳感器是把機械運動轉換成可以計量、記錄或傳送的電信號。運動發生時，被測物體產生位移，拉動與其相連接的拉線，拉線帶動傳感器傳動機構與傳感元件同步轉動，從而輸出與被測物體移動量成正比的電信號，測量輸出信號得出物體的位移。拉線式位移傳感器具備安裝方便、測量精度高、抗振動和抗沖擊性能好等優勢。

圖6 拉線式傳感器連接鎳鉻絲測量方法

4??試驗驗證

試驗驗證時，為了消除單側加載對艙體產生的扭轉效應，在舵機艙右側的舵軸孔處安裝空氣舵模擬件，并在模擬件上同步施加與左側空氣舵相同的載荷。杠桿加載系統、石英燈紅外輻射加熱系統布置見圖7。

圖7 杠桿加載系統、石英燈紅外輻射加熱系統

采用上述空氣舵力熱聯合試驗的相關技術，通過石英燈管輻射加熱的方式模擬實際飛行過程中舵面的氣動熱環境，拉板-杠桿的加載方式模擬舵面法向氣動載荷，順利完成了超音速巡航導彈可折疊空氣舵在不同飛行狀態下的力熱聯合試驗。試驗過程通過測力、溫度傳感器采用閉環控制，實現對氣動載荷及溫度載荷的高精度控制。試驗氣動載荷精度情況見表1，可以看出，載荷控制誤差滿足控制精度要求；試驗的溫度控制曲線見圖8，可以看出，溫度的輸入值與輸出值基本吻合，完全滿足試驗要求。

表1 試驗氣動載荷控制精度情況

圖8 溫度控制點基準及反饋對比曲線

5??結論

通過本試驗技術的研究，形成了一套適合典型金屬蒙皮結構空氣舵地面力熱聯合試驗的技術和方法：采用石英燈輻射加熱方式模擬空氣舵氣動加熱效應產生的溫度載荷，采用拉板-杠桿的加載方式模擬空氣舵法向氣動載荷。應用這套技術成功進行了空氣舵地面模擬試驗，全面考核了空氣舵結構在施加溫度場和氣動載荷后的綜合響應特性，獲得了溫度、位移等有效數據，為后續進行類似結構件的地面摸底試驗提供了技術參考。