高速飞行器外热流模拟试验装置研究

杨　祺，汪　洋，张文瑞，于锟锟，刘　宁

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州　730000）

高速飞行器外热流模拟试验装置研究

杨祺，汪洋，张文瑞，于锟锟，刘宁

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州730000）

介绍了气动热模拟的常规试验方法，针对某高速飞行器使用环境条件，设计并搭建了一套基于高频感应加热的高速飞行器外热流模拟试验装置，并通过试验验证表明，该装置能有效模拟飞行器在气动加热条件下的外表面温度及温升状态，并通过温度控制器将温度控制在要求的范围内。

高速飞行器；气动加热；模拟；高频加热

0　引言

随着科学技术的发展，现代战争形态正在发生深刻的变化，空中力量已逐渐成为战争的重要角色。目前，美、俄等先进国家正在发展新一代防空导弹，最大飞行马赫数达到Ma=8～10，最大射程300～400 km，作战高度在10～40 km。导弹以高超声速在大气层中飞行时，空气受到强烈的压缩和摩擦作用，大部分动能转化为热能，导致周围的空气温度急剧升高，而且热能迅速向飞行器表面传递。在飞行高度为10 km，飞行速度4马赫的情况下，弹体头部驻点的温度将达到930 K左右，这种气动加热的特点是升温快、温度高、热量大。

对于高超声速飞行器的研究和设计来说，其热防护一直是高超声速飞行器研制的关键技术。为验证高超声速飞行器的热防护设计，研究热防护过程中的换热规律，在地面热模拟试验中需用特殊方案模拟飞行器，由于气动加热实际工况外热流影响。因此，设计一种能在短时间内迅速升温并且相对稳定的加热方式成为高超声速飞行器热防护设计试验中的关键问题。

1　常规试验方法介绍

飞行器的气动加热是一个瞬态过程，地面热模拟这个过程目的是重现结构真实的温度分布，用于考察热响应特性。气动热模拟的试验方法一般有“非对流方法”和“对流方法”两类。

对流方法以风动试验为代表，但是在高速高温条件下的模拟试验成本极高，单次试验费用至少为几十万元人民币，多则需要数百万元以上。由于试验成本的原因，使得以石英加热器为基础的红外辐射气动热模拟试验技术获得广泛的使用。

石英灯的热惯性非常小，可以根据结构的形状进行布置，非常适合大面积的气动热试验。石英灯加热器有三个方面的优点：（1）尺寸小，功率大。在额定工作电压下单支石英灯的输出功率可达1～3 kW，灯管直径只有10 mm，便于组成石英灯加热阵列，而且石英灯的瞬时超载能力非常强；（2）热效率高，寿命长。石英玻璃透过红外线的能力强，钨丝的热稳定性好，额定电压下约有85%的能量以辐射形式放射出来。在水平状态下工作寿命可达2 000 h；（3）热惯性小。灯丝的横截面小，热惯性小，便于热量的瞬时控制。

感应加热[2]源自于法拉第发现的电磁感应现象，就是交变的磁场会使导体中产生感应电流，从而令导体发热，近年来感应加热也已经逐渐进入到人们的生活中，并逐渐被越来越多的使用。高频感应加热，其原理是利用其发出高周波的大电流流向被绕制成方形的加热感应线圈。由高周波感应线圈内发生极性瞬间变化的强大磁束，将加热块金属放置在高频线圈正上方，磁束就会贯通整个被加热的金属物体。感应加热物体的内部与高频机感应加热电流相反的方向，发生相对应的强大涡电流。因为感应加热块存在电阻，因此发生强的焦耳热能，使感应加块温度迅速上升。感应加热原理如图1所示。

图1　感应加热原理图

感应加热和其他传统加热方式，如燃烧加热、电阻加热等不同，直接将电能转变成热能。根据感应加热方式的原理可知，其加热区域主要是金属导体表面，并通过热传递的方式实现加热，因此可通过控制感应电流的大小和频率，控制加热的功率和加热深度。目前已在机械制造工业、冶金、国防等领域成为不可缺少的加热方式[3]。

2　高速飞行器外热流模拟装置需求分析

本装置针对某飞行器，模拟飞行时由于气动加热[4]造成的飞行器外表面温度迅速升高现象，模拟外热流加热环境。因此，本装置需满足两点要求：

（1）在模拟热防护措施一定时，飞行器蒙皮外表面温度范围450～650℃，温度稳定性±5℃；

（2）本装置要求迅速升温，由常温升至650℃时的时间不应高于250 s。

3　高速飞行器外热流模拟装置设计

根据高速飞行器外热流模拟装置的需求分析，确定该装置模拟气动加热外热流环境时，使用温度边界条件而不是热流密度为边界条件，因此选用感应加热为加热方式。

3.1试验装置设计

高速飞行器外热流模拟装置主要由高频加热装置、感应线圈、加热块、云母片等组成，其结构如图2所示。

图2　高速飞行器外热流模拟装置结构图

（1）高频加热装置

由上海锦际电源设备有限公司生产，主要为感应线圈提供振荡电流。通过加热功率调节按钮，可以调节加热功率，进而调节加热速度与温度高低。

（2）感应线圈

感应线圈根据加热块形状，采用Φ10×1的紫铜管绕制而成。高频振荡电流通过感应线圈时，发生极性瞬间变化的强大磁束，使加热块金属产生涡流，由于焦耳效应，金属加热块被迅速加热。考虑被加热块温度均匀性，将感应线圈如图3盘绕。

（3）加热块

加热块由45＃碳钢制成，其感应加热效果较好。加热块尺寸210 mm×210 mm×20 mm，其四角有与端框连接M12螺孔，上表面中心及四周布置5个Φ3×16孔，用来布设铠装热偶传感器。

图3　感应线圈盘绕方式

（4）云母片

布置在加热块及感应圈之间，保证加热块及感应圈有良好绝缘。

3.2温度控制回路

在加热块中预埋5只铠装热电偶用以监测加热块的温度，温度回路采用铠装热电偶测量加热块的温度，根据5个被测点的温度进行逻辑判断，当任一点超过温度上限则开启高频感应装置，当控制点都低于温度下限则关闭高频感应装置，从而完成装置的温度控制功能。测温点布置如图4所示

图4　模拟装置测温点布置情况图

4　验证试验

4.1试验程序

首先按照高频加热装置使用说明书正确连接设备，将加热块置于感应线圈上方，通过感应电流对其进行加热，加热块与感应线圈之间加云母片防止感应线圈短路；在加热块中心及边缘处安装铠装热电偶，热电偶与温度控制器相连；系统开机，使用温度控制器检测加热块中心点及边缘点温度；加热块达到目标温度后，温度稳定在一定范围内，记录目标温度及温度变化区间上、下限数据；关机完成加热温度测试。试验期间，使用秒表对温度变化进行计时。

4.2试验结果

图5为高速飞行器外热流模拟装置空负荷模拟试验时的加热曲线，试验时设定加热块温度为510℃±5℃。由图5可以看出，加热块在大约130 s时，温度到达设定温度510℃。在此后的270 s中，温度在510℃上下波动。满足试验对外热流边界条件的要求。

图5　加热装置升温曲线图

5　结论

使用高频感应加热装置设计并搭建了模拟某高速飞行器外热流温度条件的外热流模拟装置，并通过试验验证了该装置的有效性。试验证明，该外热流模拟装置能够在规定的时间内将加热块升温至设定温度，并通过温度控制器控制高频加热装置的开断，将加热块温度控制在要求的范围内。

[1]吴大方，潘兵，郑力铭，等.高超声速飞行器材料与结构气动热环境模拟方法及试验研究[J].航天器环境工程，2012，29（3）:250-258.

[2]孙琪.用于水加热装置的高频感应加热电源设计[D].西安：西安理工大学，2010.

[3]潘天明.现代感应加热装置[M].北京：冶金工业出版社，1996.

[4]杨祺，张文端，于锟锟，等.基于FLUENT的红外窗口主动冷却装置数值模拟[J].真空与低温，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

重点实验室基金课题（9140C550308140C55014）

杨祺（1983-），女，甘肃省兰州市人，硕士，主要从事低温制冷方面的研究。E-mail：qiqi94520@126.com。