适应瞬态高温过载环境的加载装置设计及试验研究

（中国工程物理研究院总体工程研究所，四川 绵阳 621999）

飞行速度快、滞空时间长、高机动性强的飞行器具有重要的军事应用价值和重大战略意义，已成为21世纪以来世界各主要航空航天大国的研究热点[1-3]。随着飞行器飞行速度设计值的大幅度提高，由气动热引起的高温热环境变得越来越严酷[4-6]。当飞行器快速飞行时，驻点温度急剧升高。同时，飞行过程中会面临因壳体外表面高速绕流流场诱导的振动、过载和噪声等复杂力环境。热-离心复合环境会对结构产生一系列不利影响[7-16]，如：1）高温环境下材料的弹性模量和强度极限下降，导致结构的承载能力下降；2）快温变会形成较大的温度梯度，产生的附加热应力与力载荷所产生的机械应力相叠加，导致结构刚度下降，造成结构局部或总体的失效；3）在高温、热应力和机械应力的共同作用下，结构会产生较大变形，破坏其气动外形，高温又使结构刚度下降，影响其振动传递特性，在几种因素的共同作用下，会降低结构的固有频率，严重时会产生颤振，甚至出现更加危险的共振现象，即所谓的气动热弹性问题；4）飞行器上的运动机构受高温作用，产生不协调变形，会影响机械正常动作，甚至因机件卡塞而导致飞行事故；5）弹（箭）仪器舱内仪器设备正常的工作环境温度一般不应超过50 ℃，当舱体外表面受到气动加热时，舱壁温度急剧升高，将会使舱内温度越限，造成元器件性能恶化甚至失效，产生危险的后果。

美国在20 世纪就建有一系列用于飞行器的瞬态高温热加载试验设备，20 世纪末又建立了加热功率超过30 MW/m2的试验设备。该设备可用于检测飞行器及其他相关试件在高温环境下的结构问题，测试试件的尺寸半径可以达到2 m[17]。此外，欧洲航空局、法国、德国等国家均具有离心设备或加热设备。由于技术封锁原因，并未见国外相关高温-离心试验的报道[18-19]。国内北京强度与环境研究所建立高温-离心综合试验设备，但最高温度只到500 ℃[20]。

文中介绍了高温、非线性及瞬态高温热加载系统和适用于高过载环境下高强度石英灯设计、夹具优化和试验验证。尤其是试验件温度可达600 ℃，可承受最大80g离心载荷石英灯的成功研制，拓展了瞬态热-力复合环境试验能力。

1 气动热模拟载荷实现

气动加热是空气与飞行器表面相对运动所发生的强迫对流传热，以传导和辐射加热方式为手段的地面模拟试验，虽然从换热原理上讲有本质区别，但从研究结构特性的试验目的出发，可以真实地模拟结构表面吸收的热能，建立起两者之间的等效关系。

石英灯加热具有单位面积热流密度大、热惯性小、易组装和可分区控制等优点。可用于高速飞行器结构热试验、气动热试验和热-力（热-振动、热-模态和热-离心）复合试验中。针对典型试验件，通过理论分析、数值计算和演示试验，建立了瞬态加热系统，如图1 所示。该系统石英灯管为双灯管设计，单支功率高达20 kW，功率密度为29 W/mm。

图1 高温热加载系统Fig.1 transient heating system:a) flat heating system;b) cone heating system

2 高过载环境下石英灯设计

普通石英灯灯管的单灯管和加热器件（主要是加热钨丝）无法承受80g离心载荷的过载。在80g离心环境下会发生挤压变形（加速度方向为轴向），如图2 所示。该灯管功率密度仅为5 W/mm，加热试验件时温升速率较低，不能达到快速升温的目的。

为满足功率密度要求，将单灯管改为双灯管，功率密度可达15～20 W/mm，满功率输出时，试验件温升速率可达到100 ℃/s 。双灯管石英玻璃和钨丝均经过强化设计，但试验表明，未通电情况下该设计轴向亦不能承受80g离心载荷（灯管和灯丝均不能承受）。试验后分析情况表明，除钨丝和石英玻璃外，灯管出线孔陶瓷和石英玻璃连接处亦为灯管薄弱环节，如图3 所示。

为避免高过载环境下石英灯被拉断，同时经过理论分析和数值仿真认为，离心场下石英灯径向受力优于轴向，因此后续试验离心场下使用石英灯采用径向加载，且从以下几个方面解决遇到的技术难题。

图2 轴向80g 离心力作用下灯丝严重变形Fig.2 Serious deformation of quartz lamp filament caused by an overload of 80g in the axial direction

图3 80g 轴向离心载荷下灯丝断裂Fig.3 The breakup of quartz lamp filament caused by an overload of 80g in axial direction

1）GB 4654—2008《非金属基体红外辐射加热器通用技术条件》中规定，石英灯管圆柱形管身和压封板位置能承受50 N 的力即为合格。在高过载环境下，此处受力大于800 N，从而导致破裂或剪断。为解决该问题，首先将石英灯管玻璃壁厚由1.8 mm 增大至2.2 mm；其次选用刚性更好的进口石英玻璃管，改进生产固化工艺，使该连接位置强度满足试验要求。

2）试验表明，灯管在压封板、排气口和圆柱管身交接部位等3 个位置容易被剪断。数值计算分析表明，上述几个位置存在应力集中现象。生产加工过程中采用退火等办法消去应力集中点过高的应力，以避免试验过程中灯管在这3 个位置出现断裂的现象。

3）普通石英灯管仅两端支撑，中间悬空，高过载环境下，灯丝易被拉断或贴合至管壁，造成短路。为了避免灯丝仅两端承受来自灯管轴向的拉伸之力，设计时灯丝采用螺旋结构，并对灯管内支撑灯丝的支架圈部位进行处理，即带凹槽的灯壁设计。

4）灯管功率大，直径粗，质量大，高过载环境下支架圈易坍塌和在管内发生移动而拉断的问题。为了解决这个问题，对制做支架圈的设备进行改装，以扩大支架圈的直径，使之与适应管壁更好地贴合在一起。

解决上述问题后，经过多次设计、试验迭代，最终生产出满足径向80g离心载荷下带电工作的强度和持续时间要求的石英灯管，该石英灯管密度约20 W/mm。灯管实物如图4 所示。

3 高过载高温环境下夹具优化设计

石英灯灯管由石英玻璃在高温环境下拉制而成，发热元件由钨丝构成，出线口位置由陶瓷和石英玻璃粘接固定。在80g离心载荷下，其承受的力为正常环境下的80 倍，若夹具设计不当。可能造成工作状态下石英灯管破裂、钨丝短路，进而可能造成离心机集流环烧毁，对其造成严重损害。同时夹具设计要考虑隔热功能，避免试验时温度过高，造成离心机不能正常工作。

为满足上述要求，设计了如图5 所示的高过载高温环境下使用夹具。石英灯底支承环与加热筒内壁连接，石英灯与石英灯底支承环连接，石英灯底压板与石英灯连接。石英灯越短，能承受的过载越大。由于石英灯较短，又要实现对试验件各部分均匀加热，就须将石英灯沿灯管轴向方向错开布置。为了给试验件施加沿灯管轴向方向的加速度载荷，石英灯底支承环和石英灯底压板须设计成带止口的形式，如图6 所示。通过数值计算和预试验，该加热装置可承受最高离心载荷80g、最高温度600 ℃的高过载及高温试验考核。

图5 大过载、瞬态高温热-加速度复合试验装置内部构型Fig.5 Internal structure of transient heating and overload testing device

图6 高温-离心环境试验夹具止口设计Fig.6 The design of seam allowance of heating and overload testing device

4 高过载环境下热加载试验验证

为保证离心环境下温度场的均匀性和更真实模拟高过载及高温环境，热加载系统和离心机需进行协调控制，即加速度和温度同时达到目标值。为此设计了瞬态热-离心复合试验系统的协调控制系统，如图7 所示。加速度的控制（即离心机的转速控制）相对简单且独立（不受温度影响），因此，只要温度能跟随实测的加速度，就可以实现温度和加速度的同步控制。瞬态高温热-离心试验控制系统可同步控制离心机转速和热加载平台来实现加速度与试件表面温度的同步加载，进而实现常温～600 ℃，加速度最大为80g，试验保载1 min，温度控制允差5%以内的目标。

图7 瞬态高温-加速度同步控制系统Fig.7 The synchronous control system of transient heating and overload

本次验证试验采用的离心机的主要指标如下：最大负载为4 t；最大加速度为200g；容量为200g·t；半径为7 m；调速范围为0～159 r/min。该离心机可实现惯性载荷与温度、惯性载荷与气动力载荷的复合协调加载。

为实现瞬态高温与离心力载荷的协调加载，针对典型试验件（尺寸如图8 所示，其主要材料为304 不锈钢），设计了高过载高温环境试验。该次试验程序为：同时启动离心机加载和灯阵加热系统，当离心机加载载荷达到80g时，要求被加热试验件表面达到600 ℃。同时要求在过载80g状态和600 ℃环境下保持1 min，期间温度控制允差在±5%以内。

图9a 为石英灯在离心机加载过程中保持正常工作，图9b 为石英灯经历过载80g载荷后的状态，石英灯管玻璃保持完好，灯丝基本完好，但仍能正常工作。其中开展的试验验证的温度-加速度加载曲线如图10 所示。对曲线进行分析可知，温度加载和加速度加载基本达到了协调一致，试件表面温度在保载阶段温度最大偏差为-9.3 ℃，远优于误差控制精度5%。其中受限于集流环可承受的最大电流限制，试验件表面最大温升速率达到87 ℃/s 。若集流环承载功率能进一步增大，试验件温升速率还有提升空间。

图8 典型试验件尺寸Fig.8 the size of the test article

图9 离心机上工作状态石英灯Fig.9 a) The quartz lamps that work noramlly on the centrifuge;b) the quartz lamp subject to an load of 80g

图10 80g 离心状态下温度加载曲线Fig.10 The curve of temperature under centrifugal condition with an overload of 80g

5 结语

通过高过载离心环境下石英灯设计、夹具优化、热力载荷协调加载技术研究，开展了典型试验件热-离心复合试验。通过优化设计获得了可承载80g离心载荷，功率密度为20 W/mm，可将试验件加热至最高温度超过600 ℃的石英灯。优化了夹具夹持和隔热性能，使之能承受试验时的高温及高过载环境，掌握了加速度-温度协调加载控制技术。在离心机上实现了600 ℃、80g高温-离心复合试验，最大温升速率高达87 ℃/s 。