高速飞行器辐射热试验模拟有效性及影响因素研究

武小峰，王成亮，王 伟，王智勇，荣克林

（北京强度环境研究所，北京，100076）

0 引 言

以俄罗斯匕首、锆石为代表的高速武器具有高马赫数、高机动、强突防等特点，成为当前世界军事强国角力的热点。高速飞行器在飞行过程中承受着极其严酷的气动力热载荷环境，这给飞行器设计、热防护材料制备、地面试验模拟考核等方面均带来了很大的挑战。

针对高速飞行器结构力热性能的地面试验考核方法主要有风洞与辐射热试验两类，其中辐射热试验是以石英灯、石墨等为加热元件，通过高温辐射的方式对试验件进行加热，进而考核结构传热承载性能的一种重要的地面试验手段。辐射热试验具有非接触热场施加、易于与其他力学载荷（静力、振动、噪声等）相组合，力热载荷按飞行条件时序可控，以及通过拼接可适用于大尺寸乃至全弹结构等优点，已广泛应用于常规飞行器和高速飞行器的研制和批抽检试验。

辐射加热机理简单，但由于加热机制与高空或风洞的对流加热不同，辐射热试验模拟飞行力热载荷的等效关系和适用性需要明确。另外，辐射热试验中存在诸多影响试验模拟效果的因素，特别是针对高速飞行器，其载荷环境与常规飞行器相比又有新的特点，对试验模拟有效性提出了更高的要求，因此对相关影响因素需要重点关注研究。本文针对辐射热试验模拟有效性及其影响因素开展了分析研究工作，以期阐明试验模拟机理，提升对高速飞行器结构力热性能考核试验模拟的有效性。

1 辐射热试验模拟机理

高速飞行器在大气层中飞行，周围空气受到强烈的压缩和剧烈的摩擦作用，空气温度急剧升高，热能迅速向飞行器表面传递。结构壁面吸收到空气边界层施加的热壁热流如下：

需要注意的是，辐射热试验中通常采用热流传感器来测量结构件收到的辐射热流的大小，为了保证热流传感器测试结果的真实性，在结构表面往往需要进行涂黑处理，以保证结构件与热流传感器表面的发射率一致，因此式（3）中的发射率与式（2）中的结构真实的表面发射率不一定相同。

由式（2）、式（3）可知，辐射热试验虽然与气动加热的换热机理不同，但从研究结构热特性的试验目的出发，可以通过模拟结构表面净吸收的热流或表面温度的方式，建立起两者的等效关系。只要保证结构表面在每一瞬间吸收热流或表面温度与飞行情况一致，即可获得相同的结构内部温度响应，而与加热方式无关，这就是辐射热试验的模拟机理。进一步地，结构受热后的热应力状态与结构的温度场分布和外边界、内部结构约束相关，在结构相同、外部约束相同的前提下，只要保证温度场相同，就可以准确模拟内部的受力状态。

2 试验有效性影响因素分析

根据图1 所示的辐射热试验的换热关系，为了在实际工程试验中有效模拟结构件受到的飞行载荷条件，需要保证载荷条件的准确施加与测试，同时降低空气对流等环境因素的影响。下面将针对几种影响辐射热试验有效性的因素进行分析研究。

图1 辐射热试验换热关系示意Fig.1 Schematic Diagram of Heat Transfer in Radiation Thermal Test

2.1 载荷施加方法

2.1.1 热载荷施加

对于高速飞行器，不同区域和部位的气动加热是非均匀的。为了模拟非均匀热场，辐射热试验中加热器设计时采取类似于有限元方法的分区离散方法，每个温区内热流均匀分布，不同温区间热流不同，总体上以阶梯型分布近似模拟连续曲线分布的方式来实现非均匀热场的模拟。

同一温区内热场的均匀性，以及不同温区间的灯头盲区是评价热场施加效果的关键。以图2 所示的双排平面石英灯加热器（两个温区）为例，石英灯间距和数量、石英灯与结构件距离、多排石英灯之间距离等因素均会影响到达试验件表面的热场均匀性。

图2 双排石英灯热场均匀性评价示意Fig.2 Schematic Diagram of Thermal Field Uniformity for Double-Row Quartz Lamp

首先，石英灯间距和石英灯与结构件距离对于热场均匀性呈反相关关系：越大，结构件表面方向热场越不均匀；而越大，结构件表面方向热场越均匀。如图3 所示，当=80 mm、=50 mm 时，可以清晰地看出单根石英灯的辐射热场效果，这时减小石英灯间距或增加与结构件的距离，均可以明显改善方向辐射热场均匀性。另外，从图3 还可以看出距离加热对称中心位置越远，热流密度逐渐降低，因此需要足够的石英灯数量，以扩大加热区域范围，才能保证热场均匀性达到一定的要求。

图3 石英灯间距及与结构件距离对热场均匀性的影响Fig.3 Effects of Quartz Lamp Spacing and Distance between Quartz Lamp and Specimen on Thermal Field Uniformity

对于方向热场均匀性，图4 给出了多排石英灯之间距离的影响。由图4 可以看出多排石英灯之间距离越小，热场越均匀。在实际工程应用中，常采用如图5 所示的多排石英灯共用电极交叉排布的方式来减小多排石英灯之间距离，增加方向热场均匀性。

图4 多排石英灯之间距离对热场均匀性的影响Fig.4 Effects of Distance between Multiple-row Quartz Lamp on Thermal Field Uniformity

图5 多排石英灯共用电极交叉排布Fig.5 Cross Arrangement of Multiple-row Quartz Lamp with Common Electrode

2.1.2 力载荷施加

针对高速飞行器高温条件下气动力载荷的模拟与常温加载基本相同，通过过渡机构将力传感器和加载装置引出热场之外，或采取有效防热措施，使其处于常温条件下工作。对于分布静力的加载，通常有两种方式：a）通过离散化方法和杠杆级联的方式，将分布力等效为多个集中力的方式；b）采用气压或液压的方法，通过包带或气囊施加均匀的外压。对于振动载荷，在对飞行器结构进行辐射加热的同时，采用经隔热防护后的振动台进行基础激励的施加。对于噪声载荷，采用行波管或混响室对结构进行噪声激励。

气动力载荷施加的有效性，一方面取决于设计部门给出的载荷计算准确性，另一方面也取决于加载过程中对关键结构部位载荷模拟的等效性。其中，在载荷等效上，需要根据受力分析，考虑实际试验空间等因素，进行载荷分配，同时避免局部应力集中；在试验边界上，尽量采用与被试对象真实连接的舱段进行边界刚度、强度以及导热、热容的模拟。

2.2 参数测试

在辐射热试验中，常见的试验控制方法主要包括温度控制、热流控制，以及温度热流耦合的冷壁热流控制等，因此对于结构表面温度和净吸收热流的准确测试，是保障试验模拟有效性的关键。

2.2.1 温度测试方法

目前在辐射热试验中常用的结构表面温度测试方法分为接触式和非接触式两类。接触式测温以热电偶为主，其测温范围取决于其使用材料的耐温性能，常用的K 型（镍铬-镍硅）热电偶测温范围小于1200 ℃；非接触式测温方法中，常用单波段红外测温法，该方法需要提前知道并设置被测目标的发射率。

高速飞行器结构的部分外表面温度超过1000 ℃，因此对于外表面温度测试主要以非接触式测温为主。采用单波段红外测温时，发射率的准确设置至关重要。图6 为某石英灯辐射加热试验中同时采用K 型热电偶和单波段红外点温仪（Reytek，MMG5 系列，量程250～1650 ℃）对高速飞行器热防护结构表面温度进行测试的结果，其中点温仪设置的发射率采用TEMP 2000A 红外发射率/反射率测试仪（波长范围：3～35 μm）在常温下进行测定。可以看出，虽然整体上点温仪与热电偶测试温度基本一致，但温度较低时，点温仪测试温度偏高，而温度较高时，点温仪测试结果偏低，说明结构表面发射率会随着温度发生变化，因此对于结构表面高温发射率的准确测定，是提升单波段红外测温方法测试精度的关键。

图6 某试验结构表面温度点温仪与热电偶测试结果Fig.6 Test Results of Infrared Spot Thermometer and Thermocouple for a Certain Specimen

此外，还可以采用不依赖于结构表面发射率的多光谱测温手段来对高速飞行器辐射热试验中结构外表面温度进行测试。多光谱测温法通过制备多个光谱通道，利用多个光谱的辐射亮度测量信息来获取目标温度，该方法可以规避了发射率和波长选取带来的影响，对被测对象要求较低，因而表现出了很好的发展前景。

除了结构表面发射率外，辐射加热元件的背景光干扰也会影响非接触式红外温度测试。对于石英灯加热元件，由于石英灯管可以有效阻挡波长5 μm 以上的光谱透射，因此在采用红外测温时，通过选择测试波长即可避免光源背景光的干扰。但是对于更高加热功率的石墨加热元件，光源波长覆盖全光谱范围，很难通过选择测试波长来避免光源干扰，这时就需要对石墨辐射背景光进行测定，并通过测试过程中的实时修正来消除背景光影响。

2.2.2 热流密度测试方法

针对高速飞行器结构的辐射热试验，常采用水冷的戈登式热流传感器进行到达结构表面的热流密度测试，其基本原理是利用热敏感元件（康铜圆片）在辐射场作用下产生的径向温差来表征热流密度大小。热流传感器的测试结果能否准确衡量结构表面的到达热流，主要受表面发射率和对流效应两个因素的影响。通过对结构表面进行涂黑处理，使结构与热流传感器表面的发射率相同，即可避免表面发射率导致的差异。而对于对流效应，由于热流传感器的水冷作用，敏感元件表面温度远低于试验件结构表面温度，导致两者之间的空气对流换热存在差异，因此对于空气对流效应对热流密度测试的影响需要进行评估。在后面2.3.1节中，介绍了评价空气对流效应的方法，并对某种特定状态的空气对流影响进行了测定。

另外，热流传感器与结构件的相对位置也是影响辐射热试验有效性的重要因素之一。如图7 所示，对于尺寸较小较规整的结构件，可以在结构件受热平面附近布置热流传感器进行热流密度测试与试验控制；但对于大型复杂结构，试验件表面通常不允许打孔安装热流传感器，而在附近布置传感器又可能存在较大的测试偏差，因此常在石英灯或石墨加热元件另一侧的水冷反射板上布置热流传感器，通过提前测试这一位置热流密度与试验件表面热流密度之间的关系（位置系数调试），间接评估试验件表面的热流密度并开展试验控制。

图7 结构件与热流传感器相对位置示意Fig.7 Schematic Diagram of Relative Position between Heat Flux Sensor and Specimen

为了更准确地获得位置系数，需要尽量使用与真实结构相同的材料模拟件进行调试，但在实际试验中，有时也可使用与水冷反射板相同的水冷模拟件进行调试。图8 和图9 分别给出了石英灯和石墨不同加热条件下位置系数调试仿真结果，其中水冷反射板和结构件与加热元件之间的距离相等，通过测试放置在水冷反射板中间的热流密度与结构件中间的热流密度，得出位置系数=/。可以看出，在石英灯加热条件下，到达水冷反射板和结构件表面的热流密度之间有差异，并且随着加热温度的增加，差异逐渐增大，位置系数逐渐升高；而在石墨加热条件下，到达水冷反射板和结构件表面的热流密度基本相同，位置系数接近于1，基本不随加热温度而改变。石英灯与石墨结果的差异主要体现在发热元件的尺寸及间隙上：试验中常用的石英灯加热器灯丝尺寸较细（直径约3 mm），而两根石英灯之间的间距较大（20 mm），加热元件本体与间隙的面积之比较小；石墨加热器单根石墨横向尺寸较大（25 mm），而间隙较小（10 mm），加热元件本体与间隙的面积之比较大。小的间隙使得水冷反射板与结构件之间的辐射换热难以进行，两个热流传感器获得的热流以石墨本体的辐射热流为主，是否采用真实结构进行调试的影响不大。因此在高速飞行器常用的石墨加热条件下，可以采用与水冷反射板相同的水冷模拟件替代真实结构件进行位置系数调试，但是在调试过程中，需关注水冷反射板与真实结构在空气对流效应方面的差异评估。

此次研究采用SPSS 17.0统计学软件进行数据统计分析，计数资料采用[n（%）]表示，比较行 χ2检验，计量资料间比较采用（±s）表示，行 t检验，P<0.05 为差异有统计学意义。

图8 石英灯加热条件下的位置系数调试结果Fig.8 Debugging Results of Position Coefficient under Quartz Lamp Heating

图9 石墨加热条件下的位置系数调试结果Fig.9 Debugging Results of Position Coefficient under Graphite Heating

2.3 环境效应

高速飞行器在地面辐射热试验中的大气环境与高空飞行环境不同，其中地面辐射热试验会受到空气对流效应的影响，并且地面试验环境与高空环境在氧含量和压力条件上也有较大差异。这些环境因素会对试验模拟有效性产生影响。

2.3.1 空气对流效应

辐射热试验中随着加热元件和结构温度的升高，二者之间的空气温度也随之升高，进而会形成较为强烈的对流效应。对流效应主要会对热流测试和试验控制产生一定的影响，其影响程度与加热热流的大小、结构外形、表面状态、粗糙度、试验封闭状态等因素相关。为了获取辐射热试验中对流效应的影响，通常会在常压空气环境和低气压环境（没有自然对流）下分别开展辐射热试验，在保证相同辐射加热条件下，对比获得对流效应的影响。

图10 为某试验中测得的对流热流密度结果。其中是在常压空气环境下的综合热流测试结果，包含辐射热流和对流热流两部分；为低气压环境下（2000 Pa）的辐射热流测试结果，对流热流可以忽略不计。可以看出常压空气环境下，曲线存在明显的空气对流扰动现象，而低压环境下，曲线数据光滑，排除了对流效应的影响。另外，随着加热条件的不断升高，常压与低压结果相减得出的对流热流逐渐升高，最高达到约6 kW/m量级。

图10 对流效应测试结果Fig.10 Test Results of Convective Effect

2.3.2 氧气效应

相对于高空环境，地面环境的氧分压偏高。对于酚醛等烧蚀型热防护结构，富氧的地面试验环境，会使材料发生明显的冒烟燃烧现象。烟尘和火焰不仅会影响辐射热量的施加，还会影响热流和非接触式红外温度测试的精度，因此通常来讲，烧蚀型防隔热材料不宜采用辐射热试验进行力热性能的考核。而对于非烧蚀型热防护结构，虽然冒烟燃烧现象可以避免，但是结构在长时间高温氧化后的力学性能可能会发生变化。有研究表明，C/SiC 复合材料在长时间空气氧化环境下，剩余强度随加热温度非线性变化，在700 ℃衰减最为严重。因此，针对高速飞行器热防护结构的力热试验，为了提升试验考核有效性，需要考虑高空较低氧分压的影响，在能够模拟高空氧分压的低氧环境试验舱中开展试验。此外，在低氧环境中开展试验，还可以有效降低石墨加热元件的氧化损耗，提升石墨加热器的使用寿命和可靠性。

2.3.3 低气压效应

高空环境与地面环境的另一个重要差别就在于压力不同。压力的差异对于高速飞行器力学承载性能的影响不大，但对于常用的轻质多孔型热防护结构的防隔热性能影响极大。地面常压环境下，多孔结构内部的导热主要有辐射和对流两部分，而在高空低气压环境下，结构内部气体析出，对流效应减弱，进而降低了结构自身的导热能力。

图11 某多孔材料在不同压力和热端温度下的等效热导率Fig.11 Equivalent Thermal Conductivity of a Porous Material at Various Pressure and Hot-side Temperature

4 结束语

本文介绍了针对高速飞行器结构力热性能考核的辐射热试验模拟方法，明确了模拟机理，重点研究了力热载荷施加方法，温度、热流参数测试方法，以及空气对流、氧气和压力环境等因素对试验模拟有效性的影响，并提出了相应解决方案。上述研究成果可提高辐射热试验对飞行力热环境的模拟准确程度，进一步提升辐射热试验的有效性和对高速飞行器的适用性。