趙旭升，牟讓科

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

1 引 言

高超聲速飛行器在飛行過程中將會遇到嚴(yán)酷的熱/振載荷環(huán)境，這種熱載荷引起結(jié)構(gòu)間的相互作用，使得準(zhǔn)確分析變得困難。此外，激烈的振動環(huán)境很可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)本身或結(jié)構(gòu)的隔熱裝置發(fā)生錯(cuò)位、分離，甚至脫落，影響飛行器正常使用。因此，開展地面試驗(yàn)以模擬真實(shí)的熱振耦合環(huán)境，對結(jié)構(gòu)的承熱抗振能力進(jìn)行檢驗(yàn)和考核顯得十分必要。熱振耦合試驗(yàn)就是在此背景下發(fā)展起來的結(jié)合熱環(huán)境與振動環(huán)境對產(chǎn)品進(jìn)行綜合環(huán)境考核的試驗(yàn)方式。

熱振試驗(yàn)主要模擬飛行器在其飛行過程中的氣動加熱和振動耦合環(huán)境，用以考核飛行器熱結(jié)構(gòu)的動強(qiáng)度以及剛度特性和安裝位置上熱、振動響應(yīng)特性，確保防熱隔熱結(jié)構(gòu)、機(jī)械連接以及內(nèi)部設(shè)備的熱振動環(huán)境適應(yīng)性。熱振環(huán)境模擬分別通過熱載荷加載系統(tǒng)和振動載荷加載系統(tǒng)組合而成，并配合一定的熱、振動加載時(shí)序[1]。

2 試驗(yàn)實(shí)施

2.1 試驗(yàn)件支持

振動試驗(yàn)中，試驗(yàn)件通過夾具與振動臺剛性連接，設(shè)計(jì)的試驗(yàn)夾具必須具有足夠的剛性，并能將振動臺的激振力正確地傳遞給試驗(yàn)件。在熱振耦合試驗(yàn)中，設(shè)計(jì)的振動夾具應(yīng)該在保證剛性足夠的前提下，使得最終通過夾具傳遞到振動臺臺面的溫度不超過其可承受的溫度上限，通常為100℃。

振動試驗(yàn)支持夾具包括5個(gè)部分：左過渡段、左支持段、右過渡段、右支持段以及底座(如圖1所示)。其中，過渡段為鋼件，保證試驗(yàn)夾具具有足夠的剛性；支持段和底座均為鋁件，以減輕試驗(yàn)夾具總體重量，從而避免因試驗(yàn)夾具與試驗(yàn)件過重而導(dǎo)致振動臺無法達(dá)到所需的振動量級。

圖1 振動試驗(yàn)支持夾具

2.2 熱載荷及其加載方法

地面熱環(huán)境的模擬，通常采用的加熱裝置是石英燈輻射加熱器[5-7]，其具有功率大、熱慣性小、電控性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于瞬態(tài)氣動加熱模擬。試驗(yàn)時(shí)，需要依據(jù)估算的試驗(yàn)加熱功率及試驗(yàn)件外形確定各溫區(qū)石英燈管排布、功率、尺寸。石英燈管排布應(yīng)盡量模擬艙段試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)外形，同時(shí)還需要考慮燈管距試驗(yàn)件表面的距離，在保證加熱能力的前提下，盡可能提高溫度場的均勻性。

由于本次試驗(yàn)振動量級大，溫區(qū)控點(diǎn)熱電偶在試驗(yàn)過程中有脫落風(fēng)險(xiǎn)，影響試驗(yàn)正常進(jìn)行。因此，試驗(yàn)前設(shè)置冗余備份控溫點(diǎn)，若試驗(yàn)過程中有控點(diǎn)脫落，則立即切換至備份控溫點(diǎn)。

2.2.1 試驗(yàn)溫區(qū)劃分及加熱器設(shè)計(jì)

艙體內(nèi)筒段加熱溫區(qū)如圖2所示。溫區(qū)1：艙體內(nèi)筒擴(kuò)張段區(qū)域；溫區(qū)2：艙體內(nèi)筒等直段區(qū)域。試驗(yàn)艙體內(nèi)筒段溫區(qū)需設(shè)計(jì)相應(yīng)內(nèi)加熱器。由于內(nèi)筒段空間小，且需預(yù)留上下振幅空間，因此需嚴(yán)格限制加熱器尺寸；其次由于內(nèi)加熱器電纜接線位置只能位于加熱器一端，因此需將兩段加熱溫區(qū)的導(dǎo)流盤接線柱集成于一端。試驗(yàn)加熱器如圖3所示。

圖2 內(nèi)筒段加熱溫區(qū)

加熱器設(shè)計(jì)原理為，每層導(dǎo)流盤通過安裝盤固定于固定桿上，每層導(dǎo)流盤的接線柱螺接或者焊接于該層導(dǎo)流盤上，并且延伸至加熱區(qū)之外。接線柱穿過其他層導(dǎo)流盤時(shí)，通過絕緣陶瓷管與其他導(dǎo)流盤做絕緣處理。 每層導(dǎo)流盤由內(nèi)及外依次做相同處理。最終各個(gè)加熱區(qū)通過相應(yīng)接線柱連接電纜與各個(gè)溫區(qū)的可控硅設(shè)備連接，從而達(dá)到各個(gè)溫區(qū)單獨(dú)控制的目的。加熱器原理圖如圖4所示。

圖3 內(nèi)筒段加熱器示意圖

圖4 內(nèi)加熱器設(shè)計(jì)原理

艙體外筒段加熱溫區(qū)如圖5所示。溫區(qū)3：艙體外筒下方周向扇形區(qū)域；溫區(qū)4、溫區(qū)5：艙體上方兩側(cè)周向區(qū)域，左右對稱布置，共2個(gè)溫區(qū)；溫區(qū)6：艙體外筒上方周向扇形區(qū)域。

圖5 外筒段加熱溫區(qū)

根據(jù)試驗(yàn)艙體外筒段結(jié)構(gòu)特征及溫度載荷條件，設(shè)計(jì)出不帶水冷的加熱器，如圖6所示。加熱器外形與試驗(yàn)件嚴(yán)格隨形，保證加熱區(qū)域覆蓋完全且加熱均勻。其中，加熱器是否需要水冷，取決于溫度載荷條件及加熱時(shí)長。一般情況下，當(dāng)溫度載荷超過700℃，且加熱時(shí)間較長(超過600s)時(shí)，加熱器需要進(jìn)行水冷。

圖6 外筒段加熱器示意圖

2.2.2 加熱器安裝方式

進(jìn)行熱振耦合試驗(yàn)時(shí)，為避免加熱器受到振動影響，加熱器通過支持框架吊裝于振動臺上方，避免與振動臺接觸。加熱器安裝形式如圖7所示。

圖7 加熱器懸吊安裝方式

2.3 振動載荷加載方法

熱振耦合試驗(yàn)中，通常采用準(zhǔn)熱振法來開環(huán)控制熱振耦合環(huán)境試驗(yàn)中試驗(yàn)件的振動[8]，如圖8所示，其原理為：在常溫條件下，按照試驗(yàn)件高溫條件下的振動譜，使用常溫加速度傳感器A進(jìn)行振動控制，獲得振動臺臺面常溫加速度傳感器B的振動響應(yīng)譜；之后去掉A，保留B，將第一步得到的B的振動響應(yīng)譜作為高溫?zé)嵴耨詈显囼?yàn)的實(shí)際振動控制譜，使用B控制高溫?zé)嵴耨詈显囼?yàn)，此時(shí)試驗(yàn)件的振動實(shí)際處于開環(huán)控制的狀態(tài)。

圖8 準(zhǔn)熱振法原理圖

對于本次試驗(yàn)，控制點(diǎn)選取艙體前、后端框(控制采用兩點(diǎn)平均，控制譜滿足振動容差要求)，試驗(yàn)臺臺面上布置響應(yīng)點(diǎn)，常溫振動得到控制點(diǎn)和響應(yīng)點(diǎn)的對應(yīng)譜。正式試驗(yàn)時(shí)，采用試驗(yàn)臺臺面響應(yīng)譜作為熱振試驗(yàn)的控制譜。振動載荷按照飛行全彈道分為助推段、巡航段和俯沖段3段。

2.4 熱振耦合加載時(shí)序

熱振耦合試驗(yàn)中，按如下試驗(yàn)時(shí)序進(jìn)行正式試驗(yàn)：

(1)0s，助推段振動爬升至0dB量級，同時(shí)開始加載設(shè)備艙內(nèi)筒段和外筒段溫度載荷直到試驗(yàn)結(jié)束；

(2)120s，助推段振動結(jié)束，轉(zhuǎn)為巡航段振動工況；

(3)140s，巡航段振動爬升至0dB量級；

(4)1460s，巡航段振動結(jié)束，轉(zhuǎn)為俯沖段振動工況；

(5)1500s，俯沖段振動爬升至0dB量級；

(6)1560s，俯沖段振動結(jié)束，停止加熱。

3 試驗(yàn)過程及結(jié)果

正式試驗(yàn)前，確認(rèn)試驗(yàn)件的狀態(tài)及控制、測量、加熱、振動系統(tǒng)均正常后，按預(yù)定加熱曲線進(jìn)行加熱，按預(yù)定振動譜加載振動載荷。熱振試驗(yàn)過程中振動臺和加熱器均工作正常，現(xiàn)場無異常。試驗(yàn)過程中的照片見圖9。

圖9 試驗(yàn)過程照片

圖10所示為內(nèi)、外筒溫控點(diǎn)控制曲線及反饋值，可以看出，對于內(nèi)筒段，除升溫段轉(zhuǎn)保溫段反饋曲線略有超調(diào)外，其余時(shí)刻溫度反饋曲線跟隨性良好。對于外筒段，僅在100s前后有小的振蕩，其余的溫度反饋曲線與控制曲線跟隨性非常好。艙體各加熱溫區(qū)控溫曲線達(dá)到了預(yù)期效果，溫度超調(diào)量極小，控溫精度高，表明試驗(yàn)熱載荷加載方法及加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足試驗(yàn)要求。

(a)內(nèi)筒段

(b)外筒段圖10 各溫區(qū)溫度控制反饋曲線

4 結(jié) 論

本文以某復(fù)雜艙段結(jié)構(gòu)熱振耦合試驗(yàn)為研究對象，根據(jù)該試驗(yàn)中遇到的技術(shù)難題，在試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)上進(jìn)行了針對性設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)加熱及振動控制均滿足試驗(yàn)要求，試驗(yàn)方案可行性很高。此試驗(yàn)方法的成功運(yùn)用，可以為后續(xù)類似試驗(yàn)提供借鑒和參考。