一种高超声速飞行器辐照加热环境模拟系统及其模拟方法

摘要

本发明公开一种高超声速飞行器辐照加热环境模拟系统及其模拟方法，包括环境模拟室、红外灯阵、激光加热单元及抽真空单元。环境模拟室内壁布置红外灯阵用来对飞行器整机或局部部件进行中高温加热；环境模拟室外部连接有抽真空单元用来对环境模拟室内进行升压、降压；环境模拟室外还设置有激光加热单元，激光加热单元发射激光束透过安装在环境模拟室侧壁上的玻璃，从而对飞行器整机或局部部件进行局部超高温加热。本发明采用红外灯阵和固体激光器作为加热源，可以进行飞行器的大型部件甚至整机试验，而且进行高度热环境综合模拟的技术难度比较小；本发明系统结构简单，比较灵活。

说明书

技术领域

本发明涉及热环境模拟领域，具体的说是一种应用于高超声速飞行器热环境模拟试验的组合式辐照加热环境模拟系统。

背景技术

高超声速飞行器整机或局部部件热环境模拟试验是研制高超声速飞行器的重要基础试验。近空间高超声速飞行器会遇到极高的温度和热流密度，这将对飞行器产生诸多不利的影响。例如：高温条件下，材料的强度极限和弹性模量降低，结构的承载能力下降；快速加热情况下，材料内部形成极大的温度梯度，产生附加热应力，影响结构局部或总体的承载能力；高温和热应力的作用下，结构局部或总体产生过大的变形，严重时容易导致危险的结构共振；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；飞行器舱内环境恶化，影响电子元器件性能等。

为解决上述问题，必须对飞行器进行充分的热试验。从国外高超声速飞行器发展的历史来看，任何一架高超声速飞机，试飞前都必须在试验室进行大量的热试验。从材料选择试验、结构概念试验、防护系统概念试验、结构验证试验、直至整机热环境模拟试验等。

目前我国在此领域的研究与国际先进国家相比有很大差距。90年代末期以来，为适应更高M数的热试验，美国、乌克兰等国发展了高温、高压燃气为热源的对流热环境模拟试验设备，把试验对象的温度提高至1800℃～2000℃。这类设备的特点是功率大、气流温度高、工作时间长，比较适合热结构试验。其中比较有代表性的是NASA Langley研究中心8英尺高温风洞。中国飞机强度研究所即将投入建设一套高温燃气热环境模拟系统，该系统采用燃烧器产生的高温燃气加热鼻锥部位，预计能够达到2000K的燃气温度，但是采用高温燃气流加热也仅能进行飞行器局部试验。

为此，研制满足结构热试验需求的热环境模拟试验系统是目前非常紧迫的一

项工作；考虑到国家目前的经济技术水平，采用经济、可靠、简便的技术方案建设热环境模拟试验系统，是我国高超声速飞行器热环境模拟设备的发展方向。

发明内容

为解决上述目的，本发明一种适应我国高超声速飞行器热环境模拟试验设备的迫切需求，研制一种经济、可靠、简便的高超声速飞行器辐照加热环境模拟系统及其模拟方法，可进行常压或高空低气压下的飞行器热环境模拟试验，为我国自主研发高超声速飞行器提供技术支持。

本发明本包括环境模拟室、红外灯阵、激光加热单元、抽真空单元。

在环境模拟室内壁均匀布置有红外灯阵，环境模拟室外部设置有抽真空单元与激光加热单元，抽真空单元与环境模拟室连接；

其中，所述环境模拟室为密闭结构，用来放置被测飞行器整机或局部部件；环境模拟室上开有通口，通口内嵌有玻璃，使环境模拟室保持密闭；本发明利用红外灯阵作为中高温热源，用于对飞行器整机或局部部件进行中高温加热。

所述激光加热单元设置在环境模拟室外部，包括固体激光器、分束器、光耦合器、高功率光纤及光斑调节机构；固体激光器作为高温热源，用来对环境模拟室内的飞行器整机或局部部件进行局部加热。高功率的激光束从固体激光器中射出后，经过分束器，使激光束分解为在高功率光纤能够耐受功率范围内的多束激光，经过分解后的每束激光射入到对应的光耦合器内，通过光耦合器将每束激光束的功率最大地输入至与光耦合器相对应的高功率光纤中。每一个高功率光纤的头部设有光斑调节机构，用来调节照射到飞行器整机或局部部件表面的光斑直径。固体激光器301通过高功率光线将激光束穿透环境实验室上的玻璃照射到飞行器整机或局部部件上。

所述抽真空单元包括真空泵、止回阀、放气阀、真空表、复压阀组成；真空泵、止回阀与放气阀依次通过管路连接，放气阀另一端通过管路与环境模拟室；抽真空单元用来调节环境模拟室内的气压，在放气阀与环境模拟室间的连接管路上设置有真空表，用来测量环境模拟室内的气压，使环境模拟室内的压力达到模拟要求的数值复压阀通过管路连接在模拟实验室上，通过复压阀将环境模拟室内恢复常压时。

本发明一种高超声速飞行器辐照加热环境模拟方法，由如下步骤来实现：

步骤1：环境模拟室内放置飞行器整机或局部部件，并对飞行器整机或局部部件放置角度进行调整；

若为飞行器整机加热时，需保证飞行器整机的中心轴线与环境模拟室的中心轴线重合。若为飞行器局部部件加热时，可通过改变激光入射角，和调整飞行器局部部件的角度实现。

步骤2：通过抽真空单元对环境模拟室内进行升压或降压；

步骤3：对飞行器整机或局部部件进行加热；

采用红外灯阵对飞行器整机或局部部件进行中高温加热或采用固体激光器对飞行器整机或局部部件局部进行超高温加热，也可以通过红外灯阵与固体激光器对飞行器整机或局部部件同时进行中高温加热与超高温加热。

本发明的优点在于：

1、本发明采用红外灯阵和固体激光器作为加热源，可以进行大型部件全尺寸试验甚至整机试验，而且进行高度-热环境综合模拟的技术难度比较小；

2、本发明系统结构简单，且该组合式辐照加热环境模拟系统得各个子系统相对独立，系统比较灵活，可采用多台固体激光器用以提高加热功率，可选择激光器或红外灯阵单独加热，也可在真空环境或常压环境下进行试验；

3、本发明可实现了0.1～5KW大功率激光的传输。

附图说明

图1本发明整体系统示意图；

图2为本发明激光加热单元示意图；

图3光斑排列的重叠式；

图4光斑排列的围绕式；

图5光斑排列的拼接式。

1-环境模拟室    2-红外灯阵       3-激光加热单元  4-抽真空单元

5-红宝石玻璃    301-固体激光器   302-分束器      303-光耦合器

304-高功率光纤  305-光斑调节器   401-真空泵      402-止回阀

403-放气阀      404-真空表       405-复压阀

具体实施方式

本发明一种组合式辐照加热环境模拟系统，如图1所示，该系统包括环境模拟室1、红外灯阵2、激光加热单元3和抽真空单元4。如图1所示，其中，环境模拟室1为密闭结构，用来放置被测飞行器整机或局部部件。环境模拟室1上开有2个通口，通口内嵌有红宝石玻璃5，采用这种材料可以使激光穿透后的能量损失最小，使环境模拟室1保持密闭。由于超高声速的飞行器整机在鼻锥处热流密度极大，易形成局部高温区域，因此将其中一个通口设置在环境模拟室1一侧壁的正中位置，由此方便用激光器加热飞行器整机的鼻锥位置，且若将激光射入方向垂直于玻璃面，激光能量损失最小。由于超高声速飞行器整机的机翼前沿也是一个局部高温区域，在进行试验时，这个局部区域具体位置可以通过改变激光射入方向和调整试件角度来实现，因此对这另一通口只需设置在环境模拟室1其他侧壁的竖直中轴线偏左的位置即可。

在环境模拟室1内部均匀布置有红外灯阵2，红外灯阵2作为中高温热源，用于加热飞行器整机或局部部件，所述中高温应在600～1000度。

激光加热单元3设置在环境模拟室1外部，包括固体激光器301、分束器302、光耦合器303、高功率光纤304及光斑调节机构，如图2所示。其中固体激光器301作为超高温热源，采用功率为0.1～5KW固体激光器301，用来对环境模拟室1内的飞行器整机或局部部件进行局部超高温加热，使飞行器整机或局部部件产生局部超高温区域，所述超高温应在1500～2200度。高功率的激光束从固体激光器301中射出后，经过分束器302，使激光束分解为功率在高功率光纤304能够耐受的功率范围内的多束激光，经过分解后的每束激光射入到对应的光耦合器303内，通过光耦合器303将每束激光束的功率最大地输入至相对应的高功率光纤304中。每一个高功率光纤304的头部设有光斑调节机构，用来调节照射到飞行器整机或局部部件表面的光斑直径。固体激光器301通过高功率光线将激光束穿透环境实验室上的红宝石玻璃照射到飞行器整机或局部部件上，实现对飞行器整机或局部部件的局部超高温加热，并保证真空试验的气密性。

通过上述方式可以有使多束光斑照射到飞行器整机或局部部件表面，且光斑的排列方式可通过调整高功率光纤304的相互位置灵活的布置。如图3所示，为重叠式的光斑排列方式，它是一种能量分布的方式，能量在圆心处最大，在网格部分圆内能量最大且分布均匀，斑点圆环处环能量分布也是均匀的，但能量要小于网格部分圆，斜线部分圆环处内能量最小，分布较为均匀。这个布置的实现是通过将各束激光光斑的圆心指向同一点，光斑的大小不同即可使能量分布接近于高斯分布。可使激光光斑的能量分布更加丰富。如图4所示，为围绕式的光斑排列方式，只需将多光纤按照图中各个光斑的中心点布置即可，采用围绕式的光斑排列方式可以扩大光斑的直径。如图5所示，为多光斑的拼接方式，将多个光纤“一”字排开，布置成长条形状。采用多光斑拼接方式用来针对存在长条形的高温区域的飞行器整机或局部部件。

抽真空单元4用来调节环境模拟室1内的气压，主要由真空泵401、止回阀402、放气阀403、真空表404、复压阀405组成，如图1所示；真空泵401、止回阀402与放气阀403依次通过管路连接，放气阀403另一端通过管路与环境模拟室1。在放气阀403与环境模拟室1间的连接管路上设置有真空表404，用来测量环境模拟室1内的气压，使环境模拟室1内的压力达到模拟要求的数值(海拔高度)。在进行低气压模拟时，将放气阀403和真空泵401打开，真空泵401通过管道抽吸环境模拟室1内的空气，放气阀403用以调节气流量，止回阀402可以防止泵停机和故障时气体倒流。环境模拟室1内的气压个通过真空表404测量，当室内气压达到试验要求后，即可关闭真空泵401和放气阀403。在试验结束后，可打开连接在另一管路上的复压阀405，使外界空气进入模拟实验室，直到恢复常压即可关闭复压阀405。环境模拟室1上还通过管路连接有复压阀405，通过复压阀405将环境模拟室1内恢复常压时。

本发明一种组合式辐照加热环境模拟方法，通过以下步骤来实现：

步骤1：环境模拟室1内放置飞行器整机或局部部件，并对飞行器整机或局部部件放置角度进行调整；

若飞行器为一个整机，则需保证试件的中心轴线与实验室的轴线尽量重合，使被测飞行器整机的鼻锥正对的环境模拟室侧壁正中位置上的红宝石玻璃。而机翼处局部高温区域的加热，可通过改变激光入射角度实现，因此没有特殊要求。而对于飞行器局部部件来说，不同的部件局部高温区域不同，可通过改变激光入射角，和调整被测飞行器局部部件的角度实现。

步骤2：通过抽真空单元4对环境模拟室1内进行升压、降压；

若进行低压模拟时，则对模拟室进行抽取真空，将放气阀403和真空泵401打开，真空泵401通过管道抽吸环境模拟室1内的空气，放气阀403用以调节气流量，止回阀402可以防止泵停机和故障时气体倒流。环境模拟室1内的气压个通过真空表404测量，当室内气压达到飞行器整机或局部部件在不同高度所承受的气压要求时，即可关闭真空泵401和放气阀403。若进行常压模拟时，且当环境模拟室1内大气压小于一个大气压时，则关闭真空泵401及放气阀403，并打开复压阀405，待模拟仓达到一个大气压后即可。

步骤3：对飞行器整机或局部部件进行加热。

若只需对飞行器整机或局部部件进行中高温加热时，则打开红外灯阵2即可；若只需要对飞行器整机或局部部件进行局部超高温加热时，则打开固体激光器301，并通过光斑调节器305来调节照射到飞行器整机或局部部件表面的光斑直径，并通过调整高功率光纤304的相互位置来选择飞行器整机或局部部件需要进行局部加热的位置；若需要对飞行器整机或局部部件同时进行中高温加热与超高温加热时，则首先打开红外灯阵2对飞行器整机或局部部件进行中高温加热，在飞行器整机或局部部件表面大部分区域达到800℃左右的中高温后，打开固体激光器301对飞行器整机或局部部件表面的承受超高温的区域进行加热达到超高温，从而实现对超声速飞行器整机或局部部件的温度场模拟。