一种非烧蚀热防护材料/结构的电弧风洞试验方法

摘要

本发明公开一种非烧蚀热防护材料/结构的电弧风洞试验考核方法，包括：开展试验状态调试；计算调试得到的来流状态对应的试验件表面的目标温度；开展正式试验；根据正式试验过程中试验件表面温度的测温结果调节设备的运行参数。本发明实现了在试验过程中对来流状态的实时调节和精确控制。

说明书

技术领域

本发明涉及热防护材料/结构技术领域。更具体地，涉及一种非烧蚀热防护材料/结构的电弧风洞试验方法。

背景技术

高超声速飞行器热防护材料/结构需要开展地面电弧风洞试验，考核材料/结构的耐高温、抗烧蚀性能。利用如图1所示的电弧风洞试验装置进行电弧风洞试验时，气流经电弧加热流入混合室，在混合室与冷气进行掺混，经特定喷管后，以高温、高速进入试验段，对试验件进行冲刷，并经后端管路(扩压器、冷却器等)进入真空系统，再由真空泵抽出排入大气。

如图2所示，现有的电弧风洞试验方法为：正式试验前，先采用校测模型(与真实模型外形一致，但设计有试验状态测量装置)进行调试，至试验状态(焓值H、热流q、混合室压力P_混或物面压力P_物)满足设计要求，然后记录设备运行参数(电流I、电压U、热气流量m_热、冷气流量m_冷)。正式试验时，根据调试得到设备运行参数进行试验，至试验结束后，分析试验结果。

但是由于电弧风洞试验试验过程中，电极长时运行会出现烧蚀，引起来流状态波动，同一车次来流焓值的波动约5％，不同车次间焓值波动范围约10％，在中低焓值时，该波动会引起试验件表面温度差异约200℃，高焓状态时，上述焓值差异对温度影响更大。此外，为保证喷管能够长时耐受高温气流的作用，需要设计水冷系统，对喷管进行水冷，而水冷系统在对喷管进行冷却的同时，也会带走靠近喷管壁面高温气体的能量，造成来流状态降低。而电极烧蚀引起试验状态的波动及喷管冷却对来流状态的影响，受试验状态、电极使用状态、冷却水流量、温度等多因素影响，目前缺乏有效手段，无法在试验前给出试验状态的偏差。

因此，需要提供一种非烧蚀热防护材料/结构的电弧风洞试验方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非烧蚀热防护材料/结构的电弧风洞试验方法。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种非烧蚀热防护材料/结构的电弧风洞试验考核方法，包括如下步骤：

开展试验状态调试：根据设计状态，预估设备的运行参数，包括电流I、电压U、热气流量m_热和冷气流量m_冷；将非烧蚀热防护材料/结构作为试验件，采用与试验件尺寸一致但带有热流和压力测量装置的物理模型对预估设备运行条件下的来流状态进行测量，记录调试得到的来流状态并记录对应的设备的运行参数；

计算调试得到的来流状态对应的试验件表面的目标温度：采用试验件的物理模型及物性参数，计算满足设计状态要求的调试得到的来流状态对应的目标温度T_目及调试过程中不同的设备的运行参数对应的物面温度T_物，分析设备的运行参数的变化对试验件表面温度的影响；

开展正式试验：采用正式的试验模型，根据设计要求的试验时间，以开展试验状态调试记录的设备的运行参数开展试验，试验过程中对试验件表面温度进行测量；

根据正式试验过程中试验件表面温度的测温结果调节设备的运行参数：对比试验过程中测量得到的试验件表面温度T_测与计算得到的试验件表面的目标温度T_目，当两者之间的偏差值不满足设计要求时，对设备的运行参数进行调节直至满足设计要求。

优选地，步骤开展试验状态调试中对预估设备运行条件下的来流状态进行测量的测量对象包括：焓值H、热流q和混合室压力P_混，或焓值H、热流q和物面压力P_物。

优选地，在步骤开展试验状态调试和步骤计算调试状态对应试验件表面的目标温度之间还包括：

判断调试得到的来流状态对设计状态要求的满足情况：判断调试得到的来流状态是否满足设计状态要求，如果满足，则记录调试得到的来流状态对应的设备的运行参数；如果不满足，则根据两者偏差调整设备的运行参数，重新开展试验状态调试直至调试得到的来流状态满足设计状态要求。

优选地，步骤开展正式试验中采用非接触测温装置或采用在距试验件中心上表面0.5mm范围内预埋的热电偶对试验件表面温度进行测量。

优选地，步骤根据正式试验过程中试验件表面温度的测温结果调节设备的运行参数中对设备的运行参数进行调节的调节量根据试验过程中测量得到的试验件表面温度T_测与计算得到的试验件表面的目标温度T_目之间的偏差值及设备的运行参数的变化对试验件表面温度的影响的分析结果确定。

优选地，步骤根据正式试验过程中试验件表面温度的测温结果调节设备的运行参数中对设备的运行参数进行调节的调节量为步长为20A的调节量。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案在试验过程中根据作为试验件的非烧蚀热防护材料/结构的表面温度半闭环控制来流状态，实现了对来流状态的实时调节和精确控制，调节范围约200℃，调节精度≤30℃(具体根据状态确定)。有效提高了试验精度、减少了试验次数，极大节省试验成本和周期。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1示出电弧风洞试验装置的结构示意图。

图2示出现有电弧风洞试验方法的流程图。

图3示出本发明实施例提供的非烧蚀热防护材料/结构的电弧风洞试验方法的流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图3所示，本实施例提供的一种非烧蚀热防护材料/结构的电弧风洞试验考核方法，包括如下步骤：

开展试验状态调试：根据设计状态，预估设备的运行参数，包括电流I、电压U、热气流量m_热和冷气流量m_冷；将非烧蚀热防护材料/结构作为试验件，采用与试验件尺寸一致但带有热流和压力测量装置的物理模型对预估设备运行条件下的来流状态进行测量，记录调试得到的来流状态并记录对应的设备的运行参数；

判断调试得到的来流状态对设计状态要求的满足情况：判断调试得到的来流状态是否满足设计状态要求，如果满足，则记录调试得到的来流状态对应的设备的运行参数；如果不满足，则根据两者偏差调整设备的运行参数，重新开展试验状态调试直至调试得到的来流状态满足设计状态要求；

计算调试得到的来流状态对应的试验件表面的目标温度：采用试验件的物理模型及物性参数，计算满足设计状态要求的调试得到的来流状态对应的目标温度T_目及调试过程中不同的设备的运行参数对应的物面温度T_物，分析设备的运行参数的变化对试验件表面温度的影响；

开展正式试验：采用正式的试验模型，根据设计要求的试验时间，以开展试验状态调试记录的设备的运行参数开展试验，试验过程中对试验件表面温度进行测量；

根据正式试验过程中试验件表面温度的测温结果调节设备的运行参数：对比试验过程中测量得到的试验件表面温度T_测与计算得到的试验件表面的目标温度T_目，当两者之间的偏差值不满足设计要求时，对设备的运行参数进行调节直至满足设计要求。

在具体实施时，步骤开展试验状态调试中对预估设备运行条件下的来流状态进行测量的测量对象包括：焓值H、热流q和混合室压力P_混，或焓值H、热流q和物面压力P_物。

在具体实施时，步骤开展正式试验中采用非接触测温装置或采用在距试验件中心上表面0.5mm范围内预埋的热电偶对试验件表面温度进行测量。

在具体实施时，步骤根据正式试验过程中试验件表面温度的测温结果调节设备的运行参数中对设备的运行参数进行调节的调节量根据试验过程中测量得到的试验件表面温度T_测与计算得到的试验件表面的目标温度T_目之间的偏差值及设备的运行参数的变化对试验件表面温度的影响的分析结果确定。另外，对于开展试验状态调试次数较少，且无法获得设备的运行参数与试验件表面温度变化规律的情况，可以以步长为20A的调节量对设备的运行参数进行调节。

本实施例提供的在试验过程中，根据试验件的测量温度半闭环控制来流状态，具体为通过判断测量温度T_测与目标温度T_目的偏差是否满足设计允许值而对设备运行参数进行调节，以实现对来流状态的的实时调节和精确控制，可有效提高试验精度、减少试验次数。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还需要说明的是，在本发明的描述中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。