一种空天飞机测试中多梯度辐射热流场模拟方法技术

本发明专利技术涉及飞机测试技术领域，具体是涉及一种空天飞机测试中多梯度辐射热流场模拟方法，通过设计辐射式加热装置

A simulation method of multi gradient radiant heat flow field in aerospace aircraft testing

【技术实现步骤摘要】
一种空天飞机测试中多梯度辐射热流场模拟方法


[0001]本专利技术涉及飞机测试
，具体是涉及一种空天飞机测试中多梯度辐射热流场模拟方法。

技术介绍

[0002]航空航天飞行器进行高超声速飞行时，其结构表面受到严酷的气动加热作用，对结构强度带来了极大的挑战，因此在地面进行热强度试验验证是高速飞行器测试中不可或缺的环节。
[0003]辐射式加热由于具有良好的电控性能，可以模拟高速飞行器快速时变的气动热环境，在地面热强度试验中得到了广泛应用。目前使用的辐射热加热器有模块化石英灯、模块化石英灯组、模块化石墨加热器以及模块化石墨加热器组。
[0004]其中，模块化石英灯组和模块化石墨加热器组能够通过调节单个模块化加热器模拟多梯度辐射热流场。但是，由不同模块加热器组合的加热装置存在下述问题：1）各个模块加热器连接边界处热流密度无法调控，会导致辐射热流场出现边界控制误差；2）各个模块加热器需要控制器统一调节参数，出于实际工艺的限制，会出现时间协调性误差。
[0005]不仅如此，对于单个模块化加热器（模块化石英灯、模块化石墨加热器）而言，能模拟的热流场最小面积有限且形状固定，但随着工艺升级，受辐射加热元件尺寸减小，元件形状多样化，加热装置支撑骨架占用空间限制变大，现有的单个模块化加热器无法单独实现模拟多梯度热流场的试验需求。
[0006]基于上述原因，现亟需开发一种能够解决问题的多梯度辐射热流场模拟方法。

技术实现思路

[0007]为了实现以上目的，本专利技术设计了一种空天飞机测试中多梯度辐射热流场模拟方法，主要通过设置投影板的方式在小于单个辐射加热装置加热范围内实现多梯度辐射热流场的模拟，进而首次在小面积测试构件上实现结构热测试试验，为后续空天飞机的测试提供理论数据支撑，主要方案内容如下：本专利技术设计的一种空天飞机测试中多梯度辐射热流场模拟方法，包括以下步骤：S1、设计辐射式加热装置确定与测试构件相适配的辐射式加热装置的设计要求；S2、划分受热表面的温区n将测试构件的受热表面依据需要施加的热流密度的梯度要求划分为两个或两个以上的温区，并对每个所述温区设定对应的温区编号n，n∈N
+
；S3、划分各个温区n的投影区域n
´
S3
‑
1、在与受热表面、辐射式加热装置的加热面均平行，且与二者距离处处相等的平面上设置具有高温透射涂层的投影板；S3
‑
2、将每个所述温区n的轮廓形状沿受热表面的法线方向投射在投影板上，得到
与每个所述温区n对应的投影区域n
´
，n
´
∈N
+
；S4、计算多梯度辐射热流场设定参数S4
‑
1、确定所述辐射式加热装置的总热流密度Q
´
，通过下式计算实际施加在每个所述温区n上的热流密度Q
x
；Q
´ꢀ×ꢀ
T
´ꢀ×ꢀ
T
x = Q
x
式中，T
´
为投影板的透射率，T
x
为高温透射涂层的透射率；S4
‑
2、确定高温透射涂层的单位厚度和高温透射涂层在单位厚度下的透射率，计算每个投影区域n
´
上高温透射涂层的厚度δ
x
；δ
x = ( k δ
0 T
0 ) / T
x
，T
x ﹤ T0式中，k为运算参数，δ0为高温透射涂层的单位厚度；T0为高温透射涂层在单位厚度下的透射率；S4
‑
3、由步骤S4
‑
1和步骤S4
‑
2中的公式计算每个所述温区n上的热流密度Q
x
与高温透射涂层的厚度δ
x
间的关系式，如下式所示：δ
x = ( k δ
0 T
0 Q
´ꢀ
T
´
) / Q
x
，T
x ﹤ T0S5、模拟多梯度辐射热流场确定每个所述温区n上的热流密度Q
x
，根据步骤S4
‑
3中的公式计算结果，在投影板邻近受热表面的一侧的每个所述投影区域n
´
内涂覆对应厚度的高温透射涂层，进而在测试构件的受热表面模拟出多梯度辐射热流场。
[0008]进一步地，本专利技术设计的一种空天飞机测试中多梯度辐射热流场模拟方法，能够在小于单个辐射式加热装置的加热范围内，在测试构件的受热表面上模拟出两个或两个以上的辐射热流场，所述受热表面为平面结构，所述辐射热流场的轮廓形状为规则形状或不规则形状，每个所述辐射热流场之间的热流密度变化为非连续变化。
[0009]进一步地，步骤S1中，所述辐射式加热装置的设计要求为：辐射式加热装置的形状与测试构件的形状相适配；辐射式加热装置的加热面的面积与测试构件的受热表面的面积比为（3~7）：1；辐射式加热装置的加热面与测试构件的受热表面间的距离范围为50mm~80 mm；辐射式加热装置的额定总功率W由下式确定：W = Q
´ꢀ×ꢀ
S式中，Q
´
为辐射式加热装置的总热流密度，S为测试构件的受热表面的总面积。
[0010]进一步地，步骤S4
‑
2中，所述高温透射涂层的单位厚度δ0为100 nm，所述高温透射涂层在单位厚度下的透射率T0为0.92。
[0011]进一步地，步骤S3中，所述投影板包括用于模拟非规则轮廓形状的辐射热流场的一体投影板和用于模拟规则轮廓形状的辐射热流场的模块投影板，所述一体投影板采用一体涂覆法制备，所述模块投影板采用模块涂覆法制备。
[0012]进一步地，一体涂覆法制备一体投影板的具体操作步骤如下：SA1、选用石英玻璃板作为所述投影板的基材，选用TiO2作为所述高温透射涂层的材料；SA2、在所述石英玻璃板邻近受热表面的一侧贴附聚酰亚胺薄膜，将每个温区n的非规则轮廓形状沿受热表面的法线方向投影在所述聚酰亚胺薄膜上，将所述聚酰亚胺薄膜
表面沿非规则轮廓线划割为不同的投影区域n
´
；SA3、剥离石英玻璃板上投影区域1
´
处的聚酰亚胺薄膜，使用磁控溅射法在投影区域1
´
处的石英玻璃板上沉积TiO2涂层，待沉积完成后在投影区域1
´
处石英玻璃板上重新贴附剥离下的聚酰亚胺薄膜；SA4、重复步骤SA3的操作，直至在投影区域2
´
至投影区域n
´
处的石英玻璃板上分别沉积对应厚度的TiO2涂层；SA5、待沉积完成后，剥离每个所述温区n上的聚酰亚胺薄膜，制得一体投影板。
[0013]进一步地，模块涂覆法制备模块投影板的具体操作步骤如下：SB1、选用石英玻璃板作为所述投影板的基材，选用TiO2作为所述高温透射涂层的材料；SB2、将每个温区n的规则轮廓形状沿受热表面的法线方向投影在所述石英玻璃板上，将所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空天飞机测试中多梯度辐射热流场模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、设计辐射式加热装置确定与测试构件相适配的辐射式加热装置的设计要求；S2、划分受热表面的温区n将测试构件的受热表面依据需要施加的热流密度的梯度要求划分为两个或两个以上的温区，并对每个所述温区设定对应的温区编号n，n∈N
+
；S3、划分各个温区n的投影区域n
´
S3
‑
1、在与受热表面、辐射式加热装置的加热面均平行，且与二者距离处处相等的平面上设置具有高温透射涂层的投影板；S3
‑
2、将每个所述温区n的轮廓形状沿受热表面的法线方向投射在投影板上，得到与每个所述温区n对应的投影区域n
´
，n
´
∈N
+
；S4、计算多梯度辐射热流场设定参数S4
‑
1、确定所述辐射式加热装置的总热流密度Q
´
，通过下式计算实际施加在每个所述温区n上的热流密度Q
x
；Q
´ꢀ×ꢀ
T
´ꢀ×ꢀ
T
x = Q
x
式中，T
´
为投影板的透射率，T
x
为高温透射涂层的透射率；S4
‑
2、确定高温透射涂层的单位厚度和高温透射涂层在单位厚度下的透射率，计算每个投影区域n
´
上高温透射涂层的厚度δ
x
；δ
x = ( k δ
0 T
0 ) / T
x
，T
x ﹤ T0式中，k为运算参数，δ0为高温透射涂层的单位厚度；T0为高温透射涂层在单位厚度下的透射率；S4
‑
3、由步骤S4
‑
1和步骤S4
‑
2中的公式计算每个所述温区n上的热流密度Q
x
与高温透射涂层的厚度δ
x
间的关系式，如下式所示：δ
x = ( k δ
0 T
0 Q
´ꢀ
T
´
) / Q
x
，T
x ﹤ T0S5、模拟多梯度辐射热流场确定每个所述温区n上的热流密度Q
x
，根据步骤S4
‑
3中的公式计算结果，在投影板邻近受热表面的一侧的每个所述投影区域n
´
内涂覆对应厚度的高温透射涂层，进而在测试构件的受热表面模拟出多梯度辐射热流场。2.如权利要求1所述的一种空天飞机测试中多梯度辐射热流场模拟方法，其特征在于，所述方法能够在小于单个辐射式加热装置的加热范围内，在飞机的测试构件的受热表面上模拟出两个或两个以上的辐射热流场，所述受热表面为平面结构，所述辐射热流场的轮廓形状为规则形状或不规则形状，每个所述辐射热流场之间的热流密度变化为非连续变化。3.如权利要求1所述的一种空天飞机测试中多梯度辐射热流场模拟方法，其特征在于，步骤S1中，所述辐射式加热装置的设计要求为：辐射式加热装置的形状与测试构件的形状相适配；辐射式加热装置的加热面的面积与测试构件的受热表面的面积比为（3~7）：1；辐射式加热装置的加热面与测试构件的受热表面间的距离范围为50mm~80mm...

【专利技术属性】
技术研发人员：王彬文，王振亚，秦强，李世平，
申请(专利权)人：中国飞机强度研究所，
类型：发明
国别省市：