夏吝時，齊 斌,2，張 昕，鄒樣輝

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防隔熱試驗用平板型石英燈加熱器熱環(huán)境分析

夏吝時1，齊 斌1,2，張 昕1，鄒樣輝1

（1. 北京航天長征飛行器研究所 高超聲速飛行器防隔熱技術中心，北京 100076；2. 北京理工大學，北京 100086）

本文采用Monte-Carlo法（MCM），對用于防/隔熱材料篩選或性能考核試驗的平板型石英燈加熱器熱環(huán)境（輻射特性）進行了分析。重點對石英燈加熱器中水冷反光板面積、水冷反光板與燈陣間距離、熱源疏密程度、熱源陣列與材料受熱面間距等因素對輻射熱場中典型隔熱材料受熱表面溫度分布均勻性和熱流密度進行了模擬計算。

防隔熱材料；蒙特卡羅法；石英燈加熱器；溫度分布

0 引言

針對未來臨近空間長航時、在軌機動和可重復使用軌道運輸器等新一代高超聲速飛行器防/隔熱系統(tǒng)中復合材料和產品的研制，防/隔熱材料篩選或性能考核試驗已成為研制流程中的必需環(huán)節(jié)。石英燈加熱器作為當前國內外熱環(huán)境模擬、熱強度試驗系統(tǒng)中應用最廣泛的加熱設備，具有加熱成本低、熱慣性小、加熱時間長、功率大和熱效率高等特點[1]，特別適用于長時間在/變軌飛行器防/隔熱系統(tǒng)的地面等效氣動熱環(huán)境模擬試驗。自20世紀70年代以來，美、俄等國分別依托空天飛機計劃和航天飛機計劃先后開展了高溫紅外輻射式地面防/隔熱試驗方面的研究工作。美國NASA Dryden、Langley、俄羅斯國家空氣動力研究院（ЦАГИ）、德國DLRIABG等實驗室均建有石英燈輻射加熱試驗系統(tǒng)[2-4]。隨著各類石英燈紅外輻射加熱試驗項目的不斷發(fā)展，高溫紅外輻射熱環(huán)境分析與預測技術已成為地面防/隔熱試驗研究的重要方向，國內外相關試驗單位均已開展了該方面的研究工作，美國NASA Dryden更將輻射熱環(huán)境的預示工作納入了正式的試驗流程[5-7]。由此可見，對石英燈加熱器所營造的輻射熱環(huán)境特性進行理論分析，對防/隔熱材料篩選或性能考核等試驗工作有十分重要的實際意義[8]。

本文采用基于射線追蹤原理的蒙特卡羅概率統(tǒng)計方法（MCM），針對平板型石英燈加熱器營造的用于防/隔熱材料篩選或性能考核試驗的輻射熱環(huán)境特性進行了仿真分析。得到了加熱器內水冷反光板面積、水冷反光板與燈陣間距離、熱源疏密度、熱源陣列與材料受熱面間距等因素對材料受熱表面溫度分布均勻性和熱流密度的影響關系。

1 計算方法

MCM是一種通過設定隨機過程，反復生成時間序列計算參數估計量和統(tǒng)計量，用于研究其分布特征的數學方法。在輻射熱傳輸過程中通過將確定性問題轉化為隨機問題，對隨機變量的統(tǒng)計進行求解。本文基于射線追蹤原理的MCM方法，對平板型石英燈加熱器營造的熱環(huán)境進行分析，計算過程中將概率模擬和溫度場迭代進行分離，以提高模擬精度。

概率模擬過程需要分別確定每條射線光束的空間發(fā)射點、發(fā)射方向和傳輸距離，若當光束射出后到達系統(tǒng)內某一表面時未被吸收，還需確定其反射方向，直至被吸收為止。當光束數量足夠多時，即可獲得具有統(tǒng)計意義的計算結果[9]。

當加熱器內某一燈管向半球空間發(fā)射光束時，令[x,min，x,max]、[y,min，y,max]、[z,min，z,max]分別為直角坐標系下方向第個單元、方向第個單元、方向第個單元的范圍，通過隨機選擇空間坐標確定的空間發(fā)射點坐標(0,0,0)為：

式中：R、R、R為系統(tǒng)隨機數，在區(qū)間[0,1]內均勻分布（后同）。

將發(fā)射點處法向與發(fā)射方向的夾角和周向角與系統(tǒng)選取的均勻分布隨機數、相關聯(lián)，則系統(tǒng)坐標系下光束發(fā)射方向的天頂角和周向角分別為：

在已知光束發(fā)射點坐標后，由(2)式確定光束的發(fā)射方向。

當光束自發(fā)射后到達某一表面被完全吸收時，認為該光束的傳播達到終點，此時的傳輸距離為：

式中：為衰減系數，為傳輸距離的均勻分布隨機數。

當光束自發(fā)射后到達某一表面未被完全吸收時，將發(fā)生反射，直至被另一表面完全吸收。其反射方向為：

因光束本身不攜帶能量，在溫度場計算時引入輻射傳遞因子RD來表示系統(tǒng)中單元的輻射能經一次發(fā)送和系統(tǒng)內其他單元一次或多次反射后被單元吸收的份額。將代入(5)式即可獲得材料表面溫度分布。

Q＝AT4RD－AT4RD(5)

2 計算模型與判定標準

2.1 計算模型

將燈陣視作等距分布的均勻線光源的組合，燈管間距為，水冷反光板與燈陣間距離為1，燈陣與試件表面間距為2。燈陣、試件受熱面和水冷板面積分別為1、2和3，如圖1所示。

圖1 平板型加熱器計算模型

試件材料選為高超聲速飛行器上常用的剛性隔熱瓦材料，具體物性參數如表1所列[10]。對于材料級試件，其受熱面尺寸一般不大于0.2m×0.2m，因此試件尺寸0.2m×0.2m×0.02m（長×寬×厚）。計算時試件除正對燈陣的表面為常壓環(huán)境下的輻射和對流條件外，其他表面均為絕熱邊界條件。其中對流換熱系數取25W/(m2×K)。燈管額定功率3000W[11]。

2.2 均勻性判定標準

由試件受熱面上各點溫度相對于受熱面平均溫度的偏差來衡量試件表面溫度分布均勻性的優(yōu)劣，偏差越小則溫度分布均勻性越好。由(6)式確定試件受熱面的溫度不均勻度。

式中：max和min分別為試件受熱面上的最高和最低溫度。

2.3 方法驗證

可以看出，使用本文方法獲得的計算結果與文獻[7]的變化趨勢基本相同，隨著燈陣與試件間距離的增大，試件受熱面熱響應均勻性均呈優(yōu)化趨勢。本文方法計算結果中當2＝0.1m時，試件受熱面上的最高溫度和最低溫度分別為max＝1076℃和min＝383℃，此時＝0.475，剛性隔熱瓦試件表面溫度分布均勻性差。

3 平板型加熱器熱環(huán)境分析

3.1 水冷板反射面積的影響

水冷板的作用是為了提高燈陣的熱效率，將石英燈陣發(fā)出的部分能量反射回試件表面，從而提高加熱器的熱能利用率，因此水冷板的反射面積對熱環(huán)境將產生較大影響。設水冷板反射面與燈陣面積之比為＝3/1，當燈陣面積為0.24m×0.4m（＝0.015m，1＝0.02 m，2＝0.04m）時，分別對＝0、＝1、＝1.44和＝1.96等情況進行了計算，結果如圖3所示。水冷反光板可以較大程度地增加能源利用效率，對試件受熱面溫度分布均勻性的影響存在拐點，拐點值對應水冷板反射面積等于燈陣面積。隨著水冷板反射面積的增加，試件受熱面溫度分布均勻性不斷優(yōu)化。當＞1后，水冷反光板面積的增加對試件受熱面峰值熱流的影響較小。從能源利用效率考慮，在結構設計或試驗方案制定時應使用水冷反光板，并且為保證較高的試驗質量，應盡量增大水冷反光板的反射面積。

3.2 水冷板與燈陣間距離的影響

當燈陣面積為0.24m×0.4m（＝0.015m，2＝0.04m，＝1.44）時，分別對水冷板與燈陣間距離1＝0.02m、1＝0.04m、1＝0.06m、1＝0.08m和1＝0.1m等情況進行了計算，結果如圖4所示。數據表明，水冷反光板與燈陣間距離的增加對試件表面溫度分布均勻性的優(yōu)化效果遠遠小于對試件表面峰值熱流的弱化影響。當結構設計或試驗方案制定時為獲得較高的試件表面峰值熱流，應盡可能減少二者間距離，并且可以忽略對試件表面溫度分布均勻性的負面影響。

表1 試件物性參數表

圖2 本文方法與文獻[7]中的計算結果比較

圖3 不同水冷板尺寸的計算結果

圖4 反光板與燈陣不同間距的計算結果

3.3 熱源疏密度的影響

當模型中1＝2＝0.04m恒定，＝1.44時，分別對燈管中心距＝0.015m（考慮到燈絲外石英玻璃管直徑尺寸時的最小值）、＝0.03m、＝0.06 m和＝0.09m等情況進行了計算，結果如圖5所示。燈管間距離對試件受熱面溫度分布均勻性的影響存在拐點，拐點位置與文獻[7]中相同。由于燈陣中燈管間距增加導致燈管數量遞減（試件尺寸不變），導致了試件受熱面峰值熱流的快速降低。結構設計過程中應盡量避開燈管間距為0.06m的拐點值，并且為提高試件表面峰值熱流，應盡量增大熱源密度，建議燈陣中燈管間距不超過0.02m。

圖5 不同燈間距的計算結果

3.4 燈陣與材料受熱面距離的影響

當燈陣面積為0.24m×0.4m（＝0.015m，1＝0.06m，＝1.44）時，分別對水冷板與燈陣間距離2＝0.02m、2＝0.04m、2＝0.06m、2＝0.08m和2＝0.1m等情況進行了計算，結果如圖6所示。隨著燈陣與試件受熱面間距離的增加，試件表面溫度分布均勻性和峰值熱流均呈下降趨勢。當2增加5倍時，試件受熱面峰值熱流下降了73%，試件表面溫度分布均勻性降低了105%。在設計試驗方案時，為獲得較高的試件表面溫度分布均勻性，或在燈陣額定功率的工況下獲得更高的試件表面峰值熱流，應盡量將試件受熱面靠近燈陣。

圖6 燈陣與試件不同間距的計算結果

4 結束語

本文通過對飛行器常用低密度隔熱材料在平板型石英燈加熱器多工況熱輻射環(huán)境下的表面溫度分布均勻性和峰值熱流的分析計算，獲得了相應狀態(tài)下的試件受熱面溫度分布均勻性和峰值熱流變化規(guī)律，對指導平板型石英燈加熱器的結構設計和材料級試件的試驗方案設計起到了積極的促進作用[12-13]，主要表現(xiàn)在：

1）從加熱器結構設計角度考慮，水冷反光板是必要的，其最小尺寸應與燈陣面積相同，反光板與燈陣間距離應兼顧試件受熱面溫度分布均勻性和峰值熱流間的相互關系。同時，燈陣中熱源間距離應避開使試件受熱面溫度分布均勻性最差時的拐點值。若需要保證超高試件受熱面溫度分布均勻性時，可適當調節(jié)加熱器內燈陣中熱源的高低位置，即將熱源設計為上凸式弧形陣列。

2）從指導試驗方案設計的角度考慮，當燈陣面積大于試件面積時的受熱面溫度分布均勻性更優(yōu)，為保證較高試件表面溫度分布均勻性，應盡可能增加燈陣與試件的面積比，同時將試件放置于燈陣的幾何中心位置下，根據所需熱流調節(jié)燈陣與試件受熱面間實際距離。

3）本文所用的計算方法同樣適用于錐身/筒段形和舵/翼形加熱器的熱環(huán)境分析，后續(xù)將對類似異形加熱器的輻射熱環(huán)境模擬和飛行器各部段的試驗應用做進一步研究。

[1] 周錫儀, 張伯良. 結構熱實驗技術[M]. 北京: 宇航出版社, 1993: 44-69.

ZHOU Xiyi, ZHANG Boliang.[M]. Beijing: Aerospace Press, 1993: 44-69.

[2] DEANGELIS V Michael, ANDERSON KARL F. Thermal-structural test facilities at NASA dryden[R]. NASA-1992-Technical Memoran -dum 104249, 1992.

[3] APPEL G, BAR K, KNAPP T. Thermomechanical test facility of HERMES Winglet Box[R]. AIAA-1993-5087, 1993.

[4] 任青梅. 熱/結構試驗技術研究進展[J]. 飛航導彈, 2012(2): 91-96.

REN Qingmei. The recent trends of thermal-test technique of structure[J]., 2012(2): 91-96.

[5] 夏吝時, 齊斌, 田寧, 等. 小尺寸高溫透波蓋板雙溫區(qū)邊界隔熱性能試驗研究[J]. 航天器環(huán)境工程, 2015, 32(2): 196-200.

XIA Linshi, QI Bin, TIAN Ning, et al. Experiment research on heat-shielding capability of small-size high temperature wave-transparent cover board in dual temperature area boundary conditions[J]., 2015, 32(2): 196-200.

[6] 劉守文, 尹曉芳, 裴一飛, 等. 基于蒙特卡羅方法的紅外燈熱流分布研究[J]. 宇航學報, 2010, 31(2): 608-614.

LIU Shouwen, YIN Xiaofang, PEI Yifei, et al. The study of heat flux distribution for infrared lamp based on monte carlo method[J]., 2010, 31(2): 608-614.

[7] 王智勇, 黃世勇, 巨亞堂. 石英燈輻射加熱試驗熱流分布優(yōu)化研究[J]. 強度與環(huán)境, 2011, 38(2): 18-23.

WANG Zhiyong, HUANG Shiyong, JU yatang. The quartz radiation heating system heat flux distribution optimization study[J]., 2011, 38(2): 18-23.

[8] HUDSON L. Thermal-mechanical testing of hypersonic vehicle structures[R]. NASA-2008-13159, 2008.

[9] 談和平, 夏新林, 劉林華, 等. 紅外輻射特性與傳輸的數值計算[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學出版社, 2006: 157-165.

TAN Heping, XIA Xialin, LIU Linhua, et al.[M]. Harbin: Harbin Institute of Technology Press, , 2006: 157-165.

[10] 王曉婷, 張宏波, 楊海龍, 等. 耐高溫隔熱材料組合結構模擬研究與試驗驗證[J]. 宇航材料工藝, 2014, 44(1): 92-96.

WANG Xiaoting, ZHANG Hongbo, YANG Hailong, et al. High temperature resistant heat insulating material simulation and experimental verification[J]., 2014, 44(1): 92-96.

[11] 夏吝時, 齊斌, 田寧, 等. 石英燈電熱特性建模分析及測試方法研究[J]. 紅外技術, 2015, 37(10): 877-882.

XIA Linshi, QI Bin, TIAN Ning, et al. Study on modeling analysis and testing method of electro-thermal properties quartz lamp[J]., 2015, 37(10): 877-882.

[12] 萬強, 賈陽, 劉敏. 調節(jié)紅外燈高度改善不均勻度的方法研究[J]. 航天器環(huán)境工程, 2003, 20(1): 31-34.

WAN Qiang, JIA Yang, LIU Min. Research on height adjustment of infrared lamps for their uniformity optimization[J]., 2003, 20(1): 31-34.

[13] 齊斌, 婁文忠, 田寧, 等. 防熱試驗用高溫超聲速燃氣流場熱環(huán)境分析[J]. 宇航材料工藝, 2014,44(1): 30-35.

QI Bin, LOU Wenzhong, TIAN Ning, et al. The thermal-environment analysis of high temperature and supersonic flow field for thermal protection system test[J]., 2014, 44(1): 30-35.

The Thermal-environment Analysis of Flat Quartz Lamp Heater System for Thermal Protection & Insulation Test

XIA Linshi1，QI Bin1,2，ZHANG Xin1，ZOU Yanghui1

(1. Hypersonic Vehicle Thermal Protection & Insulation Technology Center, Beijing Institute of Space Long March Vehicle, Beijing 100076, China; 2. School of mechanical engineering of Beijing Institute of Technology, Beijing 100086, China)

In order to screen out the optimum material or evaluate material capability in the domain of hypersonic vehicle thermal protection and insulation, the Monte-Carlo method was used to analyze the thermal environment(radiation characteristics) of flat quartz lamp heater system. Focusing on water-cooled reflector area, distance between reflector and lamps array, heat source density,spacing of the heating surface material and lamps array, and other factors on the radiation thermal field with the typical heat insulating material surface temperature distribution and heat flux were simulated.

heat protective & insulating material，Monte-Carlo method，quartz lamp heater，temperature distribution

TM923

A

1001-8891(2016)07-0617-05

2016-01-07；

2016-02-01.

夏吝時（1984-），男，碩士，工程師，研究方向：飛行器地面防隔熱試驗及試驗技術。E-mail：994677279@qq.com。