路梓照，崔英偉，閆旭東

（1.天津航天瑞萊科技有限公司，天津 300301； 2.北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076）

引言

隨著飛行器設(shè)計(jì)速度大幅提高，其氣動(dòng)熱環(huán)境也變得越來越嚴(yán)酷。嚴(yán)酷的氣動(dòng)熱環(huán)境產(chǎn)生的高溫，會(huì)顯著降低材料的強(qiáng)度極限。為保證飛行器的安全，明確氣動(dòng)熱環(huán)境對(duì)材料的影響，必須進(jìn)行地面力熱聯(lián)合試驗(yàn)，模擬飛行時(shí)氣動(dòng)熱情況。在力熱環(huán)境耦合作用下分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力、熱變形等力學(xué)性能參數(shù)的變化對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠性的影響。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图拜d荷條件

力熱聯(lián)合試驗(yàn)研究對(duì)象為高溫合金局部件。在飛行過程中局部件承受氣動(dòng)載荷及氣動(dòng)加熱的影響。高溫合金局部件形狀不規(guī)則，試驗(yàn)件外形見圖1。

在局部件初步設(shè)計(jì)階段，采用工程算法與CFD程序求解方程相結(jié)合的方法預(yù)測(cè)局部件瞬態(tài)表面熱流[1]。根據(jù)熱流分布及材料選取，地面熱試驗(yàn)將局部件簡化為2個(gè)溫區(qū)進(jìn)行控制。其中區(qū)域I為前緣區(qū)，區(qū)域II為大面積區(qū)。兩個(gè)溫區(qū)溫度環(huán)境曲線見圖2。

圖2 溫度控制曲線

根據(jù)主動(dòng)段最大動(dòng)壓情況，通過仿真軟件進(jìn)行計(jì)算，試驗(yàn)過程中高溫合金局部件最大載荷1 500 N，加載方向示意圖見圖1。

圖1 高溫合金局部件示意圖

2 試驗(yàn)方案

2.1 氣動(dòng)熱載荷模擬

石英燈、石墨加熱器、碳硅加熱器、電弧燈加熱器等是結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)熱輻射加載的主要手段。石墨加熱器、電弧燈加熱器等加熱試驗(yàn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)較高的溫度及熱流密度，但其溫升速度比較慢且熱慣性大，不適用于非線性高溫變率的加熱模擬要求。石英燈輻射加熱器最大的有點(diǎn)是加熱性能良好，溫度范圍寬，熱慣性小可控性好，易于根據(jù)試驗(yàn)件外形及加熱要求隨形設(shè)計(jì)，因此石英燈輻射加熱是進(jìn)行熱試驗(yàn)加熱模擬常用手段[1]。

高溫合金局部件區(qū)域I和區(qū)域II的熱流區(qū)別較大，溫區(qū)熱流不相同，地面熱環(huán)境試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)需要滿足不同溫區(qū)加熱要求，同時(shí)滿足不同區(qū)域溫度場過渡連續(xù)，區(qū)域II需要設(shè)計(jì)短燈管排列布置，區(qū)域I需要設(shè)計(jì)隨形的石英燈加熱器來滿足試驗(yàn)需求。

試驗(yàn)時(shí)，在高溫合金局部件區(qū)域II上下大端面布置兩個(gè)平板式石英燈加熱系統(tǒng)，主要由多個(gè)石英燈管組成加熱燈陣，燈陣通過銅制匯流排進(jìn)行并聯(lián)，匯流排為水冷結(jié)構(gòu)，加熱的同時(shí)接入直流電源和循環(huán)水，匯流排通過定制陶瓷環(huán)和專用夾具固定到水冷反射板上，水冷反射板為不銹鋼中空結(jié)構(gòu)，反射面涂有高反涂層。區(qū)域I前緣區(qū)小端面布置隨形石英燈高熱流加熱系統(tǒng)。

氣動(dòng)熱載荷模擬系統(tǒng)示意圖見圖3。分別在區(qū)域II和區(qū)域I選取特征點(diǎn)作為溫度控制點(diǎn)，采用石英燈輻射加熱技術(shù)，特征點(diǎn)溫度作為分區(qū)控制反饋，通過調(diào)節(jié)石英燈功率實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度載荷的閉環(huán)控制[2]?？刂圃硎疽鈭D見圖4所示。

圖3 石英燈紅外輻射加熱系統(tǒng)示意圖

圖4 控制原理示意圖

2.2 力載荷施加

力熱聯(lián)合試驗(yàn)中力載荷施加，需要同時(shí)考慮力載荷加載裝置與熱加載系統(tǒng)之間的相互影響，保證力載荷的準(zhǔn)確加載，同時(shí)減少對(duì)溫度場的影響，以保證氣動(dòng)熱載荷的模擬效果。

高溫合金局部件載荷施加時(shí)的約束夾具以及加載夾具，要求具有足夠的強(qiáng)度和剛度，不允許出現(xiàn)安裝松動(dòng)和明顯變形。為避免接觸傳熱導(dǎo)致試驗(yàn)件局部溫度降低或影響夾具性能，夾具與試驗(yàn)件之間安裝隔熱板，根據(jù)試驗(yàn)最高溫度，選擇陶瓷纖維板進(jìn)行隔熱，減少溫度場對(duì)力載荷施加裝置的影響，以保證試驗(yàn)?zāi)M的效果。靜力載荷點(diǎn)簡化為集中力，對(duì)高溫合金局部件實(shí)現(xiàn)拉伸方向加載。靜力加載系統(tǒng)和熱加載系統(tǒng)按真實(shí)飛行時(shí)序，同步完成加載。

3 試驗(yàn)測(cè)量

3.1 溫度測(cè)量

高溫合金局部件區(qū)域I和區(qū)域II布置溫度傳感器，一方面作為溫度控制點(diǎn)控制加載溫度，一方面檢測(cè)局部件關(guān)鍵位置溫度變化。

力熱試驗(yàn)中接觸式溫度傳感器一般選用熱電偶傳感器。熱電偶由兩個(gè)不同材料的金屬線A和B組成，其溫度測(cè)量回路由熱電偶、補(bǔ)償導(dǎo)線及測(cè)量儀表構(gòu)成。熱電偶溫度傳感器包括K型、S型、B型、T型，其中S型和B型熱電偶測(cè)量溫度較高，但成本也較高，而K型熱電偶測(cè)溫范圍寬、靈敏度高、價(jià)格比較便宜、復(fù)現(xiàn)性好。結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)一般選用K型熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)量。試驗(yàn)件為金屬表面，熱電偶采用儲(chǔ)能焊的方式安裝。

3.2 位移測(cè)量

測(cè)量試驗(yàn)件在外載作用下的變形，是驗(yàn)證試驗(yàn)件強(qiáng)度和剛度、檢驗(yàn)試驗(yàn)件的承載能力的重要依據(jù)。

位移測(cè)量常采用的方式包括接觸式測(cè)量和非接觸式激光測(cè)量，非接觸式位移測(cè)量量程范圍小，高溫試驗(yàn)時(shí)容易被強(qiáng)烈光線干擾，造成較大測(cè)量誤差，不適用熱試驗(yàn)高溫環(huán)境下位移測(cè)量。綜合測(cè)量精度要求、試驗(yàn)成本及試驗(yàn)條件，選用接觸式位移傳感器進(jìn)行位移測(cè)量[3]。

接觸式直線位移計(jì)通過與被測(cè)試驗(yàn)件接觸，試驗(yàn)件產(chǎn)生位移時(shí)，帶動(dòng)位移計(jì)探頭運(yùn)動(dòng)，把機(jī)械運(yùn)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。為避免高溫對(duì)直線式位移計(jì)探頭產(chǎn)生干擾，影響測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性，在直線式位移計(jì)探頭前端固定耐高溫的石英玻璃桿，石英玻璃桿線膨脹系數(shù)小，受高溫影響小，通過石英玻璃桿接觸被測(cè)結(jié)構(gòu)，提高位移測(cè)量精度。位移測(cè)量系統(tǒng)示意圖如圖6所示。

圖5 力載荷施加系統(tǒng)示意圖

圖6 位移測(cè)量系統(tǒng)示意圖

3.3 應(yīng)變測(cè)量

高溫應(yīng)變片熱輸出測(cè)試是高溫應(yīng)變片測(cè)試前的一個(gè)重要工作，熱輸出測(cè)試精度影響了高溫應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)的修正精度。高溫應(yīng)變片熱輸出的影響因素主要包括溫升速率、試件材料等。當(dāng)溫度變化速率較低時(shí)，溫升速率對(duì)高溫應(yīng)變片熱輸出影響較小，一般只需考慮試件材料的影響。而飛行器的氣動(dòng)熱環(huán)境一般溫升速率較高，快達(dá)幾度每秒甚至幾十度每秒，因此高溫合金局部件應(yīng)變測(cè)試需要對(duì)應(yīng)變片瞬態(tài)熱輸出進(jìn)行分析。

尹福炎[4]、郝慶瑞[5]均研究了溫升速率對(duì)應(yīng)變片的性能影響，瞬態(tài)加熱條件下應(yīng)變片溫度特性的變化，實(shí)質(zhì)是試件與應(yīng)變片之間產(chǎn)生的溫差，從而引入一個(gè)修正項(xiàng) 。修正項(xiàng)應(yīng)預(yù)先測(cè)定應(yīng)變計(jì)穩(wěn)態(tài)熱輸出及試件材料的線膨脹系數(shù)，并且在實(shí)際試驗(yàn)中同時(shí)測(cè)出試件表面溫度和應(yīng)變片溫度，利用這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)運(yùn)算，求得高溫應(yīng)變片實(shí)驗(yàn)室的瞬態(tài)熱輸出。由于高溫應(yīng)變片粘接劑、基底材料的性能等因素的影響，基于理論公式計(jì)算瞬態(tài)熱輸出引入的誤差較大，本試驗(yàn)?zāi)M瞬態(tài)熱強(qiáng)度試驗(yàn)的真實(shí)加熱條件及溫升率，對(duì)高溫應(yīng)變片的瞬態(tài)熱輸出進(jìn)行標(biāo)定。

熱輸出測(cè)試及后續(xù)力熱聯(lián)合試驗(yàn)的應(yīng)變片選擇美國威世的高溫箔式應(yīng)變片，粘接劑選用DKS-8高溫型水泥膠。瞬時(shí)熱輸出的試件采用高溫合金局部件相同材料，用焊接的絲式K型熱電偶測(cè)量熱輸出試件表面溫度，應(yīng)變片接線方式為三線制。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)時(shí)，采用K型熱電偶測(cè)量試驗(yàn)件的表面溫度，通過比較溫度控制系統(tǒng)的溫度輸入，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功率輸出，以此控制被測(cè)對(duì)象表面溫度。通過測(cè)力傳感器測(cè)量施加力載荷，通過比較力載荷系統(tǒng)的載荷輸入，調(diào)節(jié)力加載大小。通過測(cè)力、溫度傳感器采用閉環(huán)控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣動(dòng)載荷的高精度控制。

通過試驗(yàn)得到了高溫合金局部件溫度分布、力載荷加載情況及位移、應(yīng)變數(shù)據(jù)。溫度測(cè)量曲線及力載荷控制曲線見圖8、9。

圖8 力熱聯(lián)合試驗(yàn)溫度測(cè)量曲線

圖9 力熱聯(lián)合試驗(yàn)力載荷控制曲線

5 結(jié)論

通過本試驗(yàn)技術(shù)的研究，形成了一套適合高溫合金局部件的力熱聯(lián)合試驗(yàn)技術(shù)和方法。采用石英燈搭建分區(qū)控溫輻射加熱系統(tǒng)模擬溫度載荷，采用軸向加載方式模擬氣動(dòng)力載荷。考核了高溫合金局部件特性，獲得溫度、應(yīng)變等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為后續(xù)進(jìn)行類似結(jié)構(gòu)件的力熱聯(lián)合試驗(yàn)提供技術(shù)參考。