魯亮
(中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所,四川 綿陽 621900)
飛機(jī)、載人航天器、導(dǎo)彈等飛行器在快速飛行階段,除了承受慣性載荷外,還承受氣動(dòng)熱載荷的共同作用[1-5]。單一環(huán)境參數(shù)作用下,會(huì)導(dǎo)致飛行器產(chǎn)生1種或多種不同影響,而多種環(huán)境因素的共同作用則可能對(duì)飛行器性能指標(biāo)造成綜合性、復(fù)雜的影響。如慣性載荷使飛行器出現(xiàn)超重現(xiàn)象,高溫環(huán)境容易誘發(fā)電子器件功能失效,在高溫、熱應(yīng)力及慣性載荷的共同作用下,飛行器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生變形,甚至影響運(yùn)動(dòng)部件的正常工作等[6-10]。因此,環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)如GJΒ 150A 及美軍標(biāo)MIL-STD-810H 中均指出,綜合環(huán)境試驗(yàn)可能比一系列連續(xù)的單個(gè)試驗(yàn)更能代表實(shí)際環(huán)境效應(yīng),使用環(huán)境中遇到這些條件時(shí),可進(jìn)行綜合環(huán)境試驗(yàn)。
美、歐各國(guó)自20 世紀(jì)起,先后建立了各類熱-離心綜合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備[11-14]。如約翰遜宇航中心、愛德瓦茲空軍基地等研究機(jī)構(gòu)均具備開展最大加速度≥30g、最高加熱溫度≥100 ℃的熱-離心綜合環(huán)境試驗(yàn)?zāi)芰?,但更多?xì)節(jié)性資料未見報(bào)道。國(guó)內(nèi)方面,張海軍[15]、何聞等[16-20]利用溫度箱研制了最大加速度為10g的小型樣機(jī),并采用有限元分析的辦法建立了密封艙體結(jié)構(gòu)離心加速度與熱的耦合關(guān)系式。韓澈[21]、王智勇等[22-24]、夏剛等[25]對(duì)熱-離心耦合機(jī)理進(jìn)行了分析,指出此種耦合是客觀存在的,很難直接消除,提出可使用強(qiáng)迫對(duì)流等辦法提高溫度場(chǎng)均勻性。2014年,北京強(qiáng)度環(huán)境研究所采用石英燈及石墨加熱器,研制了熱-離心綜合試驗(yàn)設(shè)備,形成了最大加速度≥100g、最高加熱溫度≥600 ℃的試驗(yàn)?zāi)芰?。然而,飛行器在快速飛行階段響應(yīng)溫度呈現(xiàn)梯度分布特征,目前熱-離心綜合環(huán)境試驗(yàn)中還未見溫度梯度分布模擬的相關(guān)報(bào)道。
綜上所述,熱-離心綜合環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)手段還十分缺乏。相對(duì)于離心環(huán)境下溫度穩(wěn)態(tài)控制,基于產(chǎn)品動(dòng)態(tài)升溫過程的熱模擬試驗(yàn)技術(shù)要求更為嚴(yán)格,尤其是針對(duì)產(chǎn)品溫升過程中熱梯度分布效應(yīng)的精確模擬,涉及離心環(huán)境下傳熱特征分析及熱加載方式設(shè)計(jì)、多場(chǎng)耦合環(huán)境下載荷協(xié)同加載及控制技術(shù)研究等。本文以飛行器產(chǎn)品熱-離心綜合環(huán)境試驗(yàn)任務(wù)為研究對(duì)象,對(duì)離心環(huán)境下熱載荷動(dòng)態(tài)加載方式進(jìn)行系統(tǒng)研究,研制了一套熱-離心綜合環(huán)境試驗(yàn)用熱控裝置,設(shè)計(jì)了驗(yàn)證試驗(yàn),并利用該試驗(yàn)裝置對(duì)模擬試驗(yàn)件進(jìn)行了熱-離心綜合環(huán)境試驗(yàn),提出了后續(xù)試驗(yàn)改進(jìn)方法,為飛行器產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估提供了技術(shù)支持。
熱控裝置主要用于飛行器熱-離心綜合環(huán)境試驗(yàn)考核,各項(xiàng)指標(biāo)設(shè)計(jì)應(yīng)適用于熱-離心綜合環(huán)境。最高加熱溫度方面,應(yīng)能夠滿足飛行器產(chǎn)品最大響應(yīng)溫度的熱模擬需求。同時(shí),考慮到飛行器產(chǎn)品不同部位受熱時(shí)呈現(xiàn)梯度分布特征,裝置應(yīng)具備基于響應(yīng)溫度的分區(qū)熱加載及控制能力。溫控指標(biāo)方面,目前尚未有現(xiàn)行的熱-離心綜合環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),可參考 GJΒ 150A 中溫度允差的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)。熱控裝置的各項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)是基于現(xiàn)有離心機(jī)設(shè)備,因此在加熱功率、設(shè)備體積、布局等方面應(yīng)結(jié)合實(shí)際離心機(jī)情況進(jìn)行綜合考慮。
裝置總體研制目標(biāo)如下:可實(shí)現(xiàn)三溫區(qū)加熱;單溫區(qū)具備10 kW 的加熱能力,輸出功率調(diào)節(jié)范圍為0.0~100.0%;單溫區(qū)加熱范圍滿足室溫~150 ℃,升溫速率在0~6 ℃/min 可調(diào)(典型試驗(yàn)件);設(shè)計(jì)冗余硬件,具備硬件容錯(cuò)功能;最大加速度可達(dá)90g。
裝置總體設(shè)計(jì)技術(shù)路線如圖1 所示。裝置設(shè)計(jì)時(shí),需滿足高g值離心環(huán)境熱加載可靠設(shè)計(jì)、產(chǎn)品相應(yīng)溫度梯度分布效應(yīng)模擬、試驗(yàn)過程熱載荷精確控制等要求。針對(duì)90g高g值離心環(huán)境對(duì)溫度場(chǎng)耦合效應(yīng)明顯的情況,設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)具體耦合情況進(jìn)行了分析,提出采用熱傳導(dǎo)方式的熱載荷加載設(shè)計(jì)方案,并同時(shí)開展載荷加載優(yōu)化設(shè)計(jì),提高熱加載的有效性和可靠性。分析了高g值環(huán)境下對(duì)熱控裝置的影響,提出了系統(tǒng)硬件及布局優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。為了滿足基于產(chǎn)品響應(yīng)溫度梯度分布效應(yīng)等效模擬的需求,開展了基于產(chǎn)品響應(yīng)溫度梯度分布特征的建模分析,從熱量大小進(jìn)行比較,給出分段包絡(luò)的條件設(shè)計(jì)方案。為了實(shí)現(xiàn)熱-離心綜合試驗(yàn)全歷程范圍溫度的高精度控制要求,借鑒模糊控制思想,設(shè)計(jì)了類模糊-分段自整定控制算法。
圖1 熱控裝置總體設(shè)計(jì) Fig.1 Overall design of thermal control device
2.1.1 基于熱傳導(dǎo)的載荷加載方式設(shè)計(jì)
熱-離心綜合環(huán)境試驗(yàn)過程中,離心機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì) 試驗(yàn)件周圍空氣分布造成明顯影響,考慮到現(xiàn)有離心機(jī)設(shè)備對(duì)加熱裝置空間、質(zhì)量、配電等方面的約束,不宜增設(shè)溫度箱或相關(guān)對(duì)流傳熱方式為主的熱控裝置。采用輻射式傳熱的加熱元件,如石英燈等是開展熱-離心綜合環(huán)境試驗(yàn)的方法之一。但由于輻射加熱方式所需功率較大,需要在離心機(jī)設(shè)備研制前進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃,且石英燈在離心機(jī)環(huán)境中存在燈管易碎、耐久程度低等情況,目前尚未見到其在90g及以上高g值離心環(huán)境下的應(yīng)用報(bào)道。采用熱傳導(dǎo)加熱方式,可以將加熱元件直接貼合在試驗(yàn)件表面。從熱傳遞路徑上進(jìn)行分析,加熱元件通電發(fā)熱,熱量通過傳導(dǎo)方式直接傳遞至試驗(yàn)件表面,傳熱路徑簡(jiǎn)單,傳熱過程受空氣場(chǎng)擾動(dòng)小,適用于離心場(chǎng)環(huán)境下開展基于產(chǎn)品響應(yīng)的溫度加載。
根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn),在具體試驗(yàn)過程中,受離心力、高溫的影響,加熱元件仍有可能出現(xiàn)移動(dòng)、脫落等情況。應(yīng)重點(diǎn)針對(duì)高g值環(huán)境下加熱元件的安裝固定工藝展開優(yōu)化設(shè)計(jì),解決的方式包括:1)試驗(yàn)前,對(duì)加熱元件強(qiáng)度進(jìn)行核算或性能驗(yàn)證,避免出現(xiàn)高g值試驗(yàn)過程中加熱元件斷裂毀壞的情況;2)若經(jīng)委托方允許,可提前定制與試驗(yàn)件外形尺寸匹配的加熱套,可利用夾具等完成加熱元件夾持固定方案設(shè)計(jì);3)若無法提前定制加熱套,可采取柔性加熱帶纏繞的方式,纏繞過程中,每層加熱帶應(yīng)單獨(dú)貼敷高溫膠帶固定,必要時(shí),還需要利用耐高溫打結(jié)繩等對(duì)柔性加熱帶進(jìn)行加固優(yōu)化設(shè)計(jì)。
2.1.2 熱控裝置的硬件實(shí)現(xiàn)
熱控裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示,系統(tǒng)由加載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)等部分組成。加載系統(tǒng)包括空氣開關(guān)、接觸器、調(diào)功器、加熱元件等,設(shè)計(jì)采用220 V-AC 供電,根據(jù)單溫區(qū)10 kW 加熱能力的設(shè)計(jì)目標(biāo),配置220 V-1P-50 A 調(diào)功器,接收從溫度控制器發(fā)送過來的功率輸出信號(hào),實(shí)現(xiàn)輸出功率的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)??刂葡到y(tǒng)包括現(xiàn)場(chǎng)溫度控制器,利用通訊功能與自研的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。溫度控制器實(shí)時(shí)采集試件相應(yīng)溫區(qū)的溫度信號(hào),并經(jīng)過基于試驗(yàn)條件的邏輯運(yùn)算,發(fā)出功率輸出信號(hào)給調(diào)功器。具體設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)考慮離心機(jī)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)環(huán)境,如電磁干擾、離心機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的接觸干擾等情況,具體考慮輸出信號(hào)類型。本設(shè)計(jì)選用了4~20 mA 標(biāo)準(zhǔn)控制信號(hào)作為功率輸出信號(hào)。
圖2 熱控裝置硬件結(jié)構(gòu) Fig.2 Hardware structure of thermal control device
2.1.3 高g 值離心環(huán)境硬件布局優(yōu)化設(shè)計(jì)
針對(duì)最大加速度綜合能力≥90g的使用場(chǎng)景需求,在2.1.1 節(jié)介紹了基于熱傳導(dǎo)的載荷加載方式設(shè)計(jì)。除此之外,高加速度環(huán)境對(duì)離心機(jī)上的設(shè)備儀器也會(huì)造成影響。在前期熱控裝置研制過程中,曾選擇將加載系統(tǒng)中的接觸器、調(diào)功器等元件放置在離心機(jī)轉(zhuǎn)軸位置,以減小離心轉(zhuǎn)動(dòng)影響。然而經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間離心轉(zhuǎn)動(dòng),仍出現(xiàn)部分儀器螺釘松脫等現(xiàn)象,為試驗(yàn)安全帶來隱患??紤]到熱-離心綜合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備涉及復(fù)雜的電氣接線、離心機(jī)上設(shè)備安裝空間約束等制約,疊加高g值離心環(huán)境下設(shè)備儀器仍無法避免地要受到離心環(huán)境的考核。為了保障試驗(yàn)的可靠性,通過不斷地布局優(yōu)化設(shè)計(jì),最終形成熱控裝置高g值條件下的硬件優(yōu)化布局方案,如圖3 所示。
圖3 高g 值離心環(huán)境熱控裝置布局結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) Fig.3 Layout structure optimization design of the high g-value centrifugal ambient thermal control device
圖3 所示的硬件優(yōu)化布局方案充分利用離心機(jī)滑環(huán)組件,將加載系統(tǒng)的空氣開關(guān)、接觸器、調(diào)功器等部件放置在地面配電間,利用功率環(huán),通過電纜將電源供給加熱元件。熱電偶信號(hào)的采集是通過熱電偶數(shù)字采集器,將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換至數(shù)字信號(hào),通過網(wǎng)線經(jīng)過信號(hào)環(huán)傳遞至地面監(jiān)控間的控制器。該布局設(shè)計(jì)將大部分硬件轉(zhuǎn)移至地面,大大減輕了離心機(jī)上空間的布局壓力,實(shí)現(xiàn)了離心機(jī)上熱控裝置輕量化設(shè)計(jì)的目標(biāo),提高了熱控裝置工作可靠性。
在飛行過程中,飛行姿態(tài)、不同部組件的材料和位置等不同,因此產(chǎn)品表面響應(yīng)溫度存在明顯差異。當(dāng)利用溫度箱等設(shè)備采取單溫區(qū)控溫時(shí),根據(jù)包絡(luò)設(shè)計(jì)原則,單溫區(qū)加熱時(shí)產(chǎn)品承受的熱量用Q1+Q2表示,如圖4 所示,Q2為產(chǎn)品承受的熱量過考核。針對(duì)熱敏感試驗(yàn)件,需要在考核充分的基礎(chǔ)上,減少過熱考核,以免造成試驗(yàn)件損壞。因此,為了更加真實(shí)地模擬試驗(yàn)件飛行過程中的熱響應(yīng)狀態(tài),本方案特別提出了基于分段包絡(luò)思想的熱加載條件設(shè)計(jì),如圖5所示。此時(shí),產(chǎn)品承受的熱量過考核為Q3+Q4+Q5,明顯小于Q2。因此,采取分段包絡(luò)思想的產(chǎn)品多溫區(qū)劃分,可以減少熱量對(duì)產(chǎn)品帶來的過試驗(yàn)考核,考核結(jié)果更加真實(shí)。在具體實(shí)施時(shí),分區(qū)數(shù)量還應(yīng)考慮硬件及工程實(shí)施等制約因素,在本設(shè)計(jì)中分區(qū)數(shù)取為3。
圖4 單溫區(qū)溫度加熱過沖分析 Fig.4 Temperature heating overshoot analysis of single temperature zone
圖5 三溫區(qū)溫度加熱過沖分析 Fig.5 Temperature heating overshoot analysis of three-temperature zone
熱-離心試驗(yàn)中,產(chǎn)品響應(yīng)溫升呈現(xiàn)大時(shí)滯、大滯后特性,疊加高加速度載荷耦合影響,構(gòu)成熱-離心綜合試驗(yàn)系統(tǒng)特有的過程溫升控制問題。首先開展了高g值、寬溫域條件下的溫度控制技術(shù)研究,利用階躍法及參數(shù)整定公式建立了不同溫度區(qū)間的參數(shù)基值,借鑒了模糊控制的思想,設(shè)定了閾值及控制參數(shù)自推理邏輯,完成了類模糊-分段參數(shù)自整定控制算法研究,如圖6 所示。同時(shí),針對(duì)典型溫升條件,根據(jù)熱力學(xué)第一定律,明確熱傳遞路徑,對(duì)控制模型進(jìn)行耦合-擾動(dòng)簡(jiǎn)化分析。完成特定升溫條件下溫區(qū)耦合影響分析及控制參數(shù)匹配設(shè)計(jì)。
圖6 類模糊-分段參數(shù)自整定控制算法設(shè)計(jì) Fig.6 Design diagram of a self-tuning control algorithm for class fuzzy-segmented parameters
3.1.1 模擬試驗(yàn)件簡(jiǎn)介
為了考核熱控裝置的設(shè)計(jì)性能指標(biāo),利用模擬試驗(yàn)件開展了熱-離心綜合環(huán)境熱控裝置功能指標(biāo)驗(yàn)證試驗(yàn)。模擬試驗(yàn)件材料選用2A12 高強(qiáng)度硬鋁材質(zhì),設(shè)計(jì)為圓錐體結(jié)構(gòu),壁厚設(shè)計(jì)為2 mm,大端底部打孔供柔性加熱帶輔助安裝。利用Ansys workbench 軟件對(duì)模擬試驗(yàn)件開展了150 ℃、90g應(yīng)用場(chǎng)景的受力安全性分析,結(jié)果滿足試驗(yàn)需求。
3.1.2 試驗(yàn)條件設(shè)計(jì)
1)試驗(yàn)方向定義。試驗(yàn)方向的定義如圖7 所示,其中,O表示試驗(yàn)件質(zhì)心,OX表示軸向,OY表示法向,OZ表示側(cè)向。
圖7 試驗(yàn)方向定義 Fig.7 Definition of experiment direction
2)加速度載荷條件設(shè)計(jì)。OX向加速度為65.1g,OY向加速度為65.1g,OZ向加速度為0g,合成加速度為92g。保載時(shí)間為3 min。加速度載荷控制基準(zhǔn)點(diǎn)為試驗(yàn)件的質(zhì)心位置,試驗(yàn)載荷控制按照 GJΒ 150.15A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第15 部分:加速度試驗(yàn)》的相關(guān)要求執(zhí)行。
3)溫度載荷條件設(shè)計(jì)。如圖7 所示,將試驗(yàn)件劃分為3 個(gè)區(qū)域,分別以試驗(yàn)件殼體內(nèi)壁A、Β、C三個(gè)點(diǎn)為溫度控制點(diǎn),控制試驗(yàn)加載條件見表1。高溫試驗(yàn)載荷控制按照GJΒ 150.3A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第3 部分:高溫試驗(yàn)》的相關(guān)要求執(zhí)行,溫度控制允差為±2 ℃。
表1 試驗(yàn)加載條件 Tab.1 Loading conditions of experiment ℃
4)綜合時(shí)序設(shè)計(jì)。開展熱-離心綜合環(huán)境試驗(yàn)時(shí),首先進(jìn)行溫度加載。當(dāng)溫度加載至1 500 s 時(shí),按照加速度載荷條件運(yùn)行離心機(jī),同時(shí)繼續(xù)升溫。當(dāng)離心機(jī)達(dá)到最大加速度載荷(92g)后,加速度保載3 min。然后離心機(jī)卸載,溫度停止加熱。
3.2.1 試驗(yàn)過程
按照載荷加載條件,利用該熱控裝置完成了熱-離心綜合環(huán)境功能指標(biāo)驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)起始溫度為35 ℃,歷時(shí)2 150 s,最大加速度為92g,保載時(shí)間為3 min,最高加熱溫度為150 ℃,最大升溫速率≥3 ℃/min。升溫過程中,溫度誤差優(yōu)于±1.5 ℃。
3.2.2 溫度加載結(jié)果及分析
三溫區(qū)溫升及溫升偏差曲線如圖8 所示??梢钥闯?,溫度升溫過程中,各溫區(qū)溫度實(shí)際值根據(jù)設(shè)定值進(jìn)行升溫,期間溫度偏差值優(yōu)于±1.5 ℃。未見高溫加熱區(qū)域(Β、C 區(qū))對(duì)低溫加熱區(qū)域(A 區(qū))的耦合影響,熱控裝置加載結(jié)果滿足試驗(yàn)要求。加熱前,溫度偏差最大值出現(xiàn)在初始加熱升溫階段,這是由于初始加熱段溫度目標(biāo)值從恒溫段變化至變溫段造成的。其后溫升偏差出現(xiàn)減小的趨勢(shì),說明溫度加載能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫升目標(biāo)的快速跟隨。根據(jù)溫度偏差數(shù)據(jù),離心機(jī)速度對(duì)溫度加載的影響不明顯。
圖8 溫升及溫升偏差曲線 Fig.8 Temperature rise (a) and temperature rise deviation (b) curves
三溫區(qū)功率輸出百分比變化情況及溫升偏差曲線如圖9 所示。可以看出,溫度升溫過程中,加熱500~1500 s 升溫段期間(即初始升溫段穩(wěn)定后至離心機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)前),熱控裝置加熱輸出百分比波動(dòng)范圍為24%~42%。室溫至150 ℃升溫段期間,最高加熱輸出百分比未超過55%,說明150 ℃以下溫度區(qū)間,熱控裝置輸出狀態(tài)穩(wěn)定,且留有較大裕量。1 500 s 以后(110 ℃以上升溫段期間),各溫區(qū)加熱功率出現(xiàn)振蕩增加的現(xiàn)象。分析原因是,離心機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng),造成強(qiáng)制對(duì)流散熱效應(yīng)增強(qiáng),控制系統(tǒng)需要增加輸出功率以繼續(xù)升溫。溫度上升造成散熱增強(qiáng),需要更大的功率以維持繼續(xù)升溫速率。Β、C 溫區(qū)之間的功率輸出百分比相近,變化趨勢(shì)一致,是由Β、C 溫區(qū)升溫條件、加熱元件的相似性決定的。Β、C 溫區(qū)與A 溫區(qū)功率輸出百分比進(jìn)行比較,A 溫區(qū)功率輸出百分比最低,但與Β、C 溫區(qū)未形成明顯差異。造成這一現(xiàn)象的原因可能是,溫區(qū)加熱條件最低,導(dǎo)致輸出功率最低,輸出功率差異并未與溫度差異成比例對(duì)應(yīng)關(guān)系,還需從復(fù)雜結(jié)構(gòu)傳/散熱、迎背風(fēng)面等角度開展進(jìn)一步分析。
圖9 加熱輸出百分比情況 Fig.9 Heating output percentage: a) power;b)temperature deviation
以飛行器產(chǎn)品飛行過程熱-離心綜合環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)為背景,開展了熱-離心綜合環(huán)境試驗(yàn)用熱控裝置設(shè)計(jì)。采用基于熱傳導(dǎo)的載荷加載方式設(shè)計(jì),減少了傳熱過程中受到的溫場(chǎng)擾動(dòng)。完成了熱控裝置的硬件實(shí)現(xiàn)及空間布局優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了離心機(jī)上熱控裝置的輕量化設(shè)計(jì),提高了熱控裝置工作的可靠性。提出了基于分段包絡(luò)思想的產(chǎn)品響應(yīng)溫度梯度分布效應(yīng)模擬方法及實(shí)現(xiàn),可以更真實(shí)地模擬飛行器飛行過程中的熱響應(yīng)狀態(tài)。利用熱控裝置樣機(jī)完成了熱-離心綜合環(huán)境模擬試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果證明,研制的熱控裝置能夠針對(duì)模擬試驗(yàn)件開展高g值熱-離心綜合環(huán)境試驗(yàn),可為高g值熱-離心綜合環(huán)境試驗(yàn)研究提供技術(shù)支持。