大容积温度和压力可同步连续调节的高温热辐射试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及大容积温度和压力可同步连续调节的高温热辐射试验装置及方法，属于热真空试验技术领域，用于地面模拟飞行器由太空环境再入大气层飞行过程中外层防/隔热材料和结构所经受的真实气动热载荷和真空环境。本发明专利技术通过抽气系统真空管路A下游并联的a、b、c三条不同口径抽气管路上的可快速开闭电磁阀A、B、C与补气系统真空管路上的补气球阀的联动控制，成功实现了真空试验舱舱压的实时动态调节功能，解决了飞行器在轨和变轨机动飞行过程中所处不同高度轨道变化过程中压力环境的连续动态调节问题，在一定真空度范围内实现了试验舱真空度的连续精确调节，能够更为真实地模拟新一代飞行器再入大气层时的飞行环境。

【技术实现步骤摘要】
大容积温度和压力可同步连续调节的高温热辐射试验装置及方法
本专利技术涉及大容积温度和压力可同步连续调节的高温热辐射试验装置及方法，属于热真空试验
，用于地面模拟飞行器由太空环境再入大气层飞行过程中外层防/隔热材料和结构所经受的真实气动热载荷和真空环境。所述的大容积是指能够容纳1:1尺寸飞行器整体或局部结构的体积为100-130m3真空试验舱。
技术介绍
飞行器再入热环境地面模拟试验是研究气动加热和防/隔热问题的重要手段之一，相对飞行试验而言，地面试验具有成本低、可靠性高等优点。一方面，飞行器在飞行试验前必须经过地面试验的考核，并以考核结果作为是否能够开展飞行试验的判据。另一方面，为建立正确的数学物理模型，需要以试验为基础，用试验结果检验和验证理论计算的准确性，为设计者提供依据。同时，地面试验也是筛选防/隔热材料种类、确定防/隔热材料和结构性能和检验防/隔热产品质量的重要手段，是检验气动加热和防热设计可靠性和合理性的重要途径。近年来，随着飞行器飞行马赫数、轨道机动性和在轨飞行时间的不断提高，世界各航空航天大国为了提高热防护材料和组件的防/隔热性能，都在不断发展和提高地面模拟试验技术和能力，以便为新型飞行器热防护评价系统提供更为有效和可靠的技术支持。自上世纪60年代起，国外许多试验室均开始研制地面高温辐射式防/隔热试验系统，该时期所研制的加热器尺寸较小，多为“材料级”(长×宽外形尺寸100mm×100mm)，一般只能用于进行材料的筛选，在对飞行器局部结构进行热密封性能和热结构性能考核时，将导致飞行器结构内部产生较大的温度梯度，无法获得准确的温度数据，尤其对飞行器局部连接处的热结构、热密封性能考核试验的误差更大。上世纪90年代至今，随着飞行器飞行马赫数的不断提高和外层防/隔热材料与结构的不断更新，包括我国在内的世界各航空航天大国开始着眼于建设新型地面试验平台，将试验件尺寸从“材料级”增大至“缩比结构级”(长×宽外形尺寸1000mm×1000mm或Φ500mm×1500mm)，以便能够考核飞行器局部连接处的热结构、热密封性能，随着空气动力学的不断发展，现有飞行器的气动外形不断更新，使得飞行器的整体尺寸不断增大，为了获得更真实有效的试验数据，有试验者开始研制1:1尺寸的飞行器整体或局部结构的试验条件。早期的再入飞行器多为惯性再入弹道条件，其主要特点为再入时间短，飞行器外层防/隔热材料和结构不受总加热量的热累积效应影响，无需对其再入过程中的气压条件进行精确模拟，因此现有设备不具备试验舱舱压连续精确调节能力。而随着新一代飞行器再入过程中弹道条件的改变，需要做长时间在轨飞行和变轨机动飞行。飞行轨道高度的不断变化，使得飞行器所处环境的真空度也在连续变化，最终导致飞行器外层防/隔热材料的热物性参数和防/隔热结构的热传导性能也随真空度的变化而实时改变。因此想要在地面高温辐射式防/隔热试验系统的基础上，更为准确地模拟地面至距地面100km临近空间内不同轨道高度条件下的空间效应，必须要实现试验舱舱压随飞行器飞行轨道高度升降时的连续精确加载和调节功能。由于距地面100km至地面空间内大气密度的不断增加，飞行器外层防/隔热材料和结构在变轨飞行过程所承受的气动热载荷大小将与轨道高度的升降呈正相关趋势。并且在长时间在轨飞行时受总加热量的热累积效应影响，想要更为真实地模拟长时间再入过程中飞行器所处的热环境条件，必须要对热环境(温度)进行真空环境下的精确调节。因此，要高质量完成飞行器再入热环境地面模拟试验，必须同时完成真空度(舱压)和热载荷(温度)的实时精确加载和调节，即随时间变化的同步调节。尤其是复合材料制作的飞行器外层防/隔热产品在受热过程中内部填充物以气体形式从基体中挥发导致的放气量较大时，将对真空度的精确控制产生较大影响。必须通过技术创新保证一定放气量条件下的大容积试验舱内热载荷(温度)和真空度(压力)的同步连续调节效果，以更真实的模拟飞行器再入热环境。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出大容积温度和压力可同步连续调节的高温热辐射试验装置及方法，该系统能够对1:1尺寸飞行器整体或局部结构(含材料)的试验舱舱压及真空环境下高温热载荷(1000℃以上)随飞行器飞行轨道高度升降时的连续精确加载和同步调节。为了实现上述目的，本专利技术的技术解决方案是：大容积温度和压力可同步连续调节的高温热辐射试验装置，该试验装置包括控制系统、真空抽气系统、加热系统、冷却系统、补气系统、测量系统和真空试验舱，加热系统和冷却系统均位于真空试验舱内，控制系统、补气系统、真空抽气系统和测量系统位于真空试验舱外；所述的真空试验舱为试验件提供所需的试验环境，真空试验舱下游通过真空管路A和阀门与真空抽气系统连接，真空试验舱的上游通过真空管路D和阀门与补气系统连接；所述的控制系统与真空抽气系统、补气系统通过线缆连接，用于控制真空抽气系统和补气系统对真空试验舱内的压力调节，当需要真空试验舱内的压力降低时，通过增大真空抽气系统的抽气量同时减小补气系统的补气量来调节，当需要真空试验舱内的压力增加时，通过减小真空抽气系统的抽气量同时增大补气系统的补气量来调节；所述的控制系统与加热系统、冷却系统通过线缆连接，用于控制加热系统和冷却系统对真空试验舱内的温度调节；所述的补气系统包括补气主阀、补气球阀和减压阀，补气主阀的一端与真空试验舱之间通过真空管路连接，补气主阀的另一端与补气球阀的一端通过真空管路连接，补气球阀的另一端与减压阀的一端通过真空管路连接，减压阀的另一端与外界高压气源的输入端通过真空管路连接；所述的真空抽气系统包括闸板阀A、闸板阀B、换热器、电磁阀A、电磁阀B、电磁阀C、主抽阀A、主抽阀B、粗抽机组和分子泵组；粗抽机组包括两台罗茨泵；分子泵组包括一台分子泵和一台前级泵；闸板阀A的一端与真空试验舱通过真空管路A连接，闸板阀A的另一端与换热器的一端通过真空管路A连接，换热器的另一端与电磁阀A的一端通过直径为a的真空管路连接，换热器的另一端同时与电磁阀B的一端通过直径为b的真空管路连接，换热器的另一端同时还与电磁阀C的一端通过直径为c的真空管路连接，a＞b＞c；电磁阀A的另一端与主抽阀A的一端、主抽阀B的一端通过真空管路B连接，电磁阀B的另一端与主抽阀A的一端、主抽阀B的一端通过真空管路B连接，电磁阀C的另一端与主抽阀A的一端、主抽阀B的一端通过真空管路B连接；真空管路A的直径与真空管路B的直径相同，管径a、b、c三者的和不小于真空管路A的值；主抽阀A和主抽阀B的下游各连接一台罗茨泵；闸板阀B的一端与真空试验舱通过真空管路C连接，闸板阀B的另一端与分子泵的一端通过真空管路C连接，分子泵的另一端与前级泵通过真空管路C连接；所述的加热系统包括调功设备和加热器，调功设备根据控制系统发出的控制信号输出功率给加热器，加热器根据调功设备输入的功率给试验件进行加热；冷却系统用于对真空试验舱进行冷却；所述的测量系统通过温度传感器、线缆与加热系统连接，测量系统通过液体流量传感器、线缆与冷却系统连接，测量系统用于测量和记录真空试验舱内的温度和冷却系统中冷却水的流量；所述的测量系统通过压力传感器、线缆与真空抽气系统连接，测量系统通过气体流量本文档来自技高网...

【技术保护点】
大容积温度和压力可同步连续调节的高温热辐射试验装置，其特征在于：该试验装置包括控制系统、真空抽气系统、加热系统、冷却系统、补气系统、测量系统和真空试验舱，加热系统和冷却系统均位于真空试验舱内，控制系统、补气系统、真空抽气系统和测量系统位于真空试验舱外；所述的真空试验舱为试验件提供所需的试验环境，真空试验舱下游通过真空管路A和阀门与真空抽气系统连接，真空试验舱的上游通过真空管路D和阀门与补气系统连接；所述的控制系统与真空抽气系统、补气系统通过线缆连接，用于控制真空抽气系统和补气系统对真空试验舱内的压力调节，当需要真空试验舱内的压力降低时，通过增大真空抽气系统的抽气量同时减小补气系统的补气量来调节，当需要真空试验舱内的压力增加时，通过减小真空抽气系统的抽气量同时增大补气系统的补气量来调节；所述的控制系统与加热系统、冷却系统通过线缆连接，用于控制加热系统和冷却系统对真空试验舱内的温度调节；所述的补气系统包括补气主阀、补气球阀和减压阀，补气主阀的一端与真空试验舱之间通过真空管路连接，补气主阀的另一端与补气球阀的一端通过真空管路连接，补气球阀的另一端与减压阀的一端通过真空管路连接，减压阀的另一端与外界高压气源的输入端通过真空管路连接；所述的真空抽气系统包括闸板阀A、闸板阀B、换热器、电磁阀A、电磁阀B、电磁阀C、主抽阀A、主抽阀B、粗抽机组和分子泵组；粗抽机组包括两台罗茨泵；分子泵组包括一台分子泵和一台前级泵；闸板阀A的一端与真空试验舱通过真空管路A连接，闸板阀A的另一端与换热器的一端通过真空管路A连接，换热器的另一端与电磁阀A的一端通过直径为a的真空管路连接，换热器的另一端同时与电磁阀B的一端通过直径为b的真空管路连接，换热器的另一端同时还与电磁阀C的一端通过直径为c的真空管路连接，a＞b＞c；电磁阀A的另一端与主抽阀A的一端、主抽阀B的一端通过真空管路B连接，电磁阀B的另一端与主抽阀A的一端、主抽阀B的一端通过真空管路B连接，电磁阀C的另一端与主抽阀A的一端、主抽阀B的一端通过真空管路B连接；真空管路A的直径与真空管路B的直径相同，管径a、b、c三者的和不小于真空管路A的值；主抽阀A和主抽阀B的下游各连接一台罗茨泵；闸板阀B的一端与真空试验舱通过真空管路C连接，闸板阀B的另一端与分子泵的一端通过真空管路C连接，分子泵的另一端与前级泵通过真空管路C连接；所述的加热系统包括调功设备和加热器，调功设备根据控制系统发出的控制信号输出功率给加热器，加热器根据调功设备输入的功率给试验件进行加热；冷却系统用于对真空试验舱进行冷却；所述的测量系统通过温度传感器、线缆与加热系统连接，测量系统通过液体流量传感器、线缆与冷却系统连接，测量系统用于测量和记录真空试验舱内的温度和冷却系统中冷却水的流量；所述的测量系统通过压力传感器、线缆与真空抽气系统连接，测量系统通过气体流量传感器、线缆与补气系统连接，用于测量和记录真空试验舱内的压力、真空抽气系统的抽气量和补气系统的补气量；所述的测量系统通过线缆与控制系统连接，用于实时将真空试验舱内的温度、压力、冷却水流量、真空抽气系统的抽气量和补气系统的补气量反馈给控制系统。...

【技术特征摘要】
1.大容积温度和压力可同步连续调节的高温热辐射试验装置，其特征在于：该试验装置包括控制系统、真空抽气系统、加热系统、冷却系统、补气系统、测量系统和真空试验舱，加热系统和冷却系统均位于真空试验舱内，控制系统、补气系统、真空抽气系统和测量系统位于真空试验舱外；所述的真空试验舱为试验件提供所需的试验环境，真空试验舱下游通过真空管路A和阀门与真空抽气系统连接，真空试验舱的上游通过真空管路D和阀门与补气系统连接；所述的控制系统与真空抽气系统、补气系统通过线缆连接，用于控制真空抽气系统和补气系统对真空试验舱内的压力调节，当需要真空试验舱内的压力降低时，通过增大真空抽气系统的抽气量同时减小补气系统的补气量来调节，当需要真空试验舱内的压力增加时，通过减小真空抽气系统的抽气量同时增大补气系统的补气量来调节；所述的控制系统与加热系统、冷却系统通过线缆连接，用于控制加热系统和冷却系统对真空试验舱内的温度调节；所述的补气系统包括补气主阀、补气球阀和减压阀，补气主阀的一端与真空试验舱之间通过真空管路连接，补气主阀的另一端与补气球阀的一端通过真空管路连接，补气球阀的另一端与减压阀的一端通过真空管路连接，减压阀的另一端与外界高压气源的输入端通过真空管路连接；所述的真空抽气系统包括闸板阀A、闸板阀B、换热器、电磁阀A、电磁阀B、电磁阀C、主抽阀A、主抽阀B、粗抽机组和分子泵组；粗抽机组包括两台罗茨泵；分子泵组包括一台分子泵和一台前级泵；闸板阀A的一端与真空试验舱通过真空管路A连接，闸板阀A的另一端与换热器的一端通过真空管路A连接，换热器的另一端与电磁阀A的一端通过直径为a的真空管路连接，换热器的另一端同时与电磁阀B的一端通过直径为b的真空管路连接，换热器的另一端同时还与电磁阀C的一端通过直径为c的真空管路连接，a＞b＞c；电磁阀A的另一端与主抽阀A的一端、主抽阀B的一端通过真空管路B连接，电磁阀B的另一端与主抽阀A的一端、主抽阀B的一端通过真空管路B连接，电磁阀C的另一端与主抽阀A的一端、主抽阀B的一端通过真空管路B连接；真空管路A的直径与真空管路B的直径相同，管径a、b、c三者的和不小于真空管路A的值；主抽阀A和主抽阀B的下游各连接一台罗茨泵；闸板阀B的一端与真空试验舱通过真空管路C连接，闸板阀B的另一端与分子泵的一端通过真空管路C连接，分子泵的另一端与前级泵通过真空管路C连接；所述的加热系统包括调功设备和加热器，调功设备根据控制系统发出的控制信号输出功率给加热器，加热器根据调功设备输入的功率给试验件进行加热；冷却系统用于对真空试验舱进行冷却；所述的测量系统通过温度传感器、线缆与加热系统连接，测量系统通过液体流量传感器、线缆与冷却系统连接，测量系统用于测量和记录真空试验舱内的温度和冷却系统中冷却水的流量；所述的测量系统通过压力传感器、线缆与真空抽气系统连接，测量系统通过气体流量传感器、线缆与补气系统连接，用于测量和记录真空试验舱内的压力、真空抽气系统的抽气量和补气系统的补气量；所述的测量系统通过线缆与控制系统连接，用于实时将真空试验舱内的温度、压力、冷却水流量、真空抽气系统的抽气量和补气系统的补气量反馈给控制系统。2.根据权利要求1所述的大容积温度和压力可同步连续调节的高温热辐射试验装置，其特征在于：该试验装置还包括检漏设备和监视系统，监视系统位于真空试验舱内，检漏设备位于真空试验舱外；所述的检漏设备通过管路与真空试验舱相连，用于检测真空试验舱的泄漏率和寻找真空试验舱和真空管路上的泄漏点位置；所述的监视系统通过线缆与测量系统连接，用于记录真空试验舱内的试验状态和过程。3.根据权利要求1所述的大容积温度和压力可同步连续调节的高温热辐射试验装置，其特征在于：直径为c的真空管路的直径其中，c为真空管路的直径，ω为直径为c的真空管路中的介质的体积流量，v为直径为c的真空管路中的介质的流速。4.根据权利要求1所述的大容积温度和压力可同步连续调节的高温热辐射试验装置，其特征在于：在连接分子泵和前级泵的真空管路中间由带有KF25型快速接头的真空管路E连接检漏仪。5.根据权利要求1所述的大容积温度和压力可同步连续调节的高温热辐射试验装置，其特征在于：所述的加热系统中的加热器包括加热元件和水冷板，调功设备为10台可控硅类电源，单台100kW，每台调功设备对应一个加热器；加热器中的加热元件使用3000W石英灯，每个加热器中由33...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏吝时，齐斌，田宁，邹样辉，张凯，张利嵩，杨驰，曹宇清，岳晖，赵玲，那伟，曹知红，王镭，
申请(专利权)人：北京航天长征飞行器研究所，中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11