一种球面石墨加热器制造技术

本发明专利技术公开一种球面石墨加热器，包括石墨加热元件组、球面水冷反射板、水冷电极、陶瓷绝缘环、固定螺母和钼螺钉；陶瓷绝缘环安装在球面水冷反射板上，水冷电极安装在陶瓷绝缘环上穿过水冷反射板，由固定螺母将陶瓷环和水冷电极固定；石墨加热元件组通过钼螺钉安装在水冷铜电极上。石墨加热元件可以拼装成球面，顶部型号一形状为正六边形，构成中间区域的是型号二等腰梯形和型号三五边形，本发明专利技术方案采用拟合度更高、热流密度更均匀的球面石墨加热元件排布，针对不同试件调整能力强，对较低温度要求的试件，更换横截面更大、总电阻更小的石墨加热元件，降低输入功率；对较高温度要求的试件，更换横截面小总电阻更大的石墨加热元件，增大输入功率。增大输入功率。增大输入功率。

【技术实现步骤摘要】
一种球面石墨加热器


[0001]本专利技术属于飞行器地面结构热试验领域，具体涉及一种球面石墨加热器。

技术介绍

[0002]在飞行器地面结构热试验中，主要有两种辐射加热方式，石英灯管辐射加热和石墨辐射加热。石英灯管加热应用较早，但作为加热元件其加热温度不超过1300℃。石墨加热器具有更强的加热能力，加热温度可以达到2000℃以上。
[0003]随着高超声速飞行器的发展，飞行器的鼻锥头温度高达2000℃以上，石墨加热器能满足试验需求，因而更具应用前景。
[0004]通常石墨加热器由多个长条形元件并排组合形成，可以拼成平面或者柱面，无法很好地适应飞行器的球面鼻锥头加热需求。现有的球面石墨加热器有美国NASA的轨道飞行器鼻锥罩石墨加热器。而NASA球面石墨加热器采用三角形石墨加热元件，主要有三个问题：第一，三角形石墨加热元件顶角处发热低，多个元件拼接在一起后角对角产生更大的较低密度热辐射区域，热辐射不均匀。第二，三角形元件拼接成球面，元件数量多，造成需要更多的电极、石墨加热元件，更换麻烦。第三，其球面半径大、曲率小，多用于空间返回器热试验，对高超声速飞行器鼻锥弧面拟合度低。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是解决地面热试验中，国内没有针对高超声速飞行器鼻锥的球面石墨加热器，NASA三角形石墨加热器热流密度不均匀，弧面太大的问题，提供了一种多边形组成的球面石墨加热器。本专利技术石墨加热器理论加热温度高达2000℃～2600℃，辐射热流密度高达1～2.5MW/m2，可达到高超声速飞行器鼻锥加热的实验条件。
[0006]本专利技术是这样实现的：一种球面石墨加热器，包括石墨加热元件组、球面水冷反射板、水冷电极、陶瓷绝缘环、固定螺母和钼螺钉；陶瓷绝缘环安装在球面水冷反射板上，水冷电极安装在陶瓷绝缘环上穿过水冷反射板，由固定螺母将陶瓷环和水冷电极固定；石墨加热元件组通过钼螺钉安装在水冷铜电极上。
[0007]如上所述石墨加热元件组由三种型号组成，石墨加热元件可以拼装成球面；单个石墨加热元件的两端打有安装孔，通过钼螺钉安装在水冷电极上。每个石墨加热元件具有一对水冷电极。
[0008]如上所述球面水冷反射板中间设置有水冷流道，用冷却水循环来带走反射板受到的热量。
[0009]如上所述水冷板反射板表面抛光处理，进而提高水冷反射板反射率。
[0010]如上所述石墨加热元件有三种型号，共同拼成半球面。构成球面顶部的是一区石墨加热元件为型号一，形状为正六边形，数量为一个；构成中间区域的是二区石墨加热元件为型号二，形状为等腰梯形，数量为18个；补充五边形空缺区域的是三区石墨加热元件为型号三，型号三的形状为五边形，数量为6个。总共25个石墨加热元件共同构成球面。除了顶部
为型号一之外，其他都由型号二和型号三拼接而成，拼接的层的数量根据测试元件的测试要求确定。所述25个石墨加热元件拼接的加热面是除了顶部外有三层，主要是前端鼻锥部分。
[0011]本专利技术主要有益效果：针对高超声速飞行器的前端鼻锥部分，采用拟合度更高、热流密度更均匀的球面石墨加热元件的排布。球面反射板及球面元件排布对辐射热流有集中作用，大幅提高飞行器鼻锥试验温度。通过球面对焦点的集中，预计达到相比平面加热器翻倍的效果。
[0012]此球面石墨加热器针对不同试件调整能力强。根据试件的试验温度，可以调整石墨加热元件的截面积，调整输入功率。对较低温度要求的试件，更换横截面更大、总电阻更小的石墨加热元件，降低输入功率；对较高温度要求的试件，更换横截面小总电阻更大的石墨加热元件，增大输入功率。
[0013]根据飞行器鼻锥的具体形状，石墨加热器能一定程度地调整弧面，使加热面更加拟合飞行器鼻锥弧面。
附图说明
[0014]图1是本专利技术的一种球面石墨加热器的结构示意图；
[0015]图2是本专利技术的一种球面石墨加热器的剖视图；
[0016]图3是本专利技术的一种球面石墨加热器的正视图；
[0017]图4是本专利技术的一种球面石墨加热器的石墨加热元件型号一的正视图；
[0018]图5是本专利技术的一种球面石墨加热器的石墨加热元件型号二的正视图；
[0019]图6是本专利技术的一种球面石墨加热器的石墨加热元件型号三的正视图；
[0020]图7是本专利技术的一种球面石墨加热器的单个石墨加热元件结构的示意图的剖视图；
[0021]图8是本专利技术的一种球面石墨加热器的陶瓷绝缘环优化方案的剖视图；
[0022]图9是本专利技术的一种球面石墨加热器的石墨加热元件尺寸替换的示意图。
[0023]图中：1.石墨加热元件组，101.石墨加热元件型号一，102.石墨加热元件型号二，103.石墨加热元件型号三，2.水冷反射板，3.水冷电极，4.陶瓷绝缘环，5.钼螺钉，6飞行器鼻锥试件。
具体实施方式
[0024]下面结合附图和实施例对本专利技术进一步描述。
[0025]如图1、图2和图3所示，一种球面石墨加热器，包括石墨加热元件组1、球面水冷反射板2、水冷电极3、陶瓷绝缘环4、钼螺钉5和飞行器鼻锥试件6。
[0026]其中，石墨加热元件组1由石墨加热元件型号一101、石墨加热元件型号二102、石墨加热元件型号三103三种型号石墨加热元件拼成前端鼻锥球面部分。
[0027]以上所述球面的拼接方式为，一块石墨加热元件型号一101置于中心，六块石墨加热元件型号二102围绕石墨加热元件型号一的六条边，与其呈一定夹角，相邻石墨加热元件的两个临边平行，构成第二层；再取六块石墨加热元件型号二102与第二层六块长边相对且保持平行，与第二层每块石墨加热元件呈一定的角度，构成第三层；再取六块石墨加热元件
型号二102与第三层六块短边相对且保持平行，与第三层每块石墨加热元件呈一定的角度，构成第四层；最后，将六块石墨加热元件型号三103插入第三层和第四层石墨加热元件型号二的空当处，整体构成球面。
[0028]以上所述构成球面直径在700mm～1000mm之间，此直径范围能满足大多数高超声速飞行器鼻锥的加热需求。其理论输入功率达到3.4MW～7MW，有效加热功率经验值达到1.7MW～4.9MW，对于加热范围内的飞行器鼻锥试件满足1MW/m2～2.5MW/m2的实验需求。
[0029]以上所述夹角由构成的球面半径及石墨元件尺寸大小计算得出建议经验值为12.5
°
～25
°
。低于12.5
°
明显产生石墨元件层数过多，元件过多的问题；高于25
°
产生明显球面拟合度低的问题。一般单个石墨元件面积有限定范围，球面半径小单个石墨元件相对尺寸大，适当向上限值取夹角度数；反之球面半径大则单个石墨元件相对尺寸小，适当向下极限取夹角度数。
[0030]以上所述石墨加热元件采用车削成型，石墨材料种类不影响本专利技术的技术效果，每个石墨加热元件安装孔处是否具有加厚的凸台不影响本专利技术的技术效果。
[0031]如图1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种球面石墨加热器，其特征在于：包括石墨加热元件组、球面水冷反射板、水冷电极、陶瓷绝缘环、固定螺母和钼螺钉；陶瓷绝缘环安装在球面水冷反射板上，水冷电极安装在陶瓷绝缘环上穿过水冷反射板，由固定螺母将陶瓷环和水冷电极固定；所述石墨加热元件组由三种型号组成，石墨加热元件可以拼装成球面；单个石墨加热元件的两端打有安装孔，通过钼螺钉安装在水冷电极上；构成球面顶部的是一区石墨加热元件为型号一，形状为正六边形，数量为一个；构成中间区域的是二区石墨加热元件为型号二，形状为等腰梯形；补充五边形空缺区域的是三区石墨加热元件为型号三，型号三的形状为五边形；每个石墨加热元件具有一对水冷电极。2.根据权利要求1所述的一种球面石墨加热器，其特征在于：球面水冷反射板中间设置有水冷流道，用冷却水循环来带走反射板受到的热量；水冷板反射板表面抛光处理。3.根据权利要求1所述的一种球面石墨加热器，其特征在于：球面的拼接方式为，一块石墨加热元件型号一置于中心，六块石墨加热元件型号二围绕石墨加热元件型号一的六条边，与其呈一定夹角，相邻石墨加热元件的两个临边平行，构成第二层；再取六块石墨加热元件型号二与第二层六块长边相对且保持平行，与第二层每块石墨加热元件呈一定的角度，构成...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨卫民，朱好学，胡绍华，陈浩，杜立强，丁玉梅，
申请(专利权)人：北京强度环境研究所，
类型：发明
国别省市：