【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于高超飞行器性能验证试验领域，具体涉及一种高超飞行器热防护材料和结构超高温环境性能验证装置。
技术介绍
1、随着我国航天器型号任务增加，在深空探测、超高飞行器和天地往返飞行器的型号任务研制过程中，高超飞行器飞行时由于气动加热，结构表面及其组件会遇到瞬态高温热环境，最大热流密度可达420个太阳常数，最高温度达1800℃，最短热冲击时长为1s，最长时长达1500s。需要在地面进行高热流模拟和高温度控制，对相关热防护材料和结构进行热性能试验验证。考核飞行器热防护设计在热环境中的适应性，通过地面试验发现热防护设计中的缺陷，优化热防护设计，考核热防护系统的功能特性，确保飞行任务的成功。为了能够完成此类试验任务，需要开展相关技术研究。
2、高温风洞造价高昂，受运行压力和功率限制，而且气流状态只能实现阶梯式控制，无法满足高超飞行器热防护结构件地面热模拟试验的需求。辐射加热主要采用石英灯、石墨加热器、电弧灯加热器等多种加热方式。是实现多温区、随时间历程变化、全尺寸/整机热试验的唯一试验方法。新型辐射加热元件的开发和研制，可逐步满足高超声速飞行器的高温、大加热功率的试验能力需求。与气流加热方法相比，辐射加热方法设备的建设和运行成本更经济，对于解决飞行器结构的传热、热变形、热匹配以及复合环境下的结构完整性方面具有独特的优势。
3、目前辐射加热领域，加热器所使用的热源手段主要有石英灯、硅碳加热器、硅钼加热器以及石墨加热器等。但是这类加热器的热惯性比较大、升降温速度比较慢，不能实现瞬态热流的模拟，更不能实现大热流突变
技术实现思路
1、为解决上述问题，本专利技术提供一种高超飞行器热防护材料和结构超高温环境性能验证装置，用于在地面模拟高超飞行器热防护材料和结构在飞行过程中结构外表面的超高温热环境，再现高超飞行器飞行过程中的结构外表面的换热特性，研究结构的温度场分布与变形响应，考核材料、结构在超高温热环境下的可靠性和完整性，发现热防护设计中的缺陷，优化热防护设计，为确保飞行任务的成功提供了技术支撑。
2、本专利技术目的是通过如下技术方案实现的：
3、本专利技术提供一种高超飞行器热防护材料和结构超高温环境性能验证装置，包括：
4、试验操作台；
5、带水冷挡板的模块化石英灯阵，安装在所述试验操作台上，包括红外灯阵，所述红外灯阵的辐照面垂直地面；
6、大量程带水冷管路的热流计，设置在所述带水冷挡板的模块化石英灯阵上，热流计的敏感面正对红外灯阵的辐照面，热流计的输出信号连接到温度/热流测量控制系统；
7、可快速移动的隔热挡板，安装在所述实验操作台上，隔热挡板平面与红外灯阵辐照面平行，隔热挡板平面面积比红外灯阵辐照面面积大，能够完全将红外灯阵发射处的红外光遮挡，用高温隔热组件将红外灯阵和隔热挡板围成一个密闭空间，红外灯阵的辐射热量只能辐射到隔热挡板上；
8、试验件，设置在所述可快速移动的隔热挡板远离所述带水冷挡板的模块化石英灯阵的一侧，试验件的受照面正对红外灯阵的辐照面，与红外灯阵辐照面平行，试验件上安装有温度传感器，温度传感器的输出连接到温度/热流测量控制系统；
9、水冷系统，分别与设置在红外灯阵和热流计上的水冷管路连接；
10、温度/热流测量控制系统，红外灯阵的输出功率值由温度/热流测量控制系统的功率调节器进行控制，试验热流值和试件上的温度值由温度/热流测量控制系统进行温度测量；
11、双作用气缸及其移动控制系统，用于带动隔热挡板上下快速移动。
12、进一步地，所述试验操作台为承载面积大于10m2的大型精密试验平台，台面的平面度不大于1mm/m2，台面上有规律地排布安装孔，可以方便安装各种试验设备。
13、进一步地，所述带水冷挡板的模块化石英灯阵中，红外灯为长500mm的u型红外灯，380vac供电，单灯功率7.5kw，共15支红外灯组成300mm×500mm的所述红外灯阵；红外灯阵辐照面的最大辐射功率达600kw/m2，在灯阵背面和灯阵四周设计了光亮反光屏，反射屏采取主动冷却设计，保证灯阵结构稳定性，同时为红外灯管提供一定冷却效果；对反射屏通水冷却，水冷反射屏能够在试验期间保证红外灯灯管的安全性，延长其使用寿命。
14、进一步地，所述大量程带水冷管路的热流计配备1支水冷式戈登热流计，测量量程为0-1mw/m2，热流计单独设计一路水冷回路，冷却回路进水与红外灯阵冷却回路分开设计，热流计冷却回路出水处安装流量计，热流计的信号输出引线与红外灯布局方向垂直，沿水冷管路引出红外灯阵，水冷管路在红外灯阵内部分用硅酸铝耐火纤维毡包覆。
15、进一步地，所述可快速移动的隔热挡板采用10mm的碳板，尺寸为600mm×400mm×10mm，碳板双面包覆硅酸铝耐火纤维毡进行隔热保温，碳板上部与双作用气缸的活塞杆连接，连接处采用99刚玉陶瓷管进行隔热连接。
16、进一步地，所述水冷系统包括水箱，水泵、止回阀、过滤网、转子流量计、分水器、集水器、供水管路和回水管路。
17、进一步地，模块化红外灯阵冷却供水管路流量为5l/min-10l/min，压力为0.3mpa，热流计冷却供水管路流量为0.15l/min-0.2l/min，压力位0.3mpa。
18、进一步地，所述温度/热流测量控制系统中，温度测量用铂铑10-铂热电偶，镍铬-镍硅热电偶和铜-康铜热电偶分别测量试验件表面、内部、背面的温度值；热流测量控制系统包括热流计，热流信号隔离放大器，pid控制器，大功率调节器等组成，实现热流值的精准控制。
19、进一步地，双作用气缸及其移动控制系统中，双作用气缸垂直安装在快速移动隔热挡板的正上方，活塞杆与快速移动隔热挡板连接，双作用气缸进气口通过三通方向控制阀连接到自动压缩空气机的出气口上。
20、进一步地，双作用气缸的行程大于500mm，运行速度大于500mm/s，双作用气缸进气口通过三通方向控制阀连接到自动压缩空气机的出气口上，通过改变气缸的供气方向，实现气缸带动隔热挡板在红外灯阵辐照面和试验件之间快速移动，实现试验辐照加载时间最短1s，最长1500s的瞬态热流模拟(热冲击)。
21、本专利技术的有益效果是：
22、本专利技术解决了辐射加热器热惯性大，不易实现热冲击等的瞬态模拟难题，实现了热流密度超600kw/m2，最小热冲击时间1s的关键技术指标，可再现高超飞行器飞行过程中的结构外表面的换热特性，研究结构的温度场分布与变形响应，考核材料、结构在热环境下的可靠性和完整性。
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1.一种高超飞行器热防护材料和结构超高温环境性能验证装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的高超飞行器热防护材料和结构超高温环境性能验证装置，其特征在于，所述试验操作台为承载面积大于10m2的大型精密试验平台，台面的平面度不大于1mm/m2，台面上有规律地排布安装孔，可以方便安装各种试验设备。
3.根据权利要求1所述的高超飞行器热防护材料和结构超高温环境性能验证装置，其特征在于，所述带水冷挡板的模块化石英灯阵中，红外灯为长500mm的U型红外灯，380VAC供电，单灯功率7.5KW，共15支红外灯组成300mm×500mm的所述红外灯阵；红外灯阵辐照面的最大辐射功率达600KW/m2，在灯阵背面和灯阵四周设计了光亮反光屏，反射屏采取主动冷却设计，保证灯阵结构稳定性，同时为红外灯管提供一定冷却效果；对反射屏通水冷却，水冷反射屏能够在试验期间保证红外灯灯管的安全性，延长其使用寿命。
4.根据权利要求1所述的高超飞行器热防护材料和结构超高温环境性能验证装置，其特征在于，所述大量程带水冷管路的热流计配备1支水冷式戈登热流计，测量量程为0-1M
5.根据权利要求1所述的高超飞行器热防护材料和结构超高温环境性能验证装置，其特征在于，所述可快速移动的隔热挡板采用10mm的碳板，尺寸为600mm×400mm×10mm，碳板双面包覆硅酸铝耐火纤维毡进行隔热保温，碳板上部与双作用气缸的活塞杆连接，连接处采用99刚玉陶瓷管进行隔热连接。
6.根据权利要求1所述的高超飞行器热防护材料和结构超高温环境性能验证装置，其特征在于，所述水冷系统包括水箱，水泵、止回阀、过滤网、转子流量计、分水器、集水器、供水管路和回水管路。
7.根据权利要求6所述的高超飞行器热防护材料和结构超高温环境性能验证装置，其特征在于，模块化红外灯阵冷却供水管路流量为5L/Min-10L/Min，压力为0.3MPa，热流计冷却供水管路流量为0.15L/Min-0.2L/Min，压力位0.3MPa。
8.根据权利要求1所述的高超飞行器热防护材料和结构超高温环境性能验证装置，其特征在于，所述温度/热流测量控制系统中，温度测量用铂铑10-铂热电偶，镍铬-镍硅热电偶和铜-康铜热电偶分别测量试验件表面、内部、背面的温度值；热流测量控制系统包括热流计，热流信号隔离放大器，PID控制器，大功率调节器等组成，实现热流值的精准控制。
9.根据权利要求1所述的高超飞行器热防护材料和结构超高温环境性能验证装置，其特征在于，双作用气缸及其移动控制系统中，双作用气缸垂直安装在快速移动隔热挡板的正上方，活塞杆与快速移动隔热挡板连接，双作用气缸进气口通过三通方向控制阀连接到自动压缩空气机的出气口上。
10.根据权利要求9所述的高超飞行器热防护材料和结构超高温环境性能验证装置，其特征在于，双作用气缸的行程大于500mm，运行速度大于500mm/s，双作用气缸进气口通过三通方向控制阀连接到自动压缩空气机的出气口上，通过改变气缸的供气方向，实现气缸带动隔热挡板在红外灯阵辐照面和试验件之间快速移动，实现试验辐照加载时间最短1s，最长1500s的瞬态热流模拟。
...【技术特征摘要】
1.一种高超飞行器热防护材料和结构超高温环境性能验证装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的高超飞行器热防护材料和结构超高温环境性能验证装置，其特征在于，所述试验操作台为承载面积大于10m2的大型精密试验平台，台面的平面度不大于1mm/m2，台面上有规律地排布安装孔，可以方便安装各种试验设备。
3.根据权利要求1所述的高超飞行器热防护材料和结构超高温环境性能验证装置，其特征在于，所述带水冷挡板的模块化石英灯阵中，红外灯为长500mm的u型红外灯，380vac供电，单灯功率7.5kw，共15支红外灯组成300mm×500mm的所述红外灯阵；红外灯阵辐照面的最大辐射功率达600kw/m2，在灯阵背面和灯阵四周设计了光亮反光屏，反射屏采取主动冷却设计，保证灯阵结构稳定性，同时为红外灯管提供一定冷却效果；对反射屏通水冷却，水冷反射屏能够在试验期间保证红外灯灯管的安全性，延长其使用寿命。
4.根据权利要求1所述的高超飞行器热防护材料和结构超高温环境性能验证装置，其特征在于，所述大量程带水冷管路的热流计配备1支水冷式戈登热流计，测量量程为0-1mw/m2，热流计单独设计一路水冷回路，冷却回路进水与红外灯阵冷却回路分开设计，热流计冷却回路出水处安装流量计，热流计的信号输出引线与红外灯布局方向垂直，沿水冷管路引出红外灯阵，水冷管路在红外灯阵内部分用硅酸铝耐火纤维毡包覆。
5.根据权利要求1所述的高超飞行器热防护材料和结构超高温环境性能验证装置，其特征在于，所述可快速移动的隔热挡板采用10mm的碳板，尺寸为600mm×400mm×10mm，碳板双面包覆硅酸铝耐火纤维毡进行隔热保温，碳板上部与双作用气缸的活塞杆连接...
【专利技术属性】
技术研发人员：安万庆，潘尚洁，夏超然，张宇昌，张羽，刘春，李超，刘哲，李高，
申请(专利权)人：北京卫星环境工程研究所，
类型：发明
国别省市：
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