用于热声联合试验的加热器、试验装置及试验方法与流程

本发明属于声疲劳试验领域，具体涉及一种用于热声联合试验的弧形石英灯加热器、热声联合试验装置及试验方法。

背景技术：

高超声速飞行器具有高机动性、远距离精确打击等特点，可有效地减少攻击时间，增强突防和反防御能力，是国际航空航天领域的重要发展方向之一。同时，其飞行服役环境极端苛刻，由推进系统/边界层产生的高声强噪声，局部区域超过180db。

从20世纪60年代开始，北京强度环境研究所、中科院声学所、中国飞机强度研究所等针对飞机的金属壁板结构，开展了室温噪声试验/声疲劳试验，并制定了相关设计标准。2000年以后，一些高校针对航空发动机和尾喷管结构开展了部分相关理论和数值分析研究，而热噪声疲劳试验开展较少，国内相关的研究也处于刚刚起步阶段，与之对应的相关试验技术(各种载荷施加、试验测量、数据分析等)发展也较为缓慢。

石英灯加热器是飞行器结构热试验中广泛使用的加热方式，其最大优点是热惯性小且便于控制。目前许多国家的试验室仍以使用石英灯辐射加热器为主。从飞行器结构研究观点出发，采用石英灯进行结构热试验应用最为广泛。随温度的不断上升，电子元器件失效率增大幅度迅速变大，呈现出指数函数规律，必须承认加热设计对设备安全不可忽视的重要作用。热设计的目的在于使元器件的温度不超过规定的数值，且所选择的冷却方法应符合设备工作环境的要求。

技术实现要素：

本发明的目的：提供一种用于热声联合试验的弧形石英灯加热器，一方面，所设计的加热器可以显著提高目前的加热能力，且加热过程稳定，满足温度允差要求；另一方面，其对声场的均匀性影响较小。

本发明的技术方案：一方面，提供一种用于热声联合试验的加热器，所述加热器包括均为弧形结构的第一水冷腔体1、第二水冷腔体2；

第一水冷腔体1、第二水冷腔体2之间安装多个石英灯管，以形成弧形加热器，用于对不规则的试验件进行加热；

第一水冷腔体1、第二水冷腔体2上设置有进水口、出水口，用于对石英灯管两端夹持件进行冷却；所述第一水冷腔体1、第二水冷腔体2的两端均连接有底盖3，底盖3用于支撑水冷腔体。

可选地，所述加热器还包括：对应分别设置在第一水冷腔体1、第二水冷腔体2侧壁的第一压板4、第二压板5，用于固定石英灯管的连接线缆。

可选地，所述加热器还包括：固定连接两个底盖的连接定位板7。

另一方面，提供一种用于热声联合试验的试验装置，包括如上所述的加热器，还包括行波管，所述加热器固定安装于行波管的试验段；所述行波管声场均匀性的允差在±3db。

可选地，所述加热器还包括：与底盖3端部固定连接的安装角片8，安装角片8与行波管试验段侧壁进行连接。

可选地，所述加热器的温度控制精度在±50℃。

再一方面，提供一种热声联合试验的试验方法，利用如上所述的试验装置，所述试验方法包括：

步骤一、根据试验件尺寸选择对应的行波管；根据加热温度确定石英灯管距离试验件表面的距离，加热温度越高，石英灯管需距离试验件表面越近；

步骤二、搭建加热平台：行波管试验段上预留相应的冷却水管出口以及石英灯管电线出线口，安装加热器；

步骤三、加热系统调试：检查冷却水路是否正常工作、输入低电压检查石英灯管是否正常工作；

步骤四、进行热声联合试验：利用行波管进行噪声加载、利用加热器对试验件进行加热。

可选地，石英灯管之间轴距在10mm至20mm、石英灯管安装位置距试验件表面40mm至80mm。

本发明的技术效果：目前在进行多场试验时，由于场地、设备等条件的限制，需要依托噪声试验环境来搭载其他加载装置，行波管作为提供掠入射声场的主要试验装置，与其他加载试验装置协调安装，提供一种热声联合试验装置。

随着多场试验条件的日益严酷，温度加载的要求也越来越高，传统的多场试验采用将加热器放置在行波管外的方式，透过石英玻璃利用热辐射进行加热。该加热方式虽然现场安装比较方便但无法提供更高的加热温度，也无法为外形不规则的试验件提供较好的加热环境。

相比于传统多场耦合试验中的加热器设计方案，本发明中提出的弧形加热器的设计方案，利用将加热器置于行波管内部的方式提供更高的加热温度，以满足日益增长的试验需求，同时区别于传统试验件的平直外形，又提出了采用弧形加热器的方式来匹配不规则的试验件外形，从而达到较好的加热效果，进一步提高了试验能力。

本发明可以为高超声速飞行器的相关多场耦合试验提供较好的加热环境，进一步满足日益增长的试验载荷需求，对多场耦合试验技术的发展具有重要的指导意义。

附图说明

图1为弧形加热器组成的正视示意图；

图2为弧形加热器组成的轴侧示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例，提供一种用于热声联合试验的弧形石英灯加热器，结合图1和图2所示，其中图1为弧形加热器组成的正视示意图、图2为弧形加热器组成的轴侧示意图，该弧形石英灯加热器包括第一水冷腔体1和第二水冷腔体2，第一水冷腔体1和第二水冷腔体2均为弧形结构。第一水冷腔体1、第二水冷腔体2之间安装多个石英灯管；第一水冷腔体1和第二水冷腔体2的侧边安装有灯管夹头，石英灯管通过灯管夹头安装。形成的弧形加热器用于对不规则的试验件进行加热。

第一水冷腔体1和第二水冷腔体2上设置有进水口、出水口，进水口、出水口连接水管6，用于对石英灯管两端的灯管夹头进行冷却。

第一水冷腔体1、第二水冷腔体2的两端均连接有底盖3，底盖3用于支撑水冷腔体，同时便于石英灯管的线缆穿过底盖与石英灯管连接。本实施例的四个底盖3，两两与连接定位板7固定连接。

此外，第一水冷腔体1、第二水冷腔体2的侧壁对应分别设置有第一压板4、第二压板5，用于固定石英灯管的连接线缆以及灯管夹头。

实施例2

本实施例，提供一种用于热声联合试验的试验装置，包括如实施例1所述的加热器，此外还包括行波管。本实施例的行波管可以为常见的行波管，包括喇叭段、试验段和消声段三部分，弧形加热器安装在行波管的试验段腔体内。

本实施例，弧形加热器的底盖3端部固定连接有安装角片8，安装角片8与行波管试验段侧壁进行连接。

此外，本实施例行波管声场均匀性的允差在±3db。根据热声联合试验的载荷要求，本试验装置需要安装在行波管内并提供热载荷，且要求不得对试验声场的均匀性造成过大的影响，将允差设定为±3db。

具体地，本实施例，第一水冷腔体1、第二水冷腔体2之间可安装47根石英灯管，灯管之间轴距10mm至20mm不等；第一水冷腔体1、第二水冷腔体2分别有2根进水口和2根出水口，用于水冷腔体通水来冷却灯头夹持端。本实施例，加热器尺寸为570mm×400mm×900mm，进出水管及出线槽伸出行波管的顶面及底面。石英灯管安装位置距试验件表面40mm至80mm不等，可提供不低于800℃的加热温度。

本实施例，首先将装置安装进入行波管内部，由安装角片8进行固定，可通过调整其安装角片8的位置来调整灯管与试验件的距离，一方面避免距离过近导致试验过程中灯管发生爆裂，另一方面也避免距离过远导致加热温度达不到试验要求。

使用时将石英灯管逐根安装，由灯管夹头进行夹持安装，引线从旁边引出，由下方的四个方形出线槽伸出行波管底部。灯管安装完成后压紧盖板，保证试验过程中灯管的夹持稳定，之后连接入水管与出水管，为加热器提供冷却。

实施例3

本实施例，利用如实施例2所述的试验装置，提供一种热声联合试验的试验方法，具体试验方法如下所示：

步骤一、选择行波管。根据试验件的尺寸选择对应的行波管试验装置，根据加热温度确定灯管距离试验件表面的距离，加热温度越高，石英灯管需距离试验件表面越近，同时考虑石英灯管本身正常工作的外部环境温度条件，距离试验件过近会导致辐射的热量经试验件表面反射后对灯管本身产生影响，如此便可确定加热器的尺寸参数。

步骤二、搭建加热平台。在行波管试验装置上预留相应的冷却水管出口以及石英灯管电线出线口。安装时，先后将试验件、加热器安装到位。安装加热器时需保证安装稳固可靠，以免加载噪声的过程中产生振动而影响试验效果。

步骤三、加热系统调试。在进行正式试验前，检查冷却水路是否正常工作，确认不存在渗水、漏水现象；输入低电压检查石英灯管是否正常工作；确认现场测试环境安全，且人员与测试设备均保持在安全距离之外。

步骤四、进行热声联合试验。调试完成后开始正式试验，按照试验要求的载荷逐步加载，试验过程分为升温段、保持段和降温段。做好试验数据采集、记录工作。整个过程可利用摄像机记录现场情况，试验完成后检查加热器工作的可靠性。在试验过程中关注加热器以下性能指标：

(1)设计的水冷系统能否满足冷却要求，保证在整个试验过程中灯管夹头处温度是否过高引起灯管爆裂而影响试验结果；

(2)一体化弧形灯管的排布形式是否导致温区之间互相存在热辐射干扰过大的现象，导致加热过程无法满足温度控制曲线的要求；加热器的温度控制精度在±50℃；

(3)满足加热条件的同时需要保证安装进入行波管的加热器对声场的均匀性不会造成过大的影响，允差应在要求的范围内。

步骤五、效果分析。试验结束后发现，由于温度过高对试验段侧盖板造成了一定的影响，本次热声联合试验的行波管侧面盖板采用普通不锈钢0cr18ni9，可考虑采用耐热性能更好的合金材料进行试验。其他试验结果如下：

(1)拆除盖板后发现加热器安装稳固，工作正常，未出现松动。石英灯管完好，未在加热过程中出现爆裂情况；

(2)试验结束后发现，试验过程中各个传声器的测量值均满足允差要求，声场均匀性未受到置于行波管内加热器的影响，满足使用要求；

(3)分析对比加热数据后发现，相比于要求的温度控制曲线，实际加热曲线基本满足控制精度要求(±50℃)。