一种提升高超声速飞行器结构热试验模拟精度的控制方法

本发明涉及航天航空复杂环境模拟，特别是一种提升高超声速飞行器结构热试验模拟精度的控制方法。

背景技术：

1、高超声速飞行器因其气动布局的差异，从而造成其面临非均匀气动热载荷环境。结构热试验是一种地面等效模拟高超声速飞行器气动热载荷的手段，因此针对高超声速飞行器非均匀气动热载荷环境，采用多温区结构热试验的布局方式进行地面加热模拟。

2、现有的结构热试验系统模型理论往往缺失，仅仅依靠其系统自身的输入输出，或者简单的进行单一温区的结构热试验系统建模，所建立的模型无法精确的诠释自身系统状态以及多温区耦合问题，从而造成地面模拟精度低的问题。

技术实现思路

1、鉴于上述提升高超声速飞行器结构热试验模拟精度的控制方法中存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明所要解决的问题在于如何建立高超声速飞行器多温区结构热试验系统模型，从而可以系统地阐述多温区状态和耦合理论，提高地面模拟精度。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种提升高超声速飞行器结构热试验模拟精度的控制方法，其包括，基于交流调压电路，建立高超声速飞行器结构热试验多温区耦合时滞系统的输入电能表达式；基于热力学和传热学，建立高超声速飞行器结构热试验多温区耦合时滞系统的输出能量表达式；基于能量守恒定律，联立所述输入电能表达式和所述输出能量表达式建立高超声速飞行器结构热试验多温区耦合时滞系统模型。

4、作为本发明所述提升高超声速飞行器结构热试验模拟精度的控制方法的一种优选方案，其中：所述高超声速飞行器结构热试验多温区耦合时滞系统包括非接触辐射加热器、电功率调节装置、量热传感器、温度变送器。

5、作为本发明所述提升高超声速飞行器结构热试验模拟精度的控制方法的一种优选方案，其中：所述非接触辐射加热器为直线型碘钨丝石英灯，所述电功率调节装置为可控硅整流器，所述量热传感器为热电偶传感器以及所述温度变送器为热电偶输入隔离安全栅。

6、作为本发明所述提升高超声速飞行器结构热试验模拟精度的控制方法的一种优选方案，其中：所述高超声速飞行器结构热试验多温区耦合时滞系统输入的电能转化为所述非接触辐射加热器的电热能，所述高超声速飞行器以热辐射的形式吸收部分所述非接触辐射加热器的电热能。

7、作为本发明所述提升高超声速飞行器结构热试验模拟精度的控制方法的一种优选方案，其中：所述高超声速飞行器结构热试验多温区耦合时滞系统为纯阻性负载电路，则所述高超声速飞行器结构热试验多温区耦合时滞系统的输入电能表达式包括，第m个所述直线型碘钨丝石英灯的输入电能表达式为：

8、；

9、其中，为在时间时，第m个所述直线型碘钨丝石英灯输入的电能，为在时间时，第m个所述直线型碘钨丝石英灯输入的电压，为第m个所述直线型碘钨丝石英灯的灯丝电阻，为在时间时，第m个所述直线型碘钨丝石英灯输入的可控硅导通角，为在时间时，可控硅整流器输入第m个所述直线型碘钨丝石英灯电能的时滞时间。

10、作为本发明所述提升高超声速飞行器结构热试验模拟精度的控制方法的一种优选方案，其中：所述直线型碘钨丝石英灯以热传导、热对流、热辐射的形式向外输出能量，则所述高超声速飞行器结构热试验多温区耦合时滞系统的输出能量表达式包括，第m个直线型碘钨丝石英灯向外输出的热传导表达式为：

11、；

12、其中，为在时间时，第m个所述直线型碘钨丝石英灯向外输出的热传导，为第m个所述直线型碘钨丝石英灯的热传导系数，为在时间时，第m个所述直线型碘钨丝石英灯的温度，为在时间时，第m个所述直线型碘钨丝石英灯的温度场拉普拉斯算子，代表了温度场在空间中的二次分布，为在时间时，第m个所述直线型碘钨丝石英灯向外输出热传导的时滞时间；

13、第m个所述直线型碘钨丝石英灯向外输出的热对流表达式为：

14、；

15、为在时间时，第m个所述直线型碘钨丝石英灯向外输出的热对流，为第m个所述直线型碘钨丝石英灯的热对流系数，为第m个所述直线型碘钨丝石英灯表面积，为在时间时，第m个所述直线型碘钨丝石英灯的温度，为在时间时，第m个所述直线型碘钨丝石英灯向外输出热对流的时滞时间，为第m个所述直线型碘钨丝石英灯的初始温度；

16、第m个所述直线型碘钨丝石英灯向外输出的热辐射表达式为：

17、；

18、为在时间时，第m个所述直线型碘钨丝石英灯向外输出的热辐射，为第m个所述直线型碘钨丝石英灯的热辐射系数，为斯蒂芬玻耳兹曼常数，为在时间时，第m个所述直线型碘钨丝石英灯的温度，为在时间时，第m个所述直线型碘钨丝石英灯热辐射的时滞时间。

19、作为本发明所述提升高超声速飞行器结构热试验模拟精度的控制方法的一种优选方案，其中：所述直线型碘钨丝石英灯还存在其自身的灯丝电阻热以及电流通过碘钨丝热膨胀产生的声能，则所述高超声速飞行器结构热试验多温区耦合时滞系统的输出能量表达式还包括，第m个所述直线型碘钨丝石英灯灯丝电阻热表达式为：

20、  ；

21、其中，为在时间时，第m个所述直线型碘钨丝石英灯灯丝产生的电阻热，为在时间时，第m个所述直线型碘钨丝石英灯电流值，是在时间时，第m个直线型碘钨丝石英灯灯丝产生电阻热的时滞时间；

22、第m个所述直线型碘钨丝石英灯灯丝热膨胀声能表达式为：

23、  ；

24、其中，为在时间时，第m个所述直线型碘钨丝石英灯灯丝热膨胀声能；为第m个所述直线型碘钨丝石英灯电流通过碘钨丝热膨胀产生声能的效率因子。

25、作为本发明所述提升高超声速飞行器结构热试验模拟精度的控制方法的一种优选方案，其中：所述高超声速飞行器结构热试验多温区耦合时滞系统中n个待测的高超声速飞行器试验件组受到m个所述直线型碘钨丝石英灯输出的热传导、热对流、热辐射多种形式能量耦合影响，则所述高超声速飞行器结构热试验多温区耦合时滞系统的输出能量表达式还包括，第n个待测的高超声速飞行器试验件吸收到第m个所述直线型碘钨丝石英灯输出的热辐射表达式为：

26、  ；

27、其中，为在时间时，第n个待测的高超声速飞行器试验件吸收到第m个所述直线型碘钨丝石英灯输出的热辐射；为第n个待测的高超声速飞行器试验件对第m个所述直线型碘钨丝石英灯输出热辐射的吸收因子；

28、第n个待测的高超声速飞行器试验件自身的内能表达式为：

29、  ；

30、其中，为在时间时，第n个待测的高超声速飞行器试验件自身的内能，为第n个待测的高超声速飞行器试验件材料的密度，为第n个待测的高超声速飞行器试验件材料的比热容，为在时间时，第n个待测的高超声速飞行器试验件的温度，为在时间时，第n个待测的高超声速飞行器试验件内部产生内能的时滞时间；

31、第n个待测的高超声速飞行器试验件向外输出的热传导表达式为：

32、；

33、其中，为在时间时，第n个待测的高超声速飞行器试验件向外输出的热传导，为第n个待测的高超声速飞行器试验件的热传导系数，为第n个待测的高超声速飞行器试验件的表面积，为在时间时，第n个待测的高超声速飞行器试验件的温度，为在时间时，第n个待测的高超声速飞行器试验件热传导的时滞时间，为第n个待测的高超声速飞行器试验件的初始温度；

34、第n个待测的高超声速飞行器试验件向外输出的热对流表达式为：

35、；

36、其中，为在时间时，第n个待测的高超声速飞行器试验件向外输出的热对流，为第n个待测的高超声速飞行器试验件的热对流系数，为在时间时，第n个待测的高超声速飞行器试验件的温度，为在时间时，第n个待测的高超声速飞行器试验件热对流的时滞时间；

37、第n个待测的高超声速飞行器试验件向外输出的热辐射表达式为：

38、；

39、其中，为在时间时，第n个待测的高超声速飞行器试验件向外输出的热辐射，为第n个待测的高超声速飞行器试验件的热辐射系数，为在时间时，第n个待测的高超声速飞行器试验件的温度，为在时间时，第n个待测的高超声速飞行器试验件热辐射的时滞时间。

40、作为本发明所述提升高超声速飞行器结构热试验模拟精度的控制方法的一种优选方案，其中：所述高超声速飞行器结构热试验多温区耦合时滞系统中m个所述直线型碘钨丝石英灯输出的能量对n个待测的高超声速飞行器试验件组进行多温区耦合作用，并基于能量守恒定律，联立所述输入电能表达式和所述输出能量表达式得到高超声速飞行器结构热试验多温区耦合时滞系统模型：

41、；

42、其中，为在时间时，m个直线型碘钨丝石英灯输入电能矩阵；为m个直线型碘钨丝石英灯向外输出的热传导耦合因子矩阵；为在时间时，m个直线型碘钨丝石英灯向外输出的热传导能量矩阵；为m个直线型碘钨丝石英灯向外输出的热对流耦合因子矩阵；为在时间时，m个直线型碘钨丝石英灯向外输出的热对流能量矩阵；为m个直线型碘钨丝石英灯向外输出的热辐射耦合因子矩阵；为在时间时，m个直线型碘钨丝石英灯向外输出的热辐射能量矩阵；为m个直线型碘钨丝石英灯灯丝电阻热耦合因子矩阵；为在时间时，m个直线型碘钨丝石英灯灯丝电阻热能量矩阵；为m个直线型碘钨丝石英灯灯丝热膨胀声能耦合因子矩阵；为在时间时，m个直线型碘钨丝石英灯灯丝热膨胀声能矩阵；

43、为m个直线型碘钨丝石英灯与n个待测的高超声速飞行器试验件组输出热辐射耦合因子矩阵；为在时间时，n个待测的高超声速飞行器试验件组自身的内能能量矩阵；为n个待测的高超声速飞行器试验件组向外输出的热传导耦合因子矩阵；为在时间时，n个待测的高超声速飞行器试验件组向外输出的热传导能量矩阵；为n个待测的高超声速飞行器试验件组向外输出的热对流耦合因子矩阵；为在时间时，n个待测的高超声速飞行器试验件组向外输出的热对流能量矩阵；为n个待测的高超声速飞行器试验件组向外输出的热辐射耦合因子矩阵；为在时间时，n个待测的高超声速飞行器试验件组向外输出的热辐射能量矩阵；为n个待测的高超声速飞行器试验件组向外输出的其他额外损失能量耦合因子矩阵；为在时间时，n个待测的高超声速飞行器试验件组向外输出的其他额外损失能量矩阵。

44、作为本发明所述提升高超声速飞行器结构热试验模拟精度的控制方法的一种优选方案，其中：将所述高超声速飞行器结构热试验多温区耦合时滞系统模型进行标准化转变，则所述系统模型的输入矩阵表达式为：

45、；

46、其中，为高超声速飞行器结构热试验多温区耦合时滞系统总输入矩阵，该矩阵各元素为：；

47、为所述高超声速飞行器结构热试验多温区耦合时滞系统中，m个所述直线型碘钨丝石英灯向外输出的热传导耦合矩阵；

48、为所述高超声速飞行器结构热试验多温区耦合时滞系统中，n个待测的高超声速飞行器试验件组自身的内能能量耦合矩阵；

49、为所述高超声速飞行器结构热试验多温区耦合时滞系统中，m个所述直线型碘钨丝石英灯向外输出的热对流和n个待测的高超声速飞行器试验件组向外输出的热传导、热对流耦合矩阵；

50、为所述高超声速飞行器结构热试验多温区耦合时滞系统中，m个所述直线型碘钨丝石英灯向外输出的热辐射和n个待测的高超声速飞行器试验件组吸收m个所述直线型碘钨丝石英灯向外输出的热辐射、n个待测的高超声速飞行器试验件组向外输出的热辐射耦合矩阵；

51、所述系统模型的输出矩阵表达式为：

52、；

53、其中，为高超声速飞行器结构热试验多温区耦合时滞系统总输出矩阵，该矩阵各元素为：, ， , ,,；

54、为高超声速飞行器结构热试验多温区耦合时滞系统总输出矩阵初始值，该矩阵各元素为： ， ， ， ， ，；

55、另外，所述系统模型的其他额外损失能量耦合矩阵表达式为：

56、；

57、为高超声速飞行器结构热试验多温区耦合时滞系统中，m个直线型碘钨丝石英灯灯丝电阻热、灯丝热膨胀声能和n个待测的高超声速飞行器试验件组向外输出的其他额外损失能量矩阵耦合矩阵，该矩阵各元素为： ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ，。

58、本发明有益效果为：本发明提出了一种高超声速飞行器多温区结构热试验系统建模方法，解决了现有高超声速飞行器结构热试验系统仅仅停留在单一温区理论模型，无法全面描述多维度系统状态，从而存在模拟精度低的问题。