一种攻角可调的平板模型气动热-振动联合试验装置的制作方法

1.本发明涉及高速飞行器防热结构材料热环境试验技术领域，尤其是涉及一种攻角可调的平板模型气动热-振动联合试验装置。


背景技术：

2.近些年来，高速飞行器已经成为世界各主要航天大国研究的热点，是涉及到国家安全与国防实力的战略性武器，同时也是综合国力的体现。随着飞行器设计马赫数的提高，飞行器面临的气动加热环境越来越恶劣，例如，当高速飞机以马赫数为3作超低空飞行时，其翼前缘驻点温度即可达到500℃以上，当飞行器马赫数接近4时，表面温度可达700℃。然而除了防热问题外，飞行器在工作时还面临着着剧烈的振动环境，且热环境与振动环境的耦合效应日益严重。热-振联合试验就是在这种背景下发展起来的结合了热环境和振动环境对防热材料进行综合环境考核的新的试验方式。
3.针对高速飞行器不同部位面临的差异性高温服役环境，需要采用不同的热防护材料对飞行器结构进行热防护。例如，飞行器机身大面积采用钛合金等作为其承力结构，为达到防热目的，常在其表面喷涂或粘接复合材料防热涂层，其中防热材料的粘接工艺在高温和振动载荷共同作用下是否安全可靠，是否会导致防热涂层的开裂及剥落关乎到飞行器的飞行安全，此外，某些烧蚀型防热涂层通过表层材料的烧蚀带走热量达到热防护的目的，热-振联合试验可有效考核表面烧蚀后的材料能否及时与内部未烧蚀的部分分离脱落。
4.现有的热-振联合试验，飞行器的振动环境一般为随机振动，频率范围20-2khz，热-振联合试验中，使用振动台实现振动载荷的加载，标准振动台及配套的功率放大器一般体积比较大，对电源和工作环境要求比较高，整个安装和拆解比较麻烦，运行噪声也比较大。而热防护材料的考核一般取一小块平板材料，例如100*100mm的试验件。利用现有的试验装置对平板模型进行气动热环境下的振动考核十分不便。
5.因此，设计一套小型平板模型气动热-振联合试验系统面临非常迫切的需求。


技术实现要素：

6.为了克服现有热-振联合试验装置的不足，本发明设计了一种攻角可调的平板模型气动热-振动联合试验装置。该装置能模拟气动加热环境且平板模型和来流攻角可调，具有体积小，操作简单，测试效率高，安装和拆卸方便的优点。
7.本发明提供一种攻角可调的平板模型气动热-振动联合试验装置，包括：底座、攻角可调的气动热试验组件、振动试验组件和plc控制系统；所述攻角可调的气动热试验组件安装在所述振动试验组件上，所述振动试验组件安装在所述底座上；所述plc控制系统分别与所述攻角可调的气动热试验组件和所述振动试验组件连接。
8.进一步，所述攻角可调的气动热试验组件包括：模型固定框、平板模型、水冷框、电弧加热器、筋板、模型固定底板和图像监测装置；所述模型固定框与所述筋板相邻固定在所述模型固定底板上；所述平板模型一侧与所述模型固定框连接，另一侧与所述水冷框连接；
所述电弧加热器与所述平板模型连接；所述模型固定底板与所述振动试验组件连接，且所述模型固定底板上开有弧形孔；所述图像监测装置与所述plc控制系统连接。
9.进一步，所述电弧加热器的喷管出口为矩形，其出口尺寸与所述平板模型的尺寸相适配。
10.进一步，所述图像监测装置包括：红外热像仪与高速相机，所述红外热像仪与所述高速相机均设置在所述平板模型靠近所述水冷框一侧，用于对所述平板模型表面温度分布和形貌变化进行实时测量。
11.进一步，所述图像监测装置包括：红外热像仪与高速相机，所述红外热像仪与所述高速相机均设置在所述平板模型靠近所述水冷框一侧，用于对所述平板模型表面温度分布和形貌变化进行实时测量。
12.进一步，所述振动试验组件包括：振动控制仪、功率放大器、激振器、转接架、刚性连接杆、振动台组件、加速度传感和刚性导引杆；所述振动控制仪与所述plc控制系统连接；所述功率放大器接受所述振动控制仪的信号并驱动所述激振器工作；所述刚性连接杆的一端与所述转接架连接，另一端与所述振动台组件连接；所述转接架通过螺栓与所述激振器连接，所述激振器固定安装在所述底座上；所述加速度传感器设置在所述筋板上，且所述加速度传感器测量的响应信号反馈到所述振动控制仪上；所述刚性导引杆一端固定在所述平板模型背面的小孔内，另外一端与所述加速度传感器连接。
13.进一步，所述光轴组件包括：光轴、光轴支座和滑块；所述水平滑台通过螺栓固定在所述滑块上；所述光轴支座通过螺栓固定在所述滑台底板上，所述光轴首先插入所述滑块内，然后插入到所述光轴支座上的圆孔内。
14.进一步，所述光轴设置有两根，且每根所述光轴上均设置有两个滑块，并且在每根光轴的两端均设置有所述光轴支座。
15.进一步，所述底座包括：一个高台面和一个低台面；所述滑台底板固定安装在所述底座的高台面上；所述激振器固定安装在所述底座的低台面上。
16.进一步，还包括隔热板，所述隔热板穿设在所述刚性连接杆上，且固定在所述底座的低台面上。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：该装置能模拟气动加热环境且来流攻角可调，具有体积小，操作简单，测试效率高的优点，为高速飞行器热防护材料在气动热-振动耦合环境下的防热及可靠性验证验证提供了有效的地面试验装置。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本发明攻角可调的平板模型气动热-振动联合试验装置结构示意图；
20.图2为本发明攻角可调的平板模型气动热-振动联合试验装置总装配图；
21.图3为本发明攻角可调的平板模型气动热-振动联合试验装置局部装配图。
22.附图标记说明：
23.1：模型固定框；2：平板模型；3：水冷框；4：喷管；5：红外热像仪；6：高速相机；7：模型固定底板；8：滑台保护板；9：水平滑台；10：光轴支座；11：滑台底板；12：光轴；13：滑块；14：底座；15：隔热板；16：刚性连接杆；17：plc控制系统；18：振动控制仪；19：功率放大器；20：激振器；21：转接架；22：筋板；23：加速度传感器；24：刚性导引杆。
具体实施方式
24.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
26.此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
27.如图1至图3，本发明提供了一种攻角可调的平板模型气动热-振动联合试验装置，包括：底座14、攻角可调的气动热试验组件、振动试验组件和plc控制系统17。攻角可调的气动热试验组件安装在振动试验组件上，振动试验组件安装在底座14上，plc控制系统17分别与攻角可调的气动热试验组件和振动试验组件连接。
28.如图1所示，攻角可调的气动热试验组件包括：模型固定框1、平板模型2、水冷框3、电弧加热器4、筋板22、模型固定底板7和图像监测装置。平板模型2由金属背板和防热涂层组成，且防热涂层边缘距四周金属背板的距离为20mm。电弧加热器4的选择有管式低焓电弧加热器、分段中焓电弧加热器或叠片高焓电弧加热器。电弧加热器4的喷管出口为矩形，其出口尺寸与平板模型2的尺寸相适配。水冷框3靠近来流方向一侧厚度要和防热涂层厚度基本相同，水冷框3远离来流的一侧厚度要小于防热涂层厚度3mm。
29.模型固定框1与筋板22相邻焊接在模型固定底板7上，螺栓依次穿过水冷框3和平板模型2上的通孔固定在模型固定框1上。利用电弧加热器4取代现有热-振联合试验中的石英灯对平板模型2加热。电弧加热器4对空气进行加热，所获得的超声速气流的最高温度可达3000～6000℃，远远超过石英灯以及石墨加热器等装置的加热能力。利用超声速高温热气流对平板模型2表面加热的同时还能模拟出材料表面受到的剪切效应，试验环境与材料的真实服役环境更为接近。
30.如图3所示，模型固定底板7通过螺栓与振动试验组件连接，且模型固定底板7上开
有弧形孔，平板模型2在模型固定底板7的带动下可通过弧形孔调整攻角，攻角范围-5
°
～15
°
之间。通过转动模型固定底板7的位置实现平板模型2与来流攻角的调控，可模拟更多的试验工况。攻角变化过程中电弧加热器4的出口边缘要和水冷框3的边缘尽量贴近，距离控制在5mm以内。
31.图像监测装置与plc控制系统17连接。图像监测装置包括：红外热像仪5与高速相机6。红外热像仪5实时监测平板模型2表面的温度，高速相机6实时监测平板模型2表面的微观形貌变化。红外热像仪5与高速相机6均设置在平板模型2靠近水冷框3一侧。红外热像仪5光谱响应范围为7.5μm～14μm，测温范围为-40℃～2000℃，分3档：-40℃～120℃，0℃～500℃和250℃～2000℃。为获得高频振动条件下平板模型2表面清晰形貌，高速相机6的采集频率不低于5000帧。
32.如图1所示，在一个更优选的实施例中，振动试验组件包括：振动控制仪18、功率放大器19、激振器20、转接架21、刚性连接杆16、振动台组件、加速度传感23和刚性导引杆24。激振器20的工作频率范围0-2.5khz，激振力最大出力1kn。振动控制仪18可输出随机振动、正弦振动以及随机+正弦振动模式。为保证振动的有效传递，整个组合体应保证较大的刚度，转接架21的刚度要尽量大，其厚度要介于10～15mm之间，材质优先选用45#钢。刚性连接杆16的直径一般选用m8，长度45～70mm之间，材质优先选用45#钢。刚性导引杆24优先选用氧化硅或者氧化铝纤维陶瓷材质，直径优先选用6mm，长度控制在30～50mm之间。
33.振动控制仪18与plc控制系统17连接。振动控制仪18生成驱动信号通过功率放大器19放大来驱动振动台组件，同时通过平板模型2背面的加速度传感器23反馈控制使振动台组件按照给定的功率谱密度曲线工作。刚性连接杆16的一端通过螺栓与转接架21连接，另一端与振动台组件连接。转接架21通过螺栓与激振器20连接，激振器20通过螺栓固定在底座14上。加速度传感器23设置在筋板22上，且加速度传感器23测量的响应信号反馈到振动控制仪18上。刚性导引杆24一端通过高温固化胶固定在平板模型2背面金属板上的小孔内，另外一端通过粘接方式连接加速度传感器23。
34.如图1所示，在一个更优选的实施例中，振动台组件包括：滑台保护板8、水平滑台9、光轴组件以及滑台底板11。滑台保护板8的一侧与模型固定底板7连接，另一侧通过高温固化胶固定水平滑台9上。水平滑台9通过螺栓固定在光轴组件上，光轴组件固定在滑台底板11上。刚性连接杆16的一端与水平滑台9上的螺纹孔连接。
35.水平滑台9的体积和质量应尽量小，优选先尺寸为200*200*15mm，材质优先选用铝合金。沿水平方向开冷却水道，水道直径小于等于水平滑台9厚度的三分之二；同时水平滑台9的面积要大于等于光轴组件所围成的面积。滑台保护板8根据试验条件优先选用碳-碳复合材料或喷有防热涂层的莫来石纤维隔热瓦材料，且其尺寸要略微大于水平滑台9，厚度10mm左右。
36.如图1所示，在一个更优选的实施例中，光轴组件包括：光轴12、光轴支座10和滑块13。光轴12设置有两根，且每根光轴12上均设置有两个滑块13，并且在每根光轴12的两端均设置有光轴支座10。水平滑台9通过螺栓固定在四个滑块13上，光轴支座10通过螺栓固定在滑台底板11上，光轴12首先插入滑块13内，然后插入到光轴支座10上的圆孔内。
37.如图1所示，在一个更优选的实施例中，底座14包括：一个高台面和一个低台面。滑台底板11通过螺栓固定安装在底座14的高台面上。激振器20通过螺栓固定安装在底座14的
低台面上。
38.如图1所示，在一个更优选的实施例中，还包括隔热板15，隔热板15穿设在刚性连接杆16上，隔热板15通过高温固化胶固定在底座14的低台面上。隔热板15材料优先选用氧化硅或者氧化铝陶瓷纤维隔热瓦，最优厚度介于20mm～50mm之间。
39.本发明的工作原理为：首先在plc控制系统17上操作振动控制仪18输入振动目标谱，信号经过功率放大器19后驱动激振器20工作，加速度传感器23将水平滑台9上测量的响应信号反馈到振动控制仪18上，并与目标谱进行对比校正，得出新的驱动谱，如此反复，最终得到目标谱。然后，电弧加热器4通过电极之间击穿放电产生电弧，对进入加热器的空气等介质进行加热，经矩形喷管膨胀加速后形成超声速高温热气流，喷射在平板模型2的表面，红外热像仪5和高速相机6对模型表面温度分布和形貌变化进行实时测量。
40.本发明振动台组件均通过螺栓集成到底座14上，体积小巧，空间利用率高，可根据具体的试验任务，快速完成各组件的更换，有效提高了测试效率。本发明将高温模型的振动信号通过轻质陶瓷刚性导引杆24传递到低温区，利用常温加速度传感器23进行实时采集并反馈到振动控制仪18，完成整个闭环控制。克服了现有热-振联合试验过程中，控制传感器只能布置到振动台上的非受热区域的限制。
41.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。