本发明涉及一种液体冷却夹层的卤素灯与模块化平面加热装置，适用于大面积复杂异型结构复杂热环境加热实验，可用于高超声速飞行器、航空发动机等极端热环境试验模拟。
背景技术：
在过去的几十年中，世界各国对高超声速飞行器越来越重视，我国高超声速飞行器的发展也正在寻求新的突破，飞行器高超声速飞行后出现的气动加热现象非常严重，飞机以马赫数3飞行时，其表面驻点温度就可高达500℃，马赫数为8-9的高超音速巡航导弹弹翼前缘温度将超过1200℃。由于气动热产生的高温，会降低材料的强度极限和飞行器结构的承载能力，使飞行器材料产生热变形，破坏部件的气动外形并影响安全飞行。为保证高速飞行器的安全，确认飞行器材料是否能经得起高速飞行时所产生的热冲击及高温热应力破坏，必须对高速飞行器所使用的材料与结构进行静、动态的气动热模拟试验与热-载联合试验。模拟飞行材料在高速飞行时的受热状况，测试并分析瞬态热冲击条件下材料的热强度、热应力、热变形、热膨胀量等高温力学性能参数的变化对飞行安全的影响。
目前对于高超声速飞行器大型复杂曲面气动加热实验问题，当前的方法为采用定制化加热设备，根据所需加热形面搭建与之适应的支架，支架间布置裸露的卤素灯加热管，对曲面进行加热测试。其中，卤素灯加热管不做强制冷却；卤素灯灯管的电线直接接入加热控制电源总线。实验过程中，首先将加热曲面推入到加热设备的支架内。传统的加热方式有以下几个问题：
1、裸露的卤素灯加热管，灯管背部辐射不用高效地利用到加热过程。
2、卤素灯灯管不做强制冷却，其加热极限受到灯管极限耐温限制。
3、单一化定制设备，不具有对于不同类型、大小的曲面气动加热试验适应性。
4、高超声速飞行器气动加热的温度场分布复杂，对于定制设备，控制系统编写难度大，实验周期长。
同时，在过去的几十年中，薄膜基底系统的研究已经成为材料科学与工程领域发展中的主题之一，固态薄膜已成功应用于电子、信息、航天航天、医药等诸多领域的多种工程系统，并实现了多种功能。例如集成电路中的薄膜器件、柔性微机电系统中的薄膜传感器、高温热端部件表面的隔热涂层以及摩擦磨损零件表面的耐磨涂层。然而，薄膜基底系统中薄膜材料与基底材料自身材料属性的不匹配，往往会导致薄膜产生足够大的内应力，造成薄膜的脱层、断裂，甚至失效。对于以热障涂层为代表的高温隔热涂层而言，热失配引起的内应力是导致涂层系统剥离失效的主要原因之一，热冲击性能是评价高温隔热涂层服役性能的主要实验手段。
目前，高温隔热涂层热冲击性能大多通过燃气热冲击试验装置或者等温热循环试验装置完成。燃气热冲击试验装置的基本原理是利用高温火焰喷枪产生高温高速火焰直接加热被测试样，同时利用压缩空气对试样的背面进行冷却，保持一段时间后停止加热，继续利用压缩空气使被测试样降至常温，完成一次热冲击，然后以此循环，实现温度梯度环境下的热冲击测试。然而，以热障涂层为例，在燃气加热1250℃、保温5min、压缩空气强制冷却至常温以及表面剥离15％认定为失效的情况下，其热冲击寿命往往可达8000次以上，一次完整的实验往往需要耗费数月，这对实验操作的可行性及可重复性带来了巨大困难。总体来说，传统的热冲击性能评价方式存在以下几个方面的问题：
1、燃料的需求量非常大，成本居高不下；
2、以氢-氧焰或氧-乙炔焰为主的燃气加热方式存在巨大的安全隐患；
3、燃气加热方式易产生有害的污染性气体，且噪音污染严重；
4、耗时太长，效率低下；
等温热循环试验是不同于燃气热冲击试验的另一种热冲击性能评价手段，它的原理是将被测试样直接放入等温的高温环境中，保温一段时间，然后快速取出，以压缩空气进行吹气冷却或投入水中进行水淬冷却。较之于燃气热冲击试验装置，等温热循环试验装置不存在燃料需求大、安全隐患和噪音污染，在采取水淬冷却的情况下，其效率也大大提高。但是，工作于真实服役环境下的高温隔热涂层，由于涂层自身的隔热作用和气膜冷却作用，其外表面温度往往可达1200℃-1700℃，而涂层与基底接触的内表面温度只有800-900℃。这导致300-500μm的隔热涂层内部沿厚度方向产生了300-900℃的温度梯度，最新的研究表明，温度梯度对高温隔热涂层的服役性能有着至关重要的影响。然而，等温热循环试验装置并不能实现考虑温度梯度的热冲击测试。
目前还未见到研制成功既能克服燃气热冲击试验装置的诸多缺点又能实现温度梯度下的热冲击测试的试验装置。也未见到研制成功的具有自适应性的带强制冷却的可模块化拼接的石英灯高温加热装置。通常在石英灯玻璃在1000℃左右会出现石化现象，导致石英透光性下降，透光性下降使石英灯管温度快速升高，灯管将迅速失效。灯管内保护灯丝的气逸出，灯丝烧坏。不做强制冷却的灯管难以实现超过1000℃的近距离快速加热，气膜式冷却灯管的方式，当灯管加热的温度超过1500℃时，难以高效对灯管进行冷却。综上所述，开发一套经济、安全、清洁、安静和高效的可编程控制的高温加热装置十分必要。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明提供了一种液体冷却夹层的卤素灯与模块化平面加热装置，其具有结构紧凑、性能稳定、可大规模模块化拼接、温度易控、极限性能更高、效率更好的特点，同时能克服传统卤素灯加热1000℃以上会出现石化破损的问题，并且将加热的极限温度提升至1700℃。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种液体冷却夹层的卤素灯与模块化平面加热装置，包括外罩钣金，设置在外罩钣金内的灯座和若干个液体冷却卤素灯灯管，设置在外罩钣金背面侧壁上的航空插头，以及设置在外罩钣金正面侧壁上的石英玻璃；其中，
灯座的两端各设置有一个端座，若干个液体冷却卤素灯灯管平行且均匀布置，其两端通过端座安装在灯座上，每个液体冷却卤素灯灯管包括由内至外依次设置的灯丝、灯管内层和灯管外层，灯管内层和灯管外层之间形成液体冷却卤素灯灯管的冷却腔，灯管外层的两端分别连通有灯管冷却液流入口和灯管冷却液流出口，灯管冷却液流入口与穿过外罩钣金的灯管冷却液总流入管相连通，灯管冷却液流出口与穿过外罩钣金的灯管冷却液总流出管相连通；灯丝的两端分别与液体冷却卤素灯灯管两端设置的陶瓷接线头连接，每个陶瓷接线头均通过高温电线与设置在灯座上的一个接线端子连接，两个接线端子均通过灯管内部电线与航空插头连接；
灯座内开设有冷却液管路，每个端座内开设有端座冷却液管道，冷却液管路与穿过外罩钣金的灯座冷却液流入管和灯座冷却液总流出管相连，且灯座液体冷却管道通过灯座端座对接管与两个端座冷却液管道相连通。
本发明进一步的改进在于，灯管冷却液流入口依次通过石英玻璃管转接头、软管和灯管冷却管路接头与灯管冷却液总流入管相连通，灯管冷却液流出口依次通过石英玻璃管转接头、软管和灯管冷却管路接头与灯管冷却液总流出管相连通。
本发明进一步的改进在于，灯座内冷却液管路分为左灯座冷却液管路、右灯座冷却液管路和灯座总冷却液流出管路，灯座总冷却液流出管路与灯座冷却液总流出管相连，左灯座冷却液管路和右灯座冷却液管路均与灯座冷却液流入管连接；
端座的流入口通过灯座端座对接管与灯座中的冷却液流口相连，一个端座的流入口连接灯座的左冷却液流入口，另一个端座的流入口连接灯座的右冷却液流入口，流出口采用灯座端座对接管连接灯座的总冷却液流出管路。
本发明进一步的改进在于，外罩钣金采用不锈钢钣弯制成。
本发明进一步的改进在于，灯座上还设置有朝向液体冷却卤素灯灯管的灯罩面。
本发明进一步的改进在于，灯罩面为镜面抛光处理面，且灯罩面的两个侧面均为抛物面。
本发明进一步的改进在于，若干个液体冷却卤素灯灯管并列构成加热所需灯管组，灯管组的中心平面位于灯座的灯罩面侧面的抛物面焦点线构成的中心面上。
本发明进一步的改进在于，在加热过程中，冷却液通过灯管冷却液总流入管流入，进一步流入灯管内层和灯管外层之间形成液体冷却卤素灯灯管的冷却腔，最后通过灯管冷却液总流出管流出。
本发明具有如下有益的技术效果：
1、卤素灯平面加热方式属于远程非接触式加热，其原理是将电能输入转换为红外线放射的高效率热源，相比于燃气加热方式具有安静、清洁的优点；
2、卤素灯平面加热方式，加热面积比激光等加热方式加热面积更大，单个灯具的加热面积为350mm×100mm，不易受被加热材料的限制。
3、对石英灯灯管采取了液体冷却的强制换热方式，有效解决了石英灯在加热过程中灯管外壁不能超过1100℃的问题，经实验测试未使用聚焦技术的平面加热的情况下，加热灯具，在1700℃实验环境下，可加热保温30分钟。
4、每个独立的石英灯的功率都独立受到控制系统控制，该装置的加热易于控制与大规模调整。
4、对石英灯灯管背面采用了多次镜面反射与抛物面平行光投射的技术原理。降低了加热光线对后方灯座的辐照影响，进一步增强了正面受辐射面的辐照强度，提高了加热面的加热效率。
5、采用了模块化的设计理念、控制理论、以及独立的冷却单元。同时单个设备在加热过程中，正常工作时温度恒处于稳定状态。相比于传统的石英灯加热技术，可以大规模拼接、组合，应用到大面积与复杂曲面的加热的场合中。
综上所述，本发明一种液体冷却夹层的卤素灯与模块化平面加热装置，可对被测试样加热面进行远程连续非接触式加热，既克服了传统燃气热冲击实验装置成本高、噪音污染大、安全性低以及等温热循环试验装置无法实现梯度热冲击的缺点，又克服了传统卤素灯加热装置效率低、温升低、持续加热时间短、适应性差等缺点。同时，还可通过调节卤素灯加热功率、加热距离、，模块化拼接数量实现100℃-1700℃大范围内的梯度或等温热冲击。因此，本发明实现了一种经济、安全、清洁、安静和高效的梯度热冲击试验装置。
附图说明
图1为本发明的整体视图及主要支承面。
图2为本发明的侧视图。
图3为图2的A-A剖视图。
图4为本发明的正视图。
图5为图4的B-B剖视图。
图6为图4的D-D剖视图。
图7为图4的E-E剖视图。
图8为本发明灯管部件的侧视图。
图9为图8的C-C剖视图。
图中：A、C、D、E为加热灯外罩钣金的可支承面，B为加热灯有效加热面；
1为灯管冷却液总流入管，2为外罩钣金，3为灯管冷却管路接头，4为软管，5为石英玻璃转接头，6为液体冷却卤素灯灯管，7为石英玻璃，8为端座，9为灯座，10为灯座端座对接管，11为接线端子，12为灯管冷却液流出管，13为灯座冷却液流入管，14为灯管内部电线，15为灯座冷却液总流出管，16为航空插头；
8-p为端座冷却液管道，9-fil为左冷却液流入口，9-fir为右冷却液流入口，9-fo为灯座总冷却液流出管路；
6-1为灯管石英壁，6-2为陶瓷接线头，6-3为灯丝，6-4为高温电线，6-pi为灯管冷却液流入口，6-po为灯管冷却液流出口，6-p1为灯管外层，6-p2为灯管内层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1、2及3所示，本发明提供的一种液体冷却夹层的卤素灯与模块化平面加热装置，包括灯管冷却液总流入管1、外罩钣金2、灯管冷却管路接头3、软管4、石英玻璃转接头5、液体冷却卤素灯灯管6、石英玻璃7、端座8、灯座9、灯座端座对接管10、接线端子11、灯管冷却液流出管12、灯座冷却液流入管13、灯管内部电线14、灯座冷却液总流出管15和航空插头16。
其中，左右两个端座8分别与灯座9固连，灯座9与左右两个端座8统一固连在外罩钣金2上，航空插头16固连在外罩钣金2上；端座8内有端座冷却液管道8-p，同时具有一个冷却液流入口与一个流出口。端座8的流入口通过灯座端座对接管10与灯座9中的冷却液流口相连，左侧端座8的流入口连接灯座9的左冷却液流入口9-fil，右侧端座8的流入口连接灯座9的右冷却液流入口9-fir，流出口采用灯座对接管10连接灯座的总冷却液流出管路9-fo。
灯座9内具有冷却液管路，冷却液管路分为左灯座冷却液管路9-fil与右灯座冷却液管路9-fir。灯座总冷却液流出管路9-fo与灯座冷却液总流出管15相连。左冷却液管路9-fil与左灯座冷却液流入管13连接，右冷却液管路9-fir与右灯座冷却液流入管13连接。所有冷却液最后由灯座总冷却液流出管路9-fo通过灯座冷却液总流出管15流出。
多个液体冷却卤素灯灯管6并列构成加热所需灯管组，灯管组的中心平面位于灯座9的灯罩面侧面的抛物面的焦点线构成的中心面上。灯管组的两端通过形位连接固定在左右两个端座8上。灯管组的电线分别接在左右里两组灯管组接线端子11上。灯管组电线安装端子的另一端与内部线路14连接，内部线路14的另一端与航空插头16连接。
外罩钣金2采用不锈钢直接钣弯制成。加热灯外罩钣金2能够覆盖住所述灯座9与端座8的背面与侧面，同时能覆盖住内部电气线路与卤素灯灯管6的两端接线头。
灯座9与其内部的左冷却液流入口9-fil、右冷却液流入口9-fir、总冷却液流出管路9-fo紧密接触，灯管组电线所连接的接线端子11与灯座9紧密接触。灯座9的灯罩面采用镜面加工处理，使得灯罩面具有85～95％的总反射率。加热时，灯管组所背对的灯座9的灯罩面的通过镜面反射出射入灯罩表面的光束。多余的热量通过灯座9内的灯座液体冷却管道中的冷却液的快速流通带走，使得灯管组灯座2内温度处于稳定状态。
灯管组安装端座8内部的端座冷却液管道8-p与端座紧密接触。端座8、接线端子11、高温电线6-4、灯管内部电线14内的热量通过灯管组安装端坐8内的端座液体冷却管道8-p的快速流通带走，从而保证灯管组安装端座8温度处于稳定状态。
采用具有冷却液体夹层的卤素灯灯管6。冷却液体夹层的卤素灯管6灯管区分为两层，灯管外层6-p1流通冷却液，灯管内层6-p2充入用于保护灯丝6-3的气体。灯管两端连接陶瓷接线头6-2，陶瓷接线头6-2引出高温电线6-4。石英灯灯管的6-p1层与灯管冷却液流入口6-pi、灯管冷却液流出口6-po相连接。灯管背面喷涂有耐高温涂层，从而灯管背面具有80～85％总反射率。
冷却液通过灯管冷却液总流入管1流入，通过灯管冷却管路接头3分散流入每个独立的软管4，通过石英玻璃转接头，流入石英灯管的玻璃夹层。再通过每个独立软管4，经灯管冷却管路接头3整合，通过灯管冷却液总流出管12流出。
进一步，通过调整灯管组的数量，改变灯管组的长度，并对外部结构件做适应性改变，从而达到对灯的单个模块的尺寸与功率进行改进。改变灯管夹层的形状，对结构件做适应性改变，从而达到所需加热表面适应性变化的目的。对于结构件与灯管的部分表面，喷涂隔热涂层，从而降低部分零部件实际工作时的温度。调整冷却液入流出口的数量与直径，调整内部冷却液管道的布置范围与距离，冷却液冷却效率的改进。
进一步，整个装置的固定，在正常工作温度下(1800℃以下)，可由耐温100℃以上的材料，对装置的A平面、C平面、D平面、E面进行固定。距离受光辐照区B面80mm的非加热零部件应使用耐热材料进行保护。
灯座通过内部的左冷却液流入口9-fil、右冷却液流入口9-fir、灯座总冷却液流出管路9-fo，做液体强制冷却。灯座的灯罩面采用镜面处理来降低由光辐照结构件导致的结构件温度上升。
液体冷却卤素灯灯管6，通过与端座4上的形位连接固定，同时也受到液体冷却卤素灯灯管6的陶瓷接线头6-2与外罩钣金2的夹紧接触。
卤素灯的结构件冷却功能，主要通过灯管外层6-p1的冷却液流动来降低温度。
灯内的电气线路采用高温玻璃纤维编织绝缘线。
所述卤素灯灯管，采用钨灯丝卤素加热管，额定电压为220V，额定功率3.3KW，且可调整与定制，发热温度高达3400K，放射能量稳定，可实现1800℃的远程快速加热，不受周围环境影响，仅对被辐射物有效，可通过调节供电量改变卤素灯功率。同时，该种加热方式属于电控非接触式加热，具有经济、安全、清洁、安静和高效的优点，且使用寿命长达5000小时以上。
所述加热灯内部冷却管路、灯座、石英灯安装端坐为同一材质，拥有高导热系数和低热胀系数。
所述钣金外壳采用不锈钢材质。
装置使用方法如下：
步骤一、将装置摆放端正，检查试验装置冷却管路是否完整、无损、无堵，检查卤素灯灯管是否有油污、遮挡物，检查电气线路是否短路、裸露。当所有项目符合要求时，完成设备安全性检验。
步骤二、从进水口缓慢注入冷却水，待出水口中冷却水流出时，观察流出水中是否存在气泡。当流出的水中无气泡时，增大冷却水流动速度。当冷却水自流出口稳定、无脉动流出时，可将装置按照所需加热角度与位置摆放端正，完成冷却水注入。
步骤三、接通电源，对灯管根据实际工况提前预热一分钟，观察设备是否存在问题。
步骤四、进入实验阶段，通过控制电源中的信号变化，实现对灯管加热功率的控制，实现长时间加热或高速等温冲击循环。
步骤六、试验结束后，首先关闭电源系统，待设备降至室温后后停止冷却液注入。最后，排出管路内多余的冷却水，结束加热过程。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和替换，都应当视为属于由本发明提交的权利要求书所确定的专利保护范围。