一种球面石墨加热器的制作方法

1.本发明属于飞行器地面结构热试验领域，具体涉及一种球面石墨加热器。


背景技术：

2.在飞行器地面结构热试验中，主要有两种辐射加热方式，石英灯管辐射加热和石墨辐射加热。石英灯管加热应用较早，但作为加热元件其加热温度不超过1300℃。石墨加热器具有更强的加热能力，加热温度可以达到2000℃以上。
3.随着高超声速飞行器的发展，飞行器的鼻锥头温度高达2000℃以上，石墨加热器能满足试验需求，因而更具应用前景。
4.通常石墨加热器由多个长条形元件并排组合形成，可以拼成平面或者柱面，无法很好地适应飞行器的球面鼻锥头加热需求。现有的球面石墨加热器有美国nasa的轨道飞行器鼻锥罩石墨加热器。而nasa球面石墨加热器采用三角形石墨加热元件，主要有三个问题：第一，三角形石墨加热元件顶角处发热低，多个元件拼接在一起后角对角产生更大的较低密度热辐射区域，热辐射不均匀。第二，三角形元件拼接成球面，元件数量多，造成需要更多的电极、石墨加热元件，更换麻烦。第三，其球面半径大、曲率小，多用于空间返回器热试验，对高超声速飞行器鼻锥弧面拟合度低。


技术实现要素：

5.本发明的目的是解决地面热试验中，国内没有针对高超声速飞行器鼻锥的球面石墨加热器，nasa三角形石墨加热器热流密度不均匀，弧面太大的问题，提供了一种多边形组成的球面石墨加热器。本发明石墨加热器理论加热温度高达2000℃～2600℃，辐射热流密度高达1～2.5mw/m2，可达到高超声速飞行器鼻锥加热的实验条件。
6.本发明是这样实现的：一种球面石墨加热器，包括石墨加热元件组、球面水冷反射板、水冷电极、陶瓷绝缘环、固定螺母和钼螺钉；陶瓷绝缘环安装在球面水冷反射板上，水冷电极安装在陶瓷绝缘环上穿过水冷反射板，由固定螺母将陶瓷环和水冷电极固定；石墨加热元件组通过钼螺钉安装在水冷铜电极上。
7.如上所述石墨加热元件组由三种型号组成，石墨加热元件可以拼装成球面；单个石墨加热元件的两端打有安装孔，通过钼螺钉安装在水冷电极上。每个石墨加热元件具有一对水冷电极。
8.如上所述球面水冷反射板中间设置有水冷流道，用冷却水循环来带走反射板受到的热量。
9.如上所述水冷板反射板表面抛光处理，进而提高水冷反射板反射率。
10.如上所述石墨加热元件有三种型号，共同拼成半球面。构成球面顶部的是一区石墨加热元件为型号一，形状为正六边形，数量为一个；构成中间区域的是二区石墨加热元件为型号二，形状为等腰梯形，数量为18个；补充五边形空缺区域的是三区石墨加热元件为型号三，型号三的形状为五边形，数量为6个。总共25个石墨加热元件共同构成球面。除了顶部
为型号一之外，其他都由型号二和型号三拼接而成，拼接的层的数量根据测试元件的测试要求确定。所述25个石墨加热元件拼接的加热面是除了顶部外有三层，主要是前端鼻锥部分。
11.本发明主要有益效果：针对高超声速飞行器的前端鼻锥部分，采用拟合度更高、热流密度更均匀的球面石墨加热元件的排布。球面反射板及球面元件排布对辐射热流有集中作用，大幅提高飞行器鼻锥试验温度。通过球面对焦点的集中，预计达到相比平面加热器翻倍的效果。
12.此球面石墨加热器针对不同试件调整能力强。根据试件的试验温度，可以调整石墨加热元件的截面积，调整输入功率。对较低温度要求的试件，更换横截面更大、总电阻更小的石墨加热元件，降低输入功率；对较高温度要求的试件，更换横截面小总电阻更大的石墨加热元件，增大输入功率。
13.根据飞行器鼻锥的具体形状，石墨加热器能一定程度地调整弧面，使加热面更加拟合飞行器鼻锥弧面。
附图说明
14.图1是本发明的一种球面石墨加热器的结构示意图；
15.图2是本发明的一种球面石墨加热器的剖视图；
16.图3是本发明的一种球面石墨加热器的正视图；
17.图4是本发明的一种球面石墨加热器的石墨加热元件型号一的正视图；
18.图5是本发明的一种球面石墨加热器的石墨加热元件型号二的正视图；
19.图6是本发明的一种球面石墨加热器的石墨加热元件型号三的正视图；
20.图7是本发明的一种球面石墨加热器的单个石墨加热元件结构的示意图的剖视图；
21.图8是本发明的一种球面石墨加热器的陶瓷绝缘环优化方案的剖视图；
22.图9是本发明的一种球面石墨加热器的石墨加热元件尺寸替换的示意图。
23.图中：1.石墨加热元件组，101.石墨加热元件型号一，102.石墨加热元件型号二，103.石墨加热元件型号三，2.水冷反射板，3.水冷电极，4.陶瓷绝缘环，5.钼螺钉，6飞行器鼻锥试件。
具体实施方式
24.下面结合附图和实施例对本发明进一步描述。
25.如图1、图2和图3所示，一种球面石墨加热器，包括石墨加热元件组1、球面水冷反射板2、水冷电极3、陶瓷绝缘环4、钼螺钉5和飞行器鼻锥试件6。
26.其中，石墨加热元件组1由石墨加热元件型号一101、石墨加热元件型号二102、石墨加热元件型号三103三种型号石墨加热元件拼成前端鼻锥球面部分。
27.以上所述球面的拼接方式为，一块石墨加热元件型号一101置于中心，六块石墨加热元件型号二102围绕石墨加热元件型号一的六条边，与其呈一定夹角，相邻石墨加热元件的两个临边平行，构成第二层；再取六块石墨加热元件型号二102与第二层六块长边相对且保持平行，与第二层每块石墨加热元件呈一定的角度，构成第三层；再取六块石墨加热元件
型号二102与第三层六块短边相对且保持平行，与第三层每块石墨加热元件呈一定的角度，构成第四层；最后，将六块石墨加热元件型号三103插入第三层和第四层石墨加热元件型号二的空当处，整体构成球面。
28.以上所述构成球面直径在700mm～1000mm之间，此直径范围能满足大多数高超声速飞行器鼻锥的加热需求。其理论输入功率达到3.4mw～7mw，有效加热功率经验值达到1.7mw～4.9mw，对于加热范围内的飞行器鼻锥试件满足1mw/m2～2.5mw/m2的实验需求。
29.以上所述夹角由构成的球面半径及石墨元件尺寸大小计算得出建议经验值为12.5
°
～25
°
。低于12.5
°
明显产生石墨元件层数过多，元件过多的问题；高于25
°
产生明显球面拟合度低的问题。一般单个石墨元件面积有限定范围，球面半径小单个石墨元件相对尺寸大，适当向上限值取夹角度数；反之球面半径大则单个石墨元件相对尺寸小，适当向下极限取夹角度数。
30.以上所述石墨加热元件采用车削成型，石墨材料种类不影响本发明的技术效果，每个石墨加热元件安装孔处是否具有加厚的凸台不影响本发明的技术效果。
31.如图1、图2和图3所示，水冷反射板2整体为球面，内表面为反射面。水冷反射板上开有通孔，通孔上安装有绝缘陶瓷环4，水冷电极3穿过并安装在绝缘陶瓷环4上。水冷反射板中间具有水冷流道，水冷流道和孔互不干涉。
32.以上所述水冷反射板在本实施例中采用冲压的工艺制成球面，定位打孔后焊接成密封的通孔；也可采用整块球面板材铣削冷却流道，焊接盖板密封流道，钻通孔；或者采用铸压、3d打印等一体成型技术。不同成型工艺的水冷反射板在本发明中具有相同技术效果。
33.以上所述定位打孔方式在本实施例中为，根据设计好的石墨加热元件排布制作定位打孔的工装，按工装定位打孔。
34.如图4所示，石墨加热元件型号一101外轮廓是正六边形，正六边形轮廓尺寸由所构成球面计算得出，在本实施例中六边形一边到中心的距离为球面半径乘以每层之间夹角余弦值。
35.如图5所示，石墨加热元件型号二102外轮廓是等腰梯形，梯形轮廓尺寸由构成的球面计算得出，在本实施例中梯形的高为球面半径乘以每层之间夹角的余弦值；梯形的短边和上述石墨件型号一101正六边形轮廓边相等；梯形的长边到球面中心线的的距离为球面半径乘以两倍每层之间夹角的余弦值。
36.如图6所示，石墨加热元件型号三103外轮廓是五边形，五边形轮廓尺寸由构成的球面半径计算得出装配好石墨加热元件型号一101和石墨加热元件型号二102的石墨元件组测量得出，石墨加热元件型号三103补全第三层和第四层石墨加热元件型号二102之间的空缺，五边形其中4边和石墨加热元件型号二102的腰长相等，其中1边是第四层石墨加热元件型号二102底边顶点间的距离。
37.以上所述构成球面的三种石墨加热元件具体外形轮廓可由三维建模得出。
38.以上所述每个石墨加热元件都具有两个安装孔，连续s型拐弯连通两个安装孔，构成电流通路。石墨加热元件会随着工作时间截面逐渐变细，因此石墨元件截面厚度h建议值为8～12mm，截面宽度d建议值为12～30mm，保证一定的工作时间；每个石墨加热元件拐角倒圆，一方面可以减小热应力、，另一方面尖角处发热低、热辐射能力差，去掉尖角漏出后背反射板增强对辐射的反射效果改善截面电流密度。
39.以上所述由石墨加热元件型号一101、石墨加热元件型号二102、石墨加热元件型号三103三种型号石墨加热元件构成球面石墨元件组1和水冷反射板2构成的加热器两个主要辐射加热主体。通过辐射换热仿真手段对模型进行数字辅助设计，仿真模拟结果显示石墨元件组1正面对试件的辐射和通过水冷反射板反射的辐射相互弥补，能均匀加热飞行器鼻锥试件。
40.如图7所示，单个石墨加热元件安装的放大结构的剖面图，用于展示石墨加热器工作原理。单个石墨加热元件(101、102或103)通过两个钼螺钉5，安装在两个水冷电极3上。水冷电极3安装在一对绝缘陶瓷环4上，安装方式可以是耐高温粘黏剂，也可以使用两个螺母从两端拧紧，本实施例采用水冷电极3和一对绝缘陶瓷环4静配合中的过渡配合，水冷电极3通电升温后热膨胀和绝缘陶瓷环4紧固在一起，试验完成降温冷却后水冷电极3缩小，方便调整位置和更换。一对绝缘陶瓷环4从水冷反射板2内外两侧安装在水冷反射板2上的通孔中，安装方式为耐高温粘黏剂固接。
41.以上所述水冷电极3具有进水口、出水口及内部的水流道，用于带走电极的热量。电压加载在电极杆上。冷却水为低离子水，不会导电。
42.以上所述水冷电极3本实施例中采用车削成型后焊接。采用铸造、铸压、3d打印等其他成型工艺具有相同技术效果。
43.以上所述钼螺钉5为本实施例采用的材料，使用其他钨、钛及其合金等耐高温材料螺钉具有相同技术效果。
44.如图8所示，一对绝缘陶瓷环4可以替换成一对陶瓷外环7和陶瓷球环8构成的绝缘陶瓷环。
45.以上所述陶瓷球环8处于一对陶瓷外环7构成的球面内可以转动，发生滑动摩擦。
46.以上所述绝缘子安装方式为先将一个陶瓷外环7用粘接剂安装在水冷反射板2上的通孔一端；再将陶瓷球环8按孔对孔的方式装入球面中后盖上另一个陶瓷外环7，使用粘接剂将此陶瓷外环7安装在水冷反射板2上的通孔一端。将水冷电极3穿过陶瓷球环8的内柱面，使用粘接剂固接。水冷电极3和陶瓷球环8一体，可以产生30
°
锥角转动。
47.以上所述一对陶瓷外环7和陶瓷球环8构成的绝缘陶瓷环的优化效果为：
48.第一，降低水冷反射板2的通孔精准定位加工的难度，可以加工成垂直水冷反射板2球面的通孔，通过调整水冷电极3角度来达到一对水冷电极两个石墨加热元件安装面的平行；
49.第二，石墨加热元件产生热膨胀效应时，活动的水冷电极3可以配合石墨加热元件的微小形变，降低石墨加热元件产生的热应力。
50.如图9所示，石墨加热元件型号一101可以替换成同外形轮廓的石墨加热元件104、石墨加热元件型号二102可以替换成同外形轮廓的石墨加热元件105、石墨加热元件型号三103可以替换成同外形轮廓的石墨加热元件106。模块化的石墨加热元件，本发明可以通过替换横截面更小的石墨加热元件，增大每块石墨加热元件的电阻，达到提升石墨加热器总体功率的目的。模块化的石墨加热元件可以应对不同试验需求的试件。
51.在本具体实施例中，石墨加热元件型号一101共有一个，石墨加热元件型号二102共有18个，石墨加热元件型号三103共有6个。石墨加热元件三种型号总共有25个，配套水冷电极3共有50个，钼螺钉5共有50个，绝缘陶瓷环共有50对。
52.本发明主要保护的技术特征为：
53.球面石墨加热器结构。水冷板为球面，石墨加热元件构成球面，集中辐射，提高球面焦点处及附加的热流密度，从容提高加热温度。
54.球面石墨加热器的模块化调整能力。通过替换横截面积更小、相似几何外形的石墨加热元件，提高石墨加热元件电阻，从而增大输出功率的上限，提高石墨加热器加热温度；调整水冷电极伸入反射板的长度，可以一定程度上的改变石墨加热元件整体的弧面形状，提高对被试件弧面的拟合。