一种空天飞机结构力热氧压模拟控制装置及方法与流程

1.本发明属于空天飞机测试技术领域，具体涉及一种空天飞机结构力热氧压模拟控制装置及方法。

背景技术：

2.随着空天飞机技术的不断发展，人们对空天飞机的要求也越来越高。对于空天飞机而言，在快速飞行的过程中，其头锥、翼舵等部位会产生气动热，与此同时，还承受气流带来的复杂载荷，此时，这些部位的热学性能和力学性能至关重要，直接关系着飞机的安全性和可靠性。此外，高超声速的空天飞机在服役过程中面临的环境十分严酷，不仅受到气动热的作用，而且高空中的有氧热环境下，对空天飞机结构氧化反应的研究也是非常必要的。
3.但在现有技术中，只能分别对力、热和氧压进行测试，缺乏专门的装置，难以模拟出空天飞机在高空服役时的实际环境，因而无法准确地得到试验件在飞行状态下的氧化反应，获取试验件实际的性能参数较为困难，不利于提高测试结果的准确性。
4.因此，为了在地面环境下准确的模拟高超声速飞行器的服役环境，取得高超声速空天飞机材料和结构在实际有氧环境下的关键性力学性能参数和热学性能参数，需要研究和发展全历程服役环境下空天飞机气动热、载荷和氧压同步协调加载与控制方法，以满足地面测试的需求。

技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种空天飞机结构力热氧压模拟控制装置，通过将载荷加载装置、辐射式加热器和氧压控制装置结合在一起，对施加在试验件上的载荷和热流密度以及试验件所处的环境的氧气浓度进行联合控制，更加真实的模拟试验件在飞行状态下的有氧热环境环境，防止地面测试时的地面过高的氧气浓度加速试验件的氧化反应，有利于更加准确地获取试验件在高空真实服役环境下的性能参数，提高测试结果的准确性。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种空天飞机结构力热氧压模拟控制装置，其特征在于：包括密闭环境模拟箱、设置在密闭环境模拟箱内的试验件、用于对所述试验件施加载荷的载荷加载装置、用于检测试验件所受载荷的载荷检测装置、多个设置在试验件周侧的辐射式加热器、以及用于调节密闭环境模拟箱内氧气压力的氧压控制装置；所述试验件表面具有多个温区，每个温区均设置有表面温度传感器和热流传感器，辐射式加热器的数量与所述温区的数量相同且一一对应，所述密闭环境模拟箱内设置有氧气浓度传感器；所述氧压控制装置包括与密闭环境模拟箱连通的抽气泵、设置在抽气泵抽气口的控制阀、以及连接在抽气泵出气口的气体储存罐；载荷加载装置、辐射式加热器和抽气泵均由控制器进行控制。
7.上述的一种空天飞机结构力热氧压模拟控制装置，其特征在于：所述载荷加载装置包括多个对试验件施加同一个方向载荷的伺服作动器。
8.同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理、可对飞机构件力热氧压进行模拟控制的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤一、根据预设的空天飞机飞行高度h确定该飞行高度下试验件各温区的目标热流密度和密闭环境模拟箱内的目标氧气浓度；步骤二、试验件表面热流密度的控制：步骤201、利用试验件第i个温区内的热流传感器获取试验件第i个温区的实际热流密度q；其中，i=1,2，...，i，i为所述温区的总数量；步骤202、根据试验件第i个温区的目标热流密度q和实际热流密度q的偏差，通过所述控制器对第i个温区对应的辐射式加热器进行pi控制，控制第i个温区对应辐射式加热器的功率，使试验件第i个温区的实际热流密度q达到其目标热流密度q；步骤三、密闭环境模拟箱内氧气压的控制：步骤301、利用氧气浓度传感器获取密闭环境模拟箱内的实际氧气浓度；步骤302、打开控制阀，根据密闭环境模拟箱内的目标氧气浓度与其实际氧气浓度的偏差，通过所述控制器对抽气泵进行pi控制，控制抽气泵的抽气功率，使密闭环境模拟箱内的实际氧气浓度达到其目标氧气浓度；此时，密闭环境模拟箱内的实际氧气压力达到其目标氧气压力；步骤四、试验件载荷的控制：步骤401、利用载荷检测装置获取试验件实际载荷；步骤402、根据试验件设计载荷和试验件实际载荷的偏差，通过所述控制器对载荷加载装置进行pi控制，控制载荷加载装置的推拉力，使试验件实际载荷达到其目标载荷；步骤五、获取当前试验件的性能参数。
9.上述的方法，其特征在于：步骤一中，根据公式，确定试验件第i个温区的目标热流密度q；其中，α为对流换热系数，ε为试验件的表面黑度系数，σ为玻尔兹曼常数，为气体阻滞温度，为试验件第i个温区的温度。
10.本发明与现有技术相比的区别技术特征为：通过将载荷加载装置、辐射式加热器和氧压控制装置结合在一起，对施加在试验件上的载荷和热流密度以及试验件所处的环境的氧气浓度进行联合控制，更加真实的模拟试验件在飞行状态下的有氧热环境环境，防止地面测试时的地面过高的氧气浓度加速试验件的氧化反应，有利于更加准确地获取试验件在高空真实服役环境下的性能参数，提高测试结果的准确性。
11.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
12.图1为本发明装置的结构示意图。
13.图2为本发明方法的流程框图。
14.附图标记说明:1—密闭环境模拟箱；
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2—试验件；
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3—辐射式加热器；
4—表面温度传感器；
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5—热流传感器；
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6—氧气浓度传感器；7—抽气泵；
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8—控制阀；
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9—气体储存罐；10—伺服作动器；
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11—拉压力传感器；
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12—托架。
具体实施方式
15.如图1所示，本发明所述的一种空天飞机结构力热氧压模拟控制装置，包括密闭环境模拟箱1、设置在密闭环境模拟箱1内的试验件2、用于对所述试验件2施加载荷的载荷加载装置、用于检测试验件2所受载荷的载荷检测装置、多个设置在试验件2周侧的辐射式加热器3、以及用于调节密闭环境模拟箱1内氧气压力的氧压控制装置；所述试验件2表面具有多个温区，每个温区均设置有表面温度传感器4和热流传感器5，辐射式加热器3的数量与所述温区的数量相同且一一对应，所述密闭环境模拟箱1内设置有氧气浓度传感器6；所述氧压控制装置包括与密闭环境模拟箱1连通的抽气泵7、设置在抽气泵7抽气口的控制阀8、以及连接在抽气泵7出气口的气体储存罐9；载荷加载装置、辐射式加热器3和抽气泵7均由控制器进行控制。
16.本实施例中，所述试验件2安装在托架12上，便于底部温区的加热和相应传感器的检测。
17.本实施例中，密闭环境模拟箱1具有箱盖，用于放置试验件2并使密闭环境模拟箱1内初始的气压为大气压。
18.本实施例中，所述辐射式加热器3的数量根据具体的模拟测试要求进行确定，每个辐射式加热器3的控制方式均相同。
19.本实施例中，通过抽气泵7调节密闭环境模拟箱1内的气体压力，间接地调节密闭环境模拟箱1内的氧气浓度。
20.需要说明的是，通过将载荷加载装置、辐射式加热器3和氧压控制装置结合在一起，对施加在试验件2上的载荷和热流密度以及试验件2所处的环境的氧气浓度进行联合控制，更加真实的模拟试验件2在飞行状态下的有氧热环境环境，防止地面测试时的地面过高的氧气浓度加速试验件2的氧化反应，有利于更加准确地获取试验件2在高空真实服役环境下的性能参数，提高测试结果的准确性。
21.本实施例中，所述载荷加载装置包括多个对试验件2施加同一个方向载荷的伺服作动器10。
22.本实施例中，所述载荷检测装置为拉压力传感器11，拉压力传感器11的数量与所述伺服作动器10的数量相同且一一对应，用于检测伺服作动器10施加在试验件2上的载荷。
23.本实施例中，所述伺服作动器10避让开辐射式加热器3的位置进行安装。
24.本实施例中，所述伺服作动器10对试验件2施加轴向载荷。
25.如图2所示的一种方法，包括以下步骤：步骤一、根据预设的空天飞机飞行高度h确定该飞行高度下试验件各温区的目标热流密度和密闭环境模拟箱内的目标氧气浓度；步骤二、试验件表面热流密度的控制：步骤201、利用试验件2第i个温区内的热流传感器5获取试验件2第i个温区的实际
热流密度q；其中，i=1,2，...，i，i为所述温区的总数量；步骤202、根据试验件2第i个温区的目标热流密度q和实际热流密度q的偏差，通过所述控制器对第i个温区对应的辐射式加热器3进行pi控制，控制第i个温区对应辐射式加热器3的功率，使试验件2第i个温区的实际热流密度q达到其目标热流密度q；步骤三、密闭环境模拟箱内氧气压的控制：步骤301、利用氧气浓度传感器6获取密闭环境模拟箱1内的实际氧气浓度；步骤302、打开控制阀8，根据密闭环境模拟箱1内的目标氧气浓度与其实际氧气浓度的偏差，通过所述控制器对抽气泵7进行pi控制，控制抽气泵7的抽气功率，使密闭环境模拟箱1内的实际氧气浓度达到其目标氧气浓度；此时，密闭环境模拟箱1内的实际氧气压力达到其目标氧气压力；步骤四、试验件载荷的控制：步骤401、利用载荷检测装置获取试验件2实际载荷；步骤402、根据试验件2设计载荷和试验件2实际载荷的偏差，通过所述控制器对载荷加载装置进行pi控制，控制载荷加载装置的推拉力，使试验件2实际载荷达到其目标载荷；步骤五、获取当前试验件的性能参数。
26.本实施例中，所述性能参数包括热学参数、力学参数和材料性能，即温度响应、试验件2形变、位移、强度、是否氧化燃烧变等。
27.本实施例中，在一个预设的空天飞机飞行高度h下，试验件2的设计载荷可为多个，在保持氧气浓度和热流密度不变的情况下调节试验件2实际载荷达到不同设计载荷，从而得到试验件2在不同设计载荷下对应的形变和位移结果。
28.本实施例中，通过抽气泵7调节密闭环境模拟箱1内整体的气压，从而实现氧气浓度的调节，整个过程中密闭环境模拟箱1内的气体的含氧量不变；通过调节密闭环境模拟箱1内的氧气浓度实现氧气压力的调节，可操作性强且效果好。
29.本实施例中，实际测试过程中，预设的空天飞机飞行高度h是逐渐增高的，因此密闭环境模拟箱1内的目标氧气浓度会随之逐渐减小，该过程使用抽气泵7即可，无需向密闭环境模拟箱1内供气。
30.本实施例中，步骤一中，可根据海拔与含氧量的关系确定预设的空天飞机飞行高度h下的氧气浓度，该氧气浓度即为密闭环境模拟箱1内的目标氧气浓度。
31.本实施例中，步骤一中，根据公式，确定试验件2第i个温区的目标热流密度q；其中，α为对流换热系数，ε为试验件2的表面黑度系数，σ为玻尔兹曼常数，为气体阻滞温度，为试验件2第i个温区的温度。
32.本实施例中，，其中，，为流场温度，其随预设的空天飞机飞行高度h的增高而增高；ma为飞行马赫数。
33.需要说明的是，试验件2第i个温区的温度通过表面温度传感器4测得。
34.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

技术特征：

1.一种空天飞机结构力热氧压模拟控制装置，其特征在于：包括密闭环境模拟箱（1）、设置在密闭环境模拟箱（1）内的试验件（2）、用于对所述试验件（2）施加载荷的载荷加载装置、用于检测试验件（2）所受载荷的载荷检测装置、多个设置在试验件（2）周侧的辐射式加热器（3）、以及用于调节密闭环境模拟箱（1）内氧气压力的氧压控制装置；所述试验件（2）表面具有多个温区，每个温区均设置有表面温度传感器（4）和热流传感器（5），辐射式加热器（3）的数量与所述温区的数量相同且一一对应，所述密闭环境模拟箱（1）内设置有氧气浓度传感器（6）；所述氧压控制装置包括与密闭环境模拟箱（1）连通的抽气泵（7）、设置在抽气泵（7）抽气口的控制阀（8）、以及连接在抽气泵（7）出气口的气体储存罐（9）；载荷加载装置、辐射式加热器（3）和抽气泵（7）均由控制器进行控制。2.根据权利要求1所述的一种空天飞机结构力热氧压模拟控制装置，其特征在于：所述载荷加载装置包括多个对试验件（2）施加同一个方向载荷的伺服作动器（10）。3.一种利用如权利要求1所述装置进行空天飞机结构力热氧压模拟控制的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、根据预设的空天飞机飞行高度h确定该飞行高度下试验件各温区的目标热流密度和密闭环境模拟箱内的目标氧气浓度；步骤二、试验件表面热流密度的控制：步骤201、利用试验件（2）第i个温区内的热流传感器（5）获取试验件（2）第i个温区的实际热流密度q；其中，i=1,2，...，i，i为所述温区的总数量；步骤202、根据试验件（2）第i个温区的目标热流密度q和实际热流密度q的偏差，通过所述控制器对第i个温区对应的辐射式加热器（3）进行pi控制，控制第i个温区对应辐射式加热器（3）的功率，使试验件（2）第i个温区的实际热流密度q达到其目标热流密度q；步骤三、密闭环境模拟箱内氧气压的控制：步骤301、利用氧气浓度传感器（6）获取密闭环境模拟箱（1）内的实际氧气浓度；步骤302、打开控制阀（8），根据密闭环境模拟箱（1）内的目标氧气浓度与其实际氧气浓度的偏差，通过所述控制器对抽气泵（7）进行pi控制，控制抽气泵（7）的抽气功率，使密闭环境模拟箱（1）内的实际氧气浓度达到其目标氧气浓度；此时，密闭环境模拟箱（1）内的实际氧气压力达到其目标氧气压力；步骤四、试验件载荷的控制：步骤401、利用载荷检测装置获取试验件（2）实际载荷；步骤402、根据试验件（2）设计载荷和试验件（2）实际载荷的偏差，通过所述控制器对载荷加载装置进行pi控制，控制载荷加载装置的推拉力，使试验件（2）实际载荷达到其目标载荷；步骤五、获取当前试验件的性能参数。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤一中，根据公式，确定试验件（2）第i个温区的目标热流密度q；其中，α为对流换热系数，ε为试验件（2）的表面黑度系数，σ为玻尔兹曼常数，为气体阻滞温度，为试验件（2）第i个温区的温度。

技术总结

本发明公开了一种空天飞机结构力热氧压模拟控制装置及方法，该装置包括密闭环境模拟箱、载荷加载装置、辐射式加热器和氧压控制装置；该方法包括步骤：一、确定预设飞行高度下试验件各温区的目标热流密度和密闭环境模拟箱内的目标氧气浓度；二、试验件表面热流密度的控制；三、密闭环境模拟箱内氧气压的控制；四、试验件载荷的控制；五、获取当前试验件的性能参数。本发明通过设置载荷加载装置、辐射式加热器和氧压控制装置，对施加在试验件上的载荷和热流密度以及试验件所处的环境的氧气浓度进行联合控制，更加真实的模拟试验件在飞行状态下的有氧热环境环境，有利于更加准确地获取试验件在高空真实服役环境下的性能参数。试验件在高空真实服役环境下的性能参数。试验件在高空真实服役环境下的性能参数。