[发明专利]一种气动热试验大功率石英灯辐射热源电极弹性联接装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种气动热试验大功率石英灯辐射热源电极弹性联接装置，在模拟导弹等高速飞行器试验的气动加热环境时，避免脆弱的石英灯加热管电极的损坏，保证热试验环境和试验数据的可靠性，为研制高速导弹及高速航空航天器提供快捷安全的试验模拟手段。

背景技术

随着高速飞行器设计飞行速度大幅度提高，由气动加热产生的高温热环境变得极为严酷。若导弹、航天器等高速飞行器以6个马赫数飞行时，其高速飞行器前端外壳上的瞬时热流密度可超过1.2Mw/m²，局部·区域温度可高达1200℃。如此极端恶劣的高温热环境条件，使得高速飞行器材料和结构的热防护和热强度问题成为事关研制成败的关键问题。高速飞行时严重的气动加热所产生的高温，会显著降低高超声速飞行器材料的强度极限和飞行器结构的承载能力，使结构产生热变形，破坏部件的气动外形并影响飞行器结构的安全性能。为保证高速飞行器的安全，确认飞行器的材料和结构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，须对高超声速飞行器材料和结构进行气动热模拟试验与热强度试验。该项工作对于导弹飞行器的热防护与安全设计具有非常重要的实际意义。

对高速飞行器高温热环境进行复现或模拟的气动热试验方法可分为“对流方式”和“非对流方式”两类。对于“对流方式”的高温结构风洞而言，其优点是可以比较真实地模拟飞行过程中由气流相对运动产生的气动加热环境和气流对飞行器外表面的剪切效应。但是由于采用台阶式热功率升、降方式实现非稳态的热环境模拟，以平均热功率和平均热流密度进行整体评价，高温结构风洞难于模拟变化复杂的动态非线性热环境。另外，高温结构风洞的试验成本极为昂贵，并且单次运行时间短，如美国LENS高焓激波风洞及俄罗斯的U-12风洞的单次运行时间各为30-80ms和25-220ms，因此，目前高温结构风洞还不能实现远程高超声速机动飞行器长达数千秒的气动热试验环境的全程模拟。

“非对流方式”是以热传导或热辐射为主导换热形式的热试验方法，其中以采用钨制螺旋丝状体作为辐射源，密封在透明的石英玻璃管中并通电发出强红外光线的辐射式气动热环境模拟试验技术发展得较早，应用最为普遍。由于“非对流方式”的红外辐射式气动热环境模拟试验技术具有一些突出的优点：(1)石英灯辐射加热器发热功率大、体积小，可组成不同尺寸和形状的加热装置，因此既适合于小型的材料热试验，也适用于大型全尺寸的结构热试验。因此对于外形结构复杂的实验件，具有较好的适应能力，是气动热模拟试验较理想的辐射加热源；(2)石英灯辐射加热器的热惯性小，电控性能优良，非常适合于高速变化的瞬态气动加热模拟；(3)石英灯辐射加热试验的运行成本要比高温结构风洞低很多，实验设备的制作相对容易。因此，当今美国、俄罗斯、德国、法国、日本以及我国的相关航天航空研究部门都将石英灯辐射式气动热环境模拟试验技术作为重要的地面热试验手段在使用。

当高超声速飞行器高马赫数飞行时，壳体表面温度很高，热流密度很大，因此在进行地面热环境模拟试验时，所需的瞬时总体加热功率非常巨大。例如单根30厘米长的石英灯加热管的功率即可高达7000W，工作时电流的安培数非常大，为了保证试验时大电流的通过，避免导电部件接触不良以及出现跳火烧坏电极的现象，石英灯辐射热源电极的可靠供电联接方式极为重要。现有技术是采用图1所示的使用螺栓锁紧的方式将大功率石英灯辐射热源电极和导电座进行固联，以确保大功率石英灯辐射热源电极在热试验时导电的可靠性。但是，由于石英灯加热管电极由薄壁石英玻璃包裹固定，十分脆弱，受到外力后极易损坏，另外铜制石英灯加热管电极的热膨胀系数比较大，再加上很长的石英灯在高温下的轴向变形等因素的影响，若采用现有的固定电极支座技术，极易造成在强行固联后，脆弱的石英灯加热管的损坏，破坏石英灯的真空封闭使石英灯烧毁，造成温度场的不均匀现象，影响试验结果的可靠性。

为此本发明设计一种气动热试验大功率石英灯辐射热源电极弹性联接装置。使其在试验中即能保证大电流的可靠通过，又能够使石英灯辐射热源电极不被完全强制固联，当进行高温热试验时，在铜制石英灯辐射热源电极膨胀伸长以及很长的石英灯加热管产生轴向变形的情况下，能够在通电状态下允许石英灯辐射热源电极与电极联接支架之间产生适当的相对位移，使脆弱的石英灯加热管电极不致因两端被强制固定而损坏，为高速导弹及高速航空航天器的研制提供安全可靠的高温热环境试验手段。因此，本气动热试验大功率石英灯辐射热源电极弹性联接装置具有重要军事工程应用价值。

发明内容