用于温度-加速度环境下温度场分布特性研究的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于温度-加速度环境下的试验装置，尤其涉及一种用于温度-加速度环境下温度场分布特性研究的试验装置及方法。

背景技术

高速飞行器如导弹、宇宙飞船、航天飞机及其携带的战斗部在发射和再入阶段，受到过载加速度、温度等多种环境因素的共同作用。一方面，加速度将会产生惯性力，使武器装备出现超重现象。另一方面，不同温度环境下，不同材料的物理性能参数也将发生变化，从而导致结构内部应力和动态特性发生变化。已有研究表明，温度-加速度复合环境因素相比仅有加速度或温度单一因素能引发更多的装备可靠性问题。

温度-加速度复合环境试验中，加速度环境常用离心机模拟，环境试验箱安装于离心机机臂的前端，离心机转动时，离心力场会引起封闭腔内温度场的变化，从而影响试验箱内的传热特性，最终影响试验箱内的温度均匀性。另外，对于内部具有电子元器件、热辐射部件等内热源的武器装备，其内部传热特性受离心力场的影响也十分显著。因此，研究离心力场下温度场的分布特性对于改善环境试验箱温度场均匀性以及武器装备的热防护设计具有重要意义。

在现有温度-加速度复合环境试验中，通常采用向离心机整流罩内吹热风的方法进行热加载，由于只能在离心机运行之前吹风，离心机运转过程中整流罩内温度必然出现逐渐下降的现象。最近，浙江大学和中国工程物理研究院总体工程研究所通过在环境试验箱侧壁整体或局部安装电加热膜、箱体内部加装风扇以实现试验箱体内实施热加载功能。在环境试验箱设计加工完成并投入使用后，对于不同热容的产品，其内部表现出的温度均匀性是不同的，此时需要获 取不同条件下(有无内热源、不同压力、空气流动速率等)的温度场分布，以进行进一步的温度均匀性验证及优化设计。目前仅能通过数值模拟进行温度场的计算，且计算往往进行了较多简化，结果可信度不高，而关于离心场下的温度场分布特性的试验装置和方法还十分缺乏。

另一方面，在武器装备研制过程中，特别是具有电子元器件、热辐射部件等多点内热源的武器装备，需要合理布局这些自发热部件，从而达到良好的热控目的，以保证武器装备的可靠性。因此，在产品设计之初，需要掌握离心力场下内热源分布位置对产品内部传热特性的影响。然而，在目前布局设计过程中，往往采用传热学经典关联式计算相关参数，由于传统经验公式大都没有考虑离心力场的影响，所得结果与实际情况偏差较大。战斗部内部诸如电子设备等，或者变形材料的应用，使得战斗部内部呈现多点热源情况，对于传统建模，又较难准确模拟。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种用于温度-加速度环境下温度场分布特性研究的试验装置及方法，以获取不同条件下(内热源特性、压力水平、空气流动速率)离心力场作用下温度场分布特性，并模拟多点热源下产品内部温度场分布，为产品热控设计提供参考。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种用于温度-加速度环境下温度场分布特性研究的试验装置，包括环境试验箱，还包括电加热薄膜、功率计量仪、电源、风扇、阀门、真空泵、复合真空计、测试框架、固定支架、点热源、温度传感器、航空插头、数据采集与功率控制器，所述环境试验箱的顶板内壁上设有用于模拟不同材质热辐射率的涂层，所述环境试验箱的内底部设有隔热底板，所述环境试验箱的外底部侧面装 配有用于与离心机定位连接的定位螺栓，所述环境试验箱的侧壁由内而外依次为玻璃钢、聚氨酯泡沫和薄壁铝合金，所述电加热薄膜设置于所述薄壁铝合金外，所述电加热薄膜的电源输入端与所述功率计量仪的输出端连接，所述功率计量仪的输入端与所述电源连接，多个用于增强空气对流的所述风扇安装于所述环境试验箱内，所述阀门安装于所述环境试验箱的侧壁上，所述真空泵分别与所述阀门和所述复合真空计连接，圆筒框架结构的所述测试框架安装于所述环境试验箱内并通过下部的所述固定支架固定，所述测试框架设有上下排列的多层金属框架，多个所述点热源和多个所述温度传感器分别安装于每一层所述金属框架上，所述点热源的输入电源线和所述温度传感器的信号输出线通过安装于所述环境试验箱的侧壁上的所述航空插头引出并通过引线与所述数据采集与功率控制器连接。

上述结构中，环境试验箱提供一个封闭试验环境，其内顶部的用于模拟不同材质热辐射率的涂层，涂层材质可以根据要求任意更换，进而在对流传热特性的研究基础上考虑了辐射热传导的影响，环境试验箱底部的隔热底板可以防止试验过程中的发生的漏热现象，提高温度场获取的准确性，环境试验箱侧壁的三层结构确保隔热性能良好且具有足够的强度；电加热薄膜、功率计量仪和电源共同构成热加载装置；多个不同位置的风扇共同构成强制对流系统；阀门、真空泵和复合真空计共同构成压力控制系统；测试框架、固定支架、点热源、温度传感器、航空插头、数据采集与功率控制器共同构成多点热源模拟及温场测试系统。

优选地，每一层所述金属框架的多个金属条在中心位置交叉连接，所述点热源和所述温度传感器分别通过可移动安装的吊环吊装于每一层所述金属框架上。

一种用于温度-加速度环境下温度场分布特性研究的试验装置采用的试验方法，包括以下步骤：

(1)将所述试验装置安装于离心机上，启动离心机；

(2)设定点热源的目标功率，通过数据采集与功率控制器启动点热源；

(3)设定环境试验箱目标温度，通过功率计量仪控制电加热薄膜导电加热；

(4)温度达到平衡后，开启真空泵并通过阀门调节环境试验箱内气压；

(5)待环境试验箱内的压力、温度再次达到平衡时，记录此时温度传感器的测量值，获取环境试验箱内的温度场分布；

(6)关闭点热源，断开电加热薄膜的电源，关闭离心机，待离心机停止转动后，开启阀门，试验结束。

本发明的有益效果在于：

1、本发明所述用于温度-加速度环境下温度场分布特性研究的试验装置，在现有温度-加速度复合环境试验基础上增加了多点热源分布的模拟，以及离心环境下温度场分布测量功能；通过多点分布式热源模拟，可以通过试验讨论产品内部热源性质及其分布对其传热特性的影响，温度传感器在试验箱体的分布式测量，可以实时获取离心力场下试验箱体温度场分布规律。

2、本发明集成设计了适用于环境试验箱的内壁涂层、强制对流系统和压力控制系统，不同辐射率的涂层可以讨论壁面辐射率对温度场分布的影响，进而考虑热辐射对传热特性的影响，设计强制对流系统和压力控制系统，可以讨论空气对流强度及气压试验箱内的对流传热的影响。

3、本发明所述试验装置的集成度更高、模拟更加真实，可以开展辐射率、压力、对流，以及多点热源、离心场等多种因素条件下的温度场模拟，复合环 境条件下温度场的模拟更加真实、可信。

附图说明

图1是本发明所述用于温度-加速度环境下温度场分布特性研究的试验装置的立体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明所述用于温度-加速度环境下温度场分布特性研究的试验装置，包括环境试验箱1、电加热薄膜19、功率计量仪5、电源6、风扇7、阀门9、真空泵10、复合真空计11、测试框架12、固定支架13、点热源14、温度传感器15、航空插头16、数据采集与功率控制器18，环境试验箱1的顶板内壁上设有用于模拟不同材质热辐射率的涂层2，环境试验箱1的内底部设有隔热底板3，环境试验箱1的外底部侧面装配有用于与离心机定位连接的定位螺栓4，环境试验箱1的侧壁由内而外依次为玻璃钢22、聚氨酯泡沫21和薄壁铝合金20，电加热薄膜19设置于薄壁铝合金20外，电加热薄膜19的电源输入端与功率计量仪5的输出端连接，功率计量仪5的输入端与电源6连接，多个用于增强空气对流的风扇7安装于环境试验箱1内，阀门9安装于环境试验箱1的侧壁上，真空泵10分别与阀门9和复合真空计11连接，圆筒框架结构的测试框架12安装于环境试验箱1内并通过下部的固定支架13固定，测试框架12设有上下排列的多层金属框架(图中未标记)，每一层所述金属框架的多个金属条在中心位置交叉连接，多个点热源14和多个温度传感器15分别通过可移动安装的吊环吊装于每一层所述金属框架上，点热源14的输入电源线和温度传感器15的信号输出线通过安装于环境试验箱1的侧壁上的航空插头16引出并通过引线17与数据采集与功率控制器18连接。

图1中还示出了置于环境试验箱1外的驱动风扇的电机8。

结合图1，下面以低气压、某辐射率条件下多点热源温度传递特性试验为例，对本发明所述用于温度-加速度环境下温度场分布特性研究的试验装置采用的试验方法进行说明，具体包括以下步骤：

(1)试验前准备：

(1.1)根据试验要求，选择所需辐射率的涂层2；

(1.2)将环境试验箱1安装在离心机上，用定位螺栓4定位；

(1.3)按照试验要求，将点热源14和温度传感器15吊装在测试框架12的金属框架上的相应位置；

(1.4)将测试框架12安装固定在环境试验箱1内；

(1.5)对试验系统上电测试并进行气密性等状态检测；

(1.6)根据检测结果，若结果正常，启动离心机，开始试验；若不正常，则再次进行试验准备；

(2)设定点热源14的目标功率，通过数据采集与功率控制器18启动点热源14；

(3)设定环境试验箱1的目标温度，通过功率计量仪5控制电加热薄膜2导电加热；

(4)温度达到平衡后，开启真空泵10并通过阀门9调节环境试验箱1内的气压；

(5)待环境试验箱1内的压力、温度再次达到平衡时，记录此时温度传感器15的测量值，获取环境试验箱1内的温度场分布；

(6)关闭点热源14，断开电加热薄膜2的电源，关闭离心机，待离心机停止转动后，开启阀门9，试验结束；

(7)试验中断及其它：试验期间，若出现载荷加载异常、温度等数据检测结果异常等现象，视为试验中断，应立即停止试验，待查明原因后再进行后续工作；当需要考察环境试验箱1内气流强度对传热特性的影响时，则可在试验过程中启动强制对流系统，即启动风扇7。

本发明所述用于温度-加速度环境下温度场分布特性研究的试验装置具有以下特点：

1、离心力场下多点分布式热源模拟及温度场测量系统设计：

本发明设计了针对离心力场下可模拟多点分布式内热源以及可测量温度场分布的系统装置。该装置为圆筒框架结构的测试框架12，其大小略小于相应的环境试验箱1，以便能更好地覆盖环境试验箱1的内部空间。测试框架12内部设计有三层金属框架，且每一层金属框架的多个金属条在中心位置交叉连接，这样可根据试验要求在中心位置及径向各个位置安装相应的点热源14或温度传感器15。金属框架配有可移动安装吊环，以便在不同位置安装、布置点热源14及温度传感器15。整个测试框架12采用固定支架13固定在环境试验箱1内。该设计实现了离心力场下温度场的测量，以及产品内部分布式热源的模拟。

2、适用于环境试验箱1的内壁涂层、强制对流系统和压力控制系统的集成设计：

地面传统技术对于不同辐射率材料、压力环境下温场分布情况的分析，往往是独立进行的。而离心环境下，壁面辐射率、空气对流强度及空气密度对环境试验箱1内的热辐射、对流传热的影响情况尚不清楚，为了讨论上述三种因素在离心环境下对环境试验箱1内传热特性的影响，本发明采用系统集成设计方案。环境试验箱1的顶部用不同辐射率的涂层2以探讨辐射率对环境试验箱1内的温度场分布的影响；在环境试验箱1内部布置风扇7，外接电机8驱动，以 及在环境试验箱1的侧壁安装有阀门9，外接真空泵10和复合真空计11以实现探讨环境试验箱1内空气气压及流动强度对温度场分布的影响规律。

3、关于温度-加速度复合环境试验下温度场分布特性研究的试验方法：

本发明以温度-加速度复合环境试验为背景，针对现有复合环境试验下，由于不同气压、辐射率、空气对流强弱等复杂因素影响，温度传递特性研究缺乏的现状，提出了不同壁面辐射率、多点内热源分布、气压水平等因素下离心环境中温度传递特性研究试验的试验方法。并给出典型条件下的试验步骤，包括试验前准备、试验过程、试验中断等。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。