石英燈輻射式瞬態熱環境試驗關鍵技術分析

王德成，林輝

（西北工業大學，西安 710129）

石英燈輻射式瞬態熱環境試驗關鍵技術分析

王德成，林輝

（西北工業大學，西安 710129）

結合石英燈輻射式加熱器的特性，從傳感器弱信號傳輸、無功補償、智能控制、仿形加熱器、開環試驗技術等角度出發，分析了對型號瞬態熱試驗性能的影響。結合瞬態熱試驗的實施，給出了上述幾個角度制約熱試驗實施的改進措施，以期提高試驗系統瞬態熱試驗的有效性。

熱環境試驗；石英燈；熱流傳感器；熱電偶

飛行器飛行過程中，當高速氣流流過飛行器時，氣流與飛行器表面產生強烈摩擦，邊界層內氣流損失的動能轉化為熱能，使邊界層內氣流溫度上升，即氣動加熱。氣動加熱會使飛行器結構的剛度下降，強度減弱，并產生熱應力、熱應變和材料燒蝕等現象，引起飛行器內部溫度升高，使艙內工作環境惡化。氣動加熱是飛行器設計中必須考慮的問題。熱環境試驗在地面通過一定的手段模擬飛行器在空中飛行過程的熱環境，分析飛行器相應的熱響應，是研究氣動加熱問題的有效方法，成為結構設計、強度及可靠性分析、產品性能檢驗和鑒定的重要手段[1—3]。

按照加熱方式進行分類，熱環境試驗主要分為對流加熱、傳導加熱、輻射加熱三大類[4—5]。對流加熱主要借助于熱介質和試驗件之間的高速相對運動來實現，以風洞為代表。傳導加熱主要通過在試件表面敷設加熱墊實現，或利用試件電阻直接通電進行加熱，主要用于材料高溫性能測定。以石英燈作為輻射熱源，具有以下優點：尺寸小，功率大；熱效率高，壽命長；熱慣性小；結構緊湊，便于安裝。這些優點使得石英燈成為熱試驗最常用的熱源[6]。經行業內調查可知，石英燈輻射式熱環境試驗是目前國內航空、航天領域最為普遍的熱環境試驗方法。

隨著型號設計水平的提高，飛行速度和飛行條件的改變，使得熱環境試驗過程中的給定譜線在短時間內呈現快速寬范圍變化特性。這種給定譜線特性，使得瞬態熱環境試驗的實施遇到瓶頸。文中結合石英燈輻射式熱環境試驗系統特性，基于提高瞬態熱試驗能力的視角，對其關鍵技術問題進行了深入的分析。

1　石英燈輻射式熱環境試驗系統

石英燈輻射式熱環境試驗系統的結構如圖 1所示。控制器實時采集熱狀態信號，進行相應的分析運算后，輸出控制信號給電壓調節裝置。電壓調節裝置根據控制信號改變輸出電壓，即改變加熱器的輸出功率，使到達被試產品表面的熱狀態跟隨給定控制目標譜線。

圖1 石英燈輻射式熱環境試驗系統典型結構Fig.1 Typical structure of quartz lamp radiation transient thermal environment experiment

電源為整個熱環境試驗過程提供原始能源，可以采用大功率直流電源，也可采用交流電源。交流電源具有容量大、使用方便等優勢，成為電源選擇方式的首選。為了獲取更高的熱流密度，三相模式下的線-線接法可取代單相模式下的相-中線接法。

電壓調節裝置，接收控制器發出的控制信號，將固定的輸入電壓轉換成施加在石英燈兩端可變的電壓。對于交流電源來說，電壓調節裝置就是利用可控硅組成的AC/AC變換器。

加熱器本身就是石英燈陣列。石英燈的熱源通過鎢絲螺旋繞制而成。典型石英燈的額定電壓為220 V。石英燈的熱流輸出能力，決定加熱器的能力。為了提高加熱器的熱流輸出能力，可采用額定電壓為380 V的石英燈，且在燈管遠離被試產品的一側，涂有反射涂層。

被試產品可以是整體的戰術型號或者運載型號，也可以是型號的部分組件。反映被試產品的熱狀態信號，可以通過相應的傳感器測量得到。溫度信號可以通過熱電偶測量得到。熱流信號可以通過熱流傳感器測量得到。

控制器主要通過閉環控制策略，產生控制信號。可以作為控制器的選擇有多種，如工業可編程邏輯控制器（PLC）[7—9]、數字信號處理器（DSP）[10]、計算機（通過板卡進行閉環控制所需反饋數據的采集）[11]等。譜線跟蹤的好壞取決于控制器的控制律設計，譜線跟蹤過程中的控制律設計，耗時、耗力、耗財。

2　關鍵技術分析

2.1 傳感器弱信號傳輸

熱環境試驗過程中，熱電偶和熱流傳感器的測量數據是閉環控制的反饋。反饋數據的準確性，嚴重影響熱環境試驗的有效性。熱電偶和熱流傳感器輸出信號都是毫伏量級，甚至微伏級。控制器和被試產品的距離往往高達幾十米。傳感器輸出的弱信號在傳輸過程中，除微弱信號通用傳輸過程受到的干擾外，還受到熱環境特殊的影響。

采用交流電源提供能源的方式，主要通過電力電子斬波控制的方式，實現電壓的改變。AC/AC變換器的工作過程中，向供電系統注入大量的諧波。這些諧波通過供電的方式，以傳導的形式影響弱信號的傳輸。連接電壓調節裝置和加熱器的動力線，在空間產生電磁波，耦合在傳輸線上，對弱信號的傳輸產生干擾。這種干擾在電力電子斬波控制模式下更加嚴重。

為了降低弱信號傳輸過程中受到的干擾，需要從傳導干擾和輻射干擾兩個角度出發。在傳導方面，從電源耦合干擾路徑出發，在控制系統的供電電源前配置隔離變壓器、EMI濾波器等設備，減小來自電源的干擾。在輻射干擾方面，可采用的抗干擾措施為：選擇雙絞帶屏蔽的信號傳輸線，且屏蔽層接地處理好；信號線現場布線時盡量遠離干動力線；在傳感器附近增加信號變換裝置，增大信號傳輸的電壓；控制器中信號采集過程中增加軟件數字濾波器，從軟件的角度進行濾波處理。

2.2 無功補償

電力電子技術在熱環境試驗中的應用，使得試驗過程中產生大量的無功功率和諧波。以單相接法為例分析熱環境中的無功補償[12]，對于單相交流電壓信號：

導通角為α時，石英燈陣列的有效值為：

結合石英燈陣列是純阻性負載的特性，功率因數可表示為：

由式（3）可知，隨著導通角從0～180°變化，功率因數從1～0變化。隨著型號研制飛行速度的提升，電源的容量都比較大，導致在試驗過程中導通角較大，使得功率因數較小，存在大量的無功功率。這些無功功率的存在，使得變壓器容量增加，增大設備的損耗，引起上級斷路器及其他電力保護裝置的不正常動作。

通過傅里葉級數分解，可得到基波電壓幅值為：

n次諧波電壓幅值為：

系數an，bn分別為：

式（6）和式（7）中的n取奇數。這些諧波的存在，會引起以下問題：變壓器局部過熱；電容器絕緣老化、壽命縮短以致損壞；自動裝置的誤動作；供電質量下降。

無功功率和諧波在譜線劇烈變化下瞬態熱試驗的過程中，表現得尤為突出。要解決熱環境試驗過程中的諧波污染和低功率因數問題，必須增加無功補償裝置[13]。

2.3 智能控制

熱環境試驗過程中，試驗操作人員需要花費相當長的時間進行譜線的跟蹤調試。調試過程中，若調試方法不當，產生大超調，會對被試產品產生破壞性作用，甚至損壞。控制律的設計對試驗有效性有重要影響。

熱環境試驗系統是一個典型的大慣性、大時滯、非線性特性復雜的系統。對于這樣一個復雜系統，基于PID的譜線跟蹤調試方法很難取得良好的跟蹤效果[14]。PID控制策略是目前廣泛應用于熱環境試驗的譜線跟蹤調試方法，跟蹤性能取決于控制律的參數和被試對象的尺寸形狀、材料和試驗環境。因此加熱設備針對不同的被試對象需要調整控制律的參數才能得到較好的控制效果，但調整控制參數是一個非常麻煩復雜的過程。理想的情況是加熱試驗系統自身能自動識別被試對象的數學模型，然后自動生成合適的控制律及控制參數。目前可用智能控制方法[15]，如自適應控制、自校正控制、模糊控制等方法，以調節控制參數，但這個過程非常復雜，不易得到較好的控制效果。這些控制算法在譜線跟蹤調試過程中，控制器參數的調節將會全面地改變控制量，這使得某些跟蹤性能比較好的時間區間段在進行下一次的調試過程中會出現較差的性能。

考慮到熱環境試驗譜線是根據飛行條件通過有限元分析得到的，在試驗過程中保持不變，滿足迭代學習控制的基本條件。將迭代學習引入譜線跟蹤調試的過程，可提高譜線的調試效率和譜線的跟蹤性能[16—18]。迭代學習譜線跟蹤調試的過程中，控制量的變化，總是結合當前的誤差以及上一次所用控制量產生，屬于局部修正。通過選則小的學習增益，可以有效地避免超調現象，保護被試產品。可在實際的譜線調試過程中，可以采用迭代學習取代PID進行譜線跟蹤調試，提高譜線跟蹤調試的效率和跟蹤精度。

飛行器的飛行氣動特性，以及結構材料的不同，使得熱環境試驗過程中同一被試產品不同的位置給定的譜線不同。這一特性在全彈體試驗過程中尤為突出。這需要在熱環境試驗過程中，需要開展分溫區解耦控制。由于熱環境試驗系統各溫區之間的耦合性不是固定不變的，因此精確的解耦控制律設計需要建立在動態解耦基礎上。

2.4 仿形加熱器設計

當前的熱環境試驗主要針對型號的組件展開進行，這種試驗方式的試驗結果具有較大的局限性，不能真實的反映型號的熱響應。舉例來說，整流罩的筒段在熱試驗過程中施加的熱流不到10 kw/m2，但是這么小的熱流可以使球頭產生幾十攝氏度的溫差。如果不采用整體的整流罩熱環境試驗，這種結構響應就無法獲取得到。隨著型號研制水平的提升，尤其是戰術型號，需要全尺寸仿形加熱器配套使用進行熱環境試驗，得到整體的熱響應。

仿形加熱器的設計，需要按照飛行器的真實尺寸進行量身定做。該種類型的加熱器設計技術難點體現在以下兩個方面。

1）仿形石英燈的設計。目前市面上的石英燈全部是管狀水平的。要設計仿形加熱器，相應的燈管必須定制。仿形石英燈的弧度需要依據飛行器的結構外形進行設計，否則很難做到對飛行器表面進行均勻的加熱。

2）水冷板設計。水冷板具有增加加熱器熱流輸出密度的功效。在設計水冷板時，應保證水流的均勻性，以及焊接的牢固性，避免水冷板的漏水，對燈管產生破壞作用。水冷板的水流方向應是由低到高，以避免氣泡的存在，降低其水冷性能。

2.5 開環試驗

熱流傳感器的測量方式是一種間接測量方式，建立在冷壁、熱壁溫度差基礎上。雖然在熱環境試驗過程中，對熱流傳感器的冷端進行隔熱處理，如通冷水降溫、隔熱石棉包裹處理，但在試驗過程中，無法避免冷端溫度的上升，產生較大的測量誤差。在某被試產品試驗過程中，熱流給定在300 kW/m2以上，一個熱流傳感器進行隔熱處理，輸出作為閉環控制使用，另一個熱流傳感器未經隔熱處理，輸出信號呈現出較大的下降趨勢。這種由冷壁溫度升高產生的熱流測量誤差，在大熱流、封閉狀態下，顯得尤為突出，造成過度試驗。

高熱流狀態下的熱流傳感器校驗，目前也是困擾熱環境試驗的難點問題。熱流傳感器的敏感片在使用中需要涂黑漆。黑漆的不均勻，以及使用過程黑漆的脫落，都會產生測量誤差。熱流傳感器需要經常校驗。校驗過程中，高熱流的熱源很難提供，這給型號的高熱流試驗狀態下的精確測量帶來困難。

真實被試件往往還不允許打孔安裝熱流傳感器，或是傳感器的水冷等使用條件不具備，無法進行閉環試驗。解決的辦法是可以采用開環控制試驗。該方法是在模擬試驗件上反復進行閉環控制試驗調試，由于模擬件上不受打孔，安裝熱流傳感器、冷卻等這些約束限制，可以在閉環控制試驗中取得很好的控制精度。閉環試驗成功后保存整個過程控制電壓隨時間變化的控制參數，在真實的被試件試驗時采用該控制參數直接作用于試驗系統，實行開環試驗。由于開環試驗不包含閉環反饋環節，可以不需裝配熱流傳感器，卻可以保證與閉環控制系統得到相同的試驗精度，使得試驗真實性更好。

3　結語

石英燈輻射式加熱系統在熱環境試驗中起主導作用。型號研制水平的提升，對加熱系統提出更高的要求。為了使得地面熱環境模擬更加真實、有效，無論在加熱系統設計方面，還是在譜線跟蹤調試方面，需要針對上述關鍵問題，進行深入分析。

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Main Technical Analysis of Quartz Lamp Radiation Transient Thermal Environment Experiment Main Technical Analysis

WANG De-cheng, LIN Hui
(Northwest Polytechnical University, Xi’ an 710129, China)

Based on the characteristics of quartz lamp radiation heater, the influence of following factors on experiment performance is was analyzed, such as sensor weak signal transmit, reactive power compensation, intelligent control, profile modeling heater design and open loop experiment way. Combined with the implementation of transient thermal environment experiment implementation process, the corresponding corrective actions based on the above constraint thermal experiment implementation aspects wereare given, in order to improve the effectiveness of transient thermal experiment of experiment system. KEY WORDS: thermal environment experiment; quartz lamp; heat flow sensor; thermocouple

2016-08-15；Revised：2016-08-25

LIN Hui（1957—）， Male， from Fuzhou， Fujian， Doctor， Professor， Research focus: thermal environment experiment technique， electromechanical servo and control technique.

10.7643/ issn.1672-9242.2016.05.006

TJ86；V416

A

1672-9242(2016)05-0036-05

2016-08-15；

2016-08-25

航空科學基金（20140953016）

Fund：Aerospace Science Foundation of China（No.20140953016）

王德成（1981—），男，山東臨沂人，博士，副教授，主要研究方向熱試驗、智能控制。

Biography：WANG De-cheng（1981—）， Male， from Linyi， Shandong， Doctor， Associate professor， Research focus: thermal environment experiment technique and intelligent control.

林輝（1957—），男，福建福州人，博士，教授，主要研究方向熱試驗、機電伺服、控制技術。