高速飛行器輻射熱試驗模擬有效性及影響因素研究

武小峰，王成亮，王 偉，王智勇，榮克林

（北京強度環境研究所，北京，100076）

0 引 言

以俄羅斯匕首、鋯石為代表的高速武器具有高馬赫數、高機動、強突防等特點，成為當前世界軍事強國角力的熱點。高速飛行器在飛行過程中承受著極其嚴酷的氣動力熱載荷環境，這給飛行器設計、熱防護材料制備、地面試驗模擬考核等方面均帶來了很大的挑戰。

針對高速飛行器結構力熱性能的地面試驗考核方法主要有風洞與輻射熱試驗兩類，其中輻射熱試驗是以石英燈、石墨等為加熱元件，通過高溫輻射的方式對試驗件進行加熱，進而考核結構傳熱承載性能的一種重要的地面試驗手段。輻射熱試驗具有非接觸熱場施加、易于與其他力學載荷（靜力、振動、噪聲等）相組合，力熱載荷按飛行條件時序可控，以及通過拼接可適用于大尺寸乃至全彈結構等優點，已廣泛應用于常規飛行器和高速飛行器的研制和批抽檢試驗。

輻射加熱機理簡單，但由于加熱機制與高空或風洞的對流加熱不同，輻射熱試驗模擬飛行力熱載荷的等效關系和適用性需要明確。另外，輻射熱試驗中存在諸多影響試驗模擬效果的因素，特別是針對高速飛行器，其載荷環境與常規飛行器相比又有新的特點，對試驗模擬有效性提出了更高的要求，因此對相關影響因素需要重點關注研究。本文針對輻射熱試驗模擬有效性及其影響因素開展了分析研究工作，以期闡明試驗模擬機理，提升對高速飛行器結構力熱性能考核試驗模擬的有效性。

1 輻射熱試驗模擬機理

高速飛行器在大氣層中飛行，周圍空氣受到強烈的壓縮和劇烈的摩擦作用，空氣溫度急劇升高，熱能迅速向飛行器表面傳遞。結構壁面吸收到空氣邊界層施加的熱壁熱流如下：

需要注意的是，輻射熱試驗中通常采用熱流傳感器來測量結構件收到的輻射熱流的大小，為了保證熱流傳感器測試結果的真實性，在結構表面往往需要進行涂黑處理，以保證結構件與熱流傳感器表面的發射率一致，因此式（3）中的發射率與式（2）中的結構真實的表面發射率不一定相同。

由式（2）、式（3）可知，輻射熱試驗雖然與氣動加熱的換熱機理不同，但從研究結構熱特性的試驗目的出發，可以通過模擬結構表面凈吸收的熱流或表面溫度的方式，建立起兩者的等效關系。只要保證結構表面在每一瞬間吸收熱流或表面溫度與飛行情況一致，即可獲得相同的結構內部溫度響應，而與加熱方式無關，這就是輻射熱試驗的模擬機理。進一步地，結構受熱后的熱應力狀態與結構的溫度場分布和外邊界、內部結構約束相關，在結構相同、外部約束相同的前提下，只要保證溫度場相同，就可以準確模擬內部的受力狀態。

2 試驗有效性影響因素分析

根據圖1 所示的輻射熱試驗的換熱關系，為了在實際工程試驗中有效模擬結構件受到的飛行載荷條件，需要保證載荷條件的準確施加與測試，同時降低空氣對流等環境因素的影響。下面將針對幾種影響輻射熱試驗有效性的因素進行分析研究。

圖1 輻射熱試驗換熱關系示意Fig.1 Schematic Diagram of Heat Transfer in Radiation Thermal Test

2.1 載荷施加方法

2.1.1 熱載荷施加

對于高速飛行器，不同區域和部位的氣動加熱是非均勻的。為了模擬非均勻熱場，輻射熱試驗中加熱器設計時采取類似于有限元方法的分區離散方法，每個溫區內熱流均勻分布，不同溫區間熱流不同，總體上以階梯型分布近似模擬連續曲線分布的方式來實現非均勻熱場的模擬。

同一溫區內熱場的均勻性，以及不同溫區間的燈頭盲區是評價熱場施加效果的關鍵。以圖2 所示的雙排平面石英燈加熱器（兩個溫區）為例，石英燈間距和數量、石英燈與結構件距離、多排石英燈之間距離等因素均會影響到達試驗件表面的熱場均勻性。

圖2 雙排石英燈熱場均勻性評價示意Fig.2 Schematic Diagram of Thermal Field Uniformity for Double-Row Quartz Lamp

首先，石英燈間距和石英燈與結構件距離對于熱場均勻性呈反相關關系：越大，結構件表面方向熱場越不均勻；而越大，結構件表面方向熱場越均勻。如圖3 所示，當=80 mm、=50 mm 時，可以清晰地看出單根石英燈的輻射熱場效果，這時減小石英燈間距或增加與結構件的距離，均可以明顯改善方向輻射熱場均勻性。另外，從圖3 還可以看出距離加熱對稱中心位置越遠，熱流密度逐漸降低，因此需要足夠的石英燈數量，以擴大加熱區域范圍，才能保證熱場均勻性達到一定的要求。

圖3 石英燈間距及與結構件距離對熱場均勻性的影響Fig.3 Effects of Quartz Lamp Spacing and Distance between Quartz Lamp and Specimen on Thermal Field Uniformity

對于方向熱場均勻性，圖4 給出了多排石英燈之間距離的影響。由圖4 可以看出多排石英燈之間距離越小，熱場越均勻。在實際工程應用中，常采用如圖5 所示的多排石英燈共用電極交叉排布的方式來減小多排石英燈之間距離，增加方向熱場均勻性。

圖4 多排石英燈之間距離對熱場均勻性的影響Fig.4 Effects of Distance between Multiple-row Quartz Lamp on Thermal Field Uniformity

圖5 多排石英燈共用電極交叉排布Fig.5 Cross Arrangement of Multiple-row Quartz Lamp with Common Electrode

2.1.2 力載荷施加

針對高速飛行器高溫條件下氣動力載荷的模擬與常溫加載基本相同，通過過渡機構將力傳感器和加載裝置引出熱場之外，或采取有效防熱措施，使其處于常溫條件下工作。對于分布靜力的加載，通常有兩種方式：a）通過離散化方法和杠桿級聯的方式，將分布力等效為多個集中力的方式；b）采用氣壓或液壓的方法，通過包帶或氣囊施加均勻的外壓。對于振動載荷，在對飛行器結構進行輻射加熱的同時，采用經隔熱防護后的振動臺進行基礎激勵的施加。對于噪聲載荷，采用行波管或混響室對結構進行噪聲激勵。

氣動力載荷施加的有效性，一方面取決于設計部門給出的載荷計算準確性，另一方面也取決于加載過程中對關鍵結構部位載荷模擬的等效性。其中，在載荷等效上，需要根據受力分析，考慮實際試驗空間等因素，進行載荷分配，同時避免局部應力集中；在試驗邊界上，盡量采用與被試對象真實連接的艙段進行邊界剛度、強度以及導熱、熱容的模擬。

2.2 參數測試

在輻射熱試驗中，常見的試驗控制方法主要包括溫度控制、熱流控制，以及溫度熱流耦合的冷壁熱流控制等，因此對于結構表面溫度和凈吸收熱流的準確測試，是保障試驗模擬有效性的關鍵。

2.2.1 溫度測試方法

目前在輻射熱試驗中常用的結構表面溫度測試方法分為接觸式和非接觸式兩類。接觸式測溫以熱電偶為主，其測溫范圍取決于其使用材料的耐溫性能，常用的K 型（鎳鉻-鎳硅）熱電偶測溫范圍小于1200 ℃；非接觸式測溫方法中，常用單波段紅外測溫法，該方法需要提前知道并設置被測目標的發射率。

高速飛行器結構的部分外表面溫度超過1000 ℃，因此對于外表面溫度測試主要以非接觸式測溫為主。采用單波段紅外測溫時，發射率的準確設置至關重要。圖6 為某石英燈輻射加熱試驗中同時采用K 型熱電偶和單波段紅外點溫儀（Reytek，MMG5 系列，量程250～1650 ℃）對高速飛行器熱防護結構表面溫度進行測試的結果，其中點溫儀設置的發射率采用TEMP 2000A 紅外發射率/反射率測試儀（波長范圍：3～35 μm）在常溫下進行測定。可以看出，雖然整體上點溫儀與熱電偶測試溫度基本一致，但溫度較低時，點溫儀測試溫度偏高，而溫度較高時，點溫儀測試結果偏低，說明結構表面發射率會隨著溫度發生變化，因此對于結構表面高溫發射率的準確測定，是提升單波段紅外測溫方法測試精度的關鍵。

圖6 某試驗結構表面溫度點溫儀與熱電偶測試結果Fig.6 Test Results of Infrared Spot Thermometer and Thermocouple for a Certain Specimen

此外，還可以采用不依賴于結構表面發射率的多光譜測溫手段來對高速飛行器輻射熱試驗中結構外表面溫度進行測試。多光譜測溫法通過制備多個光譜通道，利用多個光譜的輻射亮度測量信息來獲取目標溫度，該方法可以規避了發射率和波長選取帶來的影響，對被測對象要求較低，因而表現出了很好的發展前景。

除了結構表面發射率外，輻射加熱元件的背景光干擾也會影響非接觸式紅外溫度測試。對于石英燈加熱元件，由于石英燈管可以有效阻擋波長5 μm 以上的光譜透射，因此在采用紅外測溫時，通過選擇測試波長即可避免光源背景光的干擾。但是對于更高加熱功率的石墨加熱元件，光源波長覆蓋全光譜范圍，很難通過選擇測試波長來避免光源干擾，這時就需要對石墨輻射背景光進行測定，并通過測試過程中的實時修正來消除背景光影響。

2.2.2 熱流密度測試方法

針對高速飛行器結構的輻射熱試驗，常采用水冷的戈登式熱流傳感器進行到達結構表面的熱流密度測試，其基本原理是利用熱敏感元件（康銅圓片）在輻射場作用下產生的徑向溫差來表征熱流密度大小。熱流傳感器的測試結果能否準確衡量結構表面的到達熱流，主要受表面發射率和對流效應兩個因素的影響。通過對結構表面進行涂黑處理，使結構與熱流傳感器表面的發射率相同，即可避免表面發射率導致的差異。而對于對流效應，由于熱流傳感器的水冷作用，敏感元件表面溫度遠低于試驗件結構表面溫度，導致兩者之間的空氣對流換熱存在差異，因此對于空氣對流效應對熱流密度測試的影響需要進行評估。在后面2.3.1節中，介紹了評價空氣對流效應的方法，并對某種特定狀態的空氣對流影響進行了測定。

另外，熱流傳感器與結構件的相對位置也是影響輻射熱試驗有效性的重要因素之一。如圖7 所示，對于尺寸較小較規整的結構件，可以在結構件受熱平面附近布置熱流傳感器進行熱流密度測試與試驗控制；但對于大型復雜結構，試驗件表面通常不允許打孔安裝熱流傳感器，而在附近布置傳感器又可能存在較大的測試偏差，因此常在石英燈或石墨加熱元件另一側的水冷反射板上布置熱流傳感器，通過提前測試這一位置熱流密度與試驗件表面熱流密度之間的關系（位置系數調試），間接評估試驗件表面的熱流密度并開展試驗控制。

圖7 結構件與熱流傳感器相對位置示意Fig.7 Schematic Diagram of Relative Position between Heat Flux Sensor and Specimen

為了更準確地獲得位置系數，需要盡量使用與真實結構相同的材料模擬件進行調試，但在實際試驗中，有時也可使用與水冷反射板相同的水冷模擬件進行調試。圖8 和圖9 分別給出了石英燈和石墨不同加熱條件下位置系數調試仿真結果，其中水冷反射板和結構件與加熱元件之間的距離相等，通過測試放置在水冷反射板中間的熱流密度與結構件中間的熱流密度，得出位置系數=/。可以看出，在石英燈加熱條件下，到達水冷反射板和結構件表面的熱流密度之間有差異，并且隨著加熱溫度的增加，差異逐漸增大，位置系數逐漸升高；而在石墨加熱條件下，到達水冷反射板和結構件表面的熱流密度基本相同，位置系數接近于1，基本不隨加熱溫度而改變。石英燈與石墨結果的差異主要體現在發熱元件的尺寸及間隙上：試驗中常用的石英燈加熱器燈絲尺寸較細（直徑約3 mm），而兩根石英燈之間的間距較大（20 mm），加熱元件本體與間隙的面積之比較小；石墨加熱器單根石墨橫向尺寸較大（25 mm），而間隙較小（10 mm），加熱元件本體與間隙的面積之比較大。小的間隙使得水冷反射板與結構件之間的輻射換熱難以進行，兩個熱流傳感器獲得的熱流以石墨本體的輻射熱流為主，是否采用真實結構進行調試的影響不大。因此在高速飛行器常用的石墨加熱條件下，可以采用與水冷反射板相同的水冷模擬件替代真實結構件進行位置系數調試，但是在調試過程中，需關注水冷反射板與真實結構在空氣對流效應方面的差異評估。

此次研究采用SPSS 17.0統計學軟件進行數據統計分析，計數資料采用[n（%）]表示，比較行 χ2檢驗，計量資料間比較采用（±s）表示，行 t檢驗，P<0.05 為差異有統計學意義。

圖8 石英燈加熱條件下的位置系數調試結果Fig.8 Debugging Results of Position Coefficient under Quartz Lamp Heating

圖9 石墨加熱條件下的位置系數調試結果Fig.9 Debugging Results of Position Coefficient under Graphite Heating

2.3 環境效應

高速飛行器在地面輻射熱試驗中的大氣環境與高空飛行環境不同，其中地面輻射熱試驗會受到空氣對流效應的影響，并且地面試驗環境與高空環境在氧含量和壓力條件上也有較大差異。這些環境因素會對試驗模擬有效性產生影響。

2.3.1 空氣對流效應

輻射熱試驗中隨著加熱元件和結構溫度的升高，二者之間的空氣溫度也隨之升高，進而會形成較為強烈的對流效應。對流效應主要會對熱流測試和試驗控制產生一定的影響，其影響程度與加熱熱流的大小、結構外形、表面狀態、粗糙度、試驗封閉狀態等因素相關。為了獲取輻射熱試驗中對流效應的影響，通常會在常壓空氣環境和低氣壓環境（沒有自然對流）下分別開展輻射熱試驗，在保證相同輻射加熱條件下，對比獲得對流效應的影響。

圖10 為某試驗中測得的對流熱流密度結果。其中是在常壓空氣環境下的綜合熱流測試結果，包含輻射熱流和對流熱流兩部分；為低氣壓環境下（2000 Pa）的輻射熱流測試結果，對流熱流可以忽略不計。可以看出常壓空氣環境下，曲線存在明顯的空氣對流擾動現象，而低壓環境下，曲線數據光滑，排除了對流效應的影響。另外，隨著加熱條件的不斷升高，常壓與低壓結果相減得出的對流熱流逐漸升高，最高達到約6 kW/m量級。

圖10 對流效應測試結果Fig.10 Test Results of Convective Effect

2.3.2 氧氣效應

相對于高空環境，地面環境的氧分壓偏高。對于酚醛等燒蝕型熱防護結構，富氧的地面試驗環境，會使材料發生明顯的冒煙燃燒現象。煙塵和火焰不僅會影響輻射熱量的施加，還會影響熱流和非接觸式紅外溫度測試的精度，因此通常來講，燒蝕型防隔熱材料不宜采用輻射熱試驗進行力熱性能的考核。而對于非燒蝕型熱防護結構，雖然冒煙燃燒現象可以避免，但是結構在長時間高溫氧化后的力學性能可能會發生變化。有研究表明，C/SiC 復合材料在長時間空氣氧化環境下，剩余強度隨加熱溫度非線性變化，在700 ℃衰減最為嚴重。因此，針對高速飛行器熱防護結構的力熱試驗，為了提升試驗考核有效性，需要考慮高空較低氧分壓的影響，在能夠模擬高空氧分壓的低氧環境試驗艙中開展試驗。此外，在低氧環境中開展試驗，還可以有效降低石墨加熱元件的氧化損耗，提升石墨加熱器的使用壽命和可靠性。

2.3.3 低氣壓效應

高空環境與地面環境的另一個重要差別就在于壓力不同。壓力的差異對于高速飛行器力學承載性能的影響不大，但對于常用的輕質多孔型熱防護結構的防隔熱性能影響極大。地面常壓環境下，多孔結構內部的導熱主要有輻射和對流兩部分，而在高空低氣壓環境下，結構內部氣體析出，對流效應減弱，進而降低了結構自身的導熱能力。

圖11 某多孔材料在不同壓力和熱端溫度下的等效熱導率Fig.11 Equivalent Thermal Conductivity of a Porous Material at Various Pressure and Hot-side Temperature

4 結束語

本文介紹了針對高速飛行器結構力熱性能考核的輻射熱試驗模擬方法，明確了模擬機理，重點研究了力熱載荷施加方法，溫度、熱流參數測試方法，以及空氣對流、氧氣和壓力環境等因素對試驗模擬有效性的影響，并提出了相應解決方案。上述研究成果可提高輻射熱試驗對飛行力熱環境的模擬準確程度，進一步提升輻射熱試驗的有效性和對高速飛行器的適用性。