centrifugal 用熱控裝置設計

魯亮

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900）

飛機、載人航天器、導彈等飛行器在快速飛行階段，除了承受慣性載荷外，還承受氣動熱載荷的共同作用[1-5]。單一環境參數作用下，會導致飛行器產生1種或多種不同影響，而多種環境因素的共同作用則可能對飛行器性能指標造成綜合性、復雜的影響。如慣性載荷使飛行器出現超重現象，高溫環境容易誘發電子器件功能失效，在高溫、熱應力及慣性載荷的共同作用下，飛行器產品結構可能會發生變形，甚至影響運動部件的正常工作等[6-10]。因此，環境試驗標準如GJΒ 150A 及美軍標MIL-STD-810H 中均指出，綜合環境試驗可能比一系列連續的單個試驗更能代表實際環境效應，使用環境中遇到這些條件時，可進行綜合環境試驗。

美、歐各國自20 世紀起，先后建立了各類熱-離心綜合環境試驗設備[11-14]。如約翰遜宇航中心、愛德瓦茲空軍基地等研究機構均具備開展最大加速度≥30g、最高加熱溫度≥100 ℃的熱-離心綜合環境試驗能力，但更多細節性資料未見報道。國內方面，張海軍[15]、何聞等[16-20]利用溫度箱研制了最大加速度為10g的小型樣機，并采用有限元分析的辦法建立了密封艙體結構離心加速度與熱的耦合關系式。韓澈[21]、王智勇等[22-24]、夏剛等[25]對熱-離心耦合機理進行了分析，指出此種耦合是客觀存在的，很難直接消除，提出可使用強迫對流等辦法提高溫度場均勻性。2014年，北京強度環境研究所采用石英燈及石墨加熱器，研制了熱-離心綜合試驗設備，形成了最大加速度≥100g、最高加熱溫度≥600 ℃的試驗能力。然而，飛行器在快速飛行階段響應溫度呈現梯度分布特征，目前熱-離心綜合環境試驗中還未見溫度梯度分布模擬的相關報道。

綜上所述，熱-離心綜合環境試驗技術手段還十分缺乏。相對于離心環境下溫度穩態控制，基于產品動態升溫過程的熱模擬試驗技術要求更為嚴格，尤其是針對產品溫升過程中熱梯度分布效應的精確模擬，涉及離心環境下傳熱特征分析及熱加載方式設計、多場耦合環境下載荷協同加載及控制技術研究等。本文以飛行器產品熱-離心綜合環境試驗任務為研究對象，對離心環境下熱載荷動態加載方式進行系統研究，研制了一套熱-離心綜合環境試驗用熱控裝置，設計了驗證試驗，并利用該試驗裝置對模擬試驗件進行了熱-離心綜合環境試驗，提出了后續試驗改進方法，為飛行器產品環境適應性評估提供了技術支持。

1 裝置總體研制目標及技術方案設計

1.1 總體研制目標

熱控裝置主要用于飛行器熱-離心綜合環境試驗考核，各項指標設計應適用于熱-離心綜合環境。最高加熱溫度方面，應能夠滿足飛行器產品最大響應溫度的熱模擬需求。同時，考慮到飛行器產品不同部位受熱時呈現梯度分布特征，裝置應具備基于響應溫度的分區熱加載及控制能力。溫控指標方面，目前尚未有現行的熱-離心綜合環境試驗標準，可參考 GJΒ 150A 中溫度允差的規定進行設計。熱控裝置的各項功能實現是基于現有離心機設備，因此在加熱功率、設備體積、布局等方面應結合實際離心機情況進行綜合考慮。

裝置總體研制目標如下：可實現三溫區加熱；單溫區具備10 kW 的加熱能力，輸出功率調節范圍為0.0～100.0%；單溫區加熱范圍滿足室溫～150 ℃，升溫速率在0～6 ℃/min 可調（典型試驗件）；設計冗余硬件，具備硬件容錯功能；最大加速度可達90g。

1.2 系統方案設計

裝置總體設計技術路線如圖1 所示。裝置設計時，需滿足高g值離心環境熱加載可靠設計、產品相應溫度梯度分布效應模擬、試驗過程熱載荷精確控制等要求。針對90g高g值離心環境對溫度場耦合效應明顯的情況，設計時對具體耦合情況進行了分析，提出采用熱傳導方式的熱載荷加載設計方案，并同時開展載荷加載優化設計，提高熱加載的有效性和可靠性。分析了高g值環境下對熱控裝置的影響，提出了系統硬件及布局優化設計方案。為了滿足基于產品響應溫度梯度分布效應等效模擬的需求，開展了基于產品響應溫度梯度分布特征的建模分析，從熱量大小進行比較，給出分段包絡的條件設計方案。為了實現熱-離心綜合試驗全歷程范圍溫度的高精度控制要求，借鑒模糊控制思想，設計了類模糊-分段自整定控制算法。

圖1 熱控裝置總體設計 Fig.1 Overall design of thermal control device

2 熱控裝置關鍵模塊設計

2.1 高g 值離心環境熱載荷加載方式及熱控裝置空間布局優化設計

2.1.1 基于熱傳導的載荷加載方式設計

熱-離心綜合環境試驗過程中，離心機的轉動對 試驗件周圍空氣分布造成明顯影響，考慮到現有離心機設備對加熱裝置空間、質量、配電等方面的約束，不宜增設溫度箱或相關對流傳熱方式為主的熱控裝置。采用輻射式傳熱的加熱元件，如石英燈等是開展熱-離心綜合環境試驗的方法之一。但由于輻射加熱方式所需功率較大，需要在離心機設備研制前進行統籌規劃，且石英燈在離心機環境中存在燈管易碎、耐久程度低等情況，目前尚未見到其在90g及以上高g值離心環境下的應用報道。采用熱傳導加熱方式，可以將加熱元件直接貼合在試驗件表面。從熱傳遞路徑上進行分析，加熱元件通電發熱，熱量通過傳導方式直接傳遞至試驗件表面，傳熱路徑簡單，傳熱過程受空氣場擾動小，適用于離心場環境下開展基于產品響應的溫度加載。

根據實際工程經驗，在具體試驗過程中，受離心力、高溫的影響，加熱元件仍有可能出現移動、脫落等情況。應重點針對高g值環境下加熱元件的安裝固定工藝展開優化設計，解決的方式包括：1）試驗前，對加熱元件強度進行核算或性能驗證，避免出現高g值試驗過程中加熱元件斷裂毀壞的情況；2）若經委托方允許，可提前定制與試驗件外形尺寸匹配的加熱套，可利用夾具等完成加熱元件夾持固定方案設計；3）若無法提前定制加熱套，可采取柔性加熱帶纏繞的方式，纏繞過程中，每層加熱帶應單獨貼敷高溫膠帶固定，必要時，還需要利用耐高溫打結繩等對柔性加熱帶進行加固優化設計。

2.1.2 熱控裝置的硬件實現

熱控裝置硬件結構如圖2 所示，系統由加載系統、控制系統、測試系統等部分組成。加載系統包括空氣開關、接觸器、調功器、加熱元件等，設計采用220 V-AC 供電，根據單溫區10 kW 加熱能力的設計目標，配置220 V-1P-50 A 調功器，接收從溫度控制器發送過來的功率輸出信號，實現輸出功率的動態調節?？刂葡到y包括現場溫度控制器，利用通訊功能與自研的上位機監控系統實現數據交互。溫度控制器實時采集試件相應溫區的溫度信號，并經過基于試驗條件的邏輯運算，發出功率輸出信號給調功器。具體設計時，應考慮離心機現場工業環境，如電磁干擾、離心機轉動時的接觸干擾等情況，具體考慮輸出信號類型。本設計選用了4～20 mA 標準控制信號作為功率輸出信號。

圖2 熱控裝置硬件結構 Fig.2 Hardware structure of thermal control device

2.1.3 高g 值離心環境硬件布局優化設計

針對最大加速度綜合能力≥90g的使用場景需求，在2.1.1 節介紹了基于熱傳導的載荷加載方式設計。除此之外，高加速度環境對離心機上的設備儀器也會造成影響。在前期熱控裝置研制過程中，曾選擇將加載系統中的接觸器、調功器等元件放置在離心機轉軸位置，以減小離心轉動影響。然而經過長時間離心轉動，仍出現部分儀器螺釘松脫等現象，為試驗安全帶來隱患?？紤]到熱-離心綜合環境試驗設備涉及復雜的電氣接線、離心機上設備安裝空間約束等制約，疊加高g值離心環境下設備儀器仍無法避免地要受到離心環境的考核。為了保障試驗的可靠性，通過不斷地布局優化設計，最終形成熱控裝置高g值條件下的硬件優化布局方案，如圖3 所示。

圖3 高g 值離心環境熱控裝置布局結構優化設計 Fig.3 Layout structure optimization design of the high g-value centrifugal ambient thermal control device

圖3 所示的硬件優化布局方案充分利用離心機滑環組件，將加載系統的空氣開關、接觸器、調功器等部件放置在地面配電間，利用功率環，通過電纜將電源供給加熱元件。熱電偶信號的采集是通過熱電偶數字采集器，將溫度信號轉換至數字信號，通過網線經過信號環傳遞至地面監控間的控制器。該布局設計將大部分硬件轉移至地面，大大減輕了離心機上空間的布局壓力，實現了離心機上熱控裝置輕量化設計的目標，提高了熱控裝置工作可靠性。

2.2 基于分段包絡思想的產品響應溫度梯度分布效應模擬方法及實現

在飛行過程中，飛行姿態、不同部組件的材料和位置等不同，因此產品表面響應溫度存在明顯差異。當利用溫度箱等設備采取單溫區控溫時，根據包絡設計原則，單溫區加熱時產品承受的熱量用Q1+Q2表示，如圖4 所示，Q2為產品承受的熱量過考核。針對熱敏感試驗件，需要在考核充分的基礎上，減少過熱考核，以免造成試驗件損壞。因此，為了更加真實地模擬試驗件飛行過程中的熱響應狀態，本方案特別提出了基于分段包絡思想的熱加載條件設計，如圖5所示。此時，產品承受的熱量過考核為Q3+Q4+Q5，明顯小于Q2。因此，采取分段包絡思想的產品多溫區劃分，可以減少熱量對產品帶來的過試驗考核，考核結果更加真實。在具體實施時，分區數量還應考慮硬件及工程實施等制約因素，在本設計中分區數取為3。

圖4 單溫區溫度加熱過沖分析 Fig.4 Temperature heating overshoot analysis of single temperature zone

圖5 三溫區溫度加熱過沖分析 Fig.5 Temperature heating overshoot analysis of three-temperature zone

2.3 類模糊-分段自整定控制算法

熱-離心試驗中，產品響應溫升呈現大時滯、大滯后特性，疊加高加速度載荷耦合影響，構成熱-離心綜合試驗系統特有的過程溫升控制問題。首先開展了高g值、寬溫域條件下的溫度控制技術研究，利用階躍法及參數整定公式建立了不同溫度區間的參數基值，借鑒了模糊控制的思想，設定了閾值及控制參數自推理邏輯，完成了類模糊-分段參數自整定控制算法研究，如圖6 所示。同時，針對典型溫升條件，根據熱力學第一定律，明確熱傳遞路徑，對控制模型進行耦合-擾動簡化分析。完成特定升溫條件下溫區耦合影響分析及控制參數匹配設計。

圖6 類模糊-分段參數自整定控制算法設計 Fig.6 Design diagram of a self-tuning control algorithm for class fuzzy-segmented parameters

3 熱控裝置應用研究

3.1 試驗條件設計

3.1.1 模擬試驗件簡介

為了考核熱控裝置的設計性能指標，利用模擬試驗件開展了熱-離心綜合環境熱控裝置功能指標驗證試驗。模擬試驗件材料選用2A12 高強度硬鋁材質，設計為圓錐體結構，壁厚設計為2 mm，大端底部打孔供柔性加熱帶輔助安裝。利用Ansys workbench 軟件對模擬試驗件開展了150 ℃、90g應用場景的受力安全性分析，結果滿足試驗需求。

3.1.2 試驗條件設計

1）試驗方向定義。試驗方向的定義如圖7 所示，其中，O表示試驗件質心，OX表示軸向，OY表示法向，OZ表示側向。

圖7 試驗方向定義 Fig.7 Definition of experiment direction

2）加速度載荷條件設計。OX向加速度為65.1g，OY向加速度為65.1g，OZ向加速度為0g，合成加速度為92g。保載時間為3 min。加速度載荷控制基準點為試驗件的質心位置，試驗載荷控制按照 GJΒ 150.15A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法 第15 部分：加速度試驗》的相關要求執行。

3）溫度載荷條件設計。如圖7 所示，將試驗件劃分為3 個區域，分別以試驗件殼體內壁A、Β、C三個點為溫度控制點，控制試驗加載條件見表1。高溫試驗載荷控制按照GJΒ 150.3A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法 第3 部分：高溫試驗》的相關要求執行，溫度控制允差為±2 ℃。

表1 試驗加載條件 Tab.1 Loading conditions of experiment ℃

4）綜合時序設計。開展熱-離心綜合環境試驗時，首先進行溫度加載。當溫度加載至1 500 s 時，按照加速度載荷條件運行離心機，同時繼續升溫。當離心機達到最大加速度載荷（92g）后，加速度保載3 min。然后離心機卸載，溫度停止加熱。

3.2 試驗結果及分析

3.2.1 試驗過程

按照載荷加載條件，利用該熱控裝置完成了熱-離心綜合環境功能指標驗證試驗。試驗起始溫度為35 ℃，歷時2 150 s，最大加速度為92g，保載時間為3 min，最高加熱溫度為150 ℃，最大升溫速率≥3 ℃/min。升溫過程中，溫度誤差優于±1.5 ℃。

3.2.2 溫度加載結果及分析

三溫區溫升及溫升偏差曲線如圖8 所示?？梢钥闯觯瑴囟壬郎剡^程中，各溫區溫度實際值根據設定值進行升溫，期間溫度偏差值優于±1.5 ℃。未見高溫加熱區域（Β、C 區）對低溫加熱區域（A 區）的耦合影響，熱控裝置加載結果滿足試驗要求。加熱前，溫度偏差最大值出現在初始加熱升溫階段，這是由于初始加熱段溫度目標值從恒溫段變化至變溫段造成的。其后溫升偏差出現減小的趨勢，說明溫度加載能夠實現對溫升目標的快速跟隨。根據溫度偏差數據，離心機速度對溫度加載的影響不明顯。

圖8 溫升及溫升偏差曲線 Fig.8 Temperature rise (a) and temperature rise deviation (b) curves

三溫區功率輸出百分比變化情況及溫升偏差曲線如圖9 所示?？梢钥闯觯瑴囟壬郎剡^程中，加熱500～1500 s 升溫段期間（即初始升溫段穩定后至離心機轉動前），熱控裝置加熱輸出百分比波動范圍為24%～42%。室溫至150 ℃升溫段期間，最高加熱輸出百分比未超過55%，說明150 ℃以下溫度區間，熱控裝置輸出狀態穩定，且留有較大裕量。1 500 s 以后（110 ℃以上升溫段期間），各溫區加熱功率出現振蕩增加的現象。分析原因是，離心機開始轉動，造成強制對流散熱效應增強，控制系統需要增加輸出功率以繼續升溫。溫度上升造成散熱增強，需要更大的功率以維持繼續升溫速率。Β、C 溫區之間的功率輸出百分比相近，變化趨勢一致，是由Β、C 溫區升溫條件、加熱元件的相似性決定的。Β、C 溫區與A 溫區功率輸出百分比進行比較，A 溫區功率輸出百分比最低，但與Β、C 溫區未形成明顯差異。造成這一現象的原因可能是，溫區加熱條件最低，導致輸出功率最低，輸出功率差異并未與溫度差異成比例對應關系，還需從復雜結構傳/散熱、迎背風面等角度開展進一步分析。

圖9 加熱輸出百分比情況 Fig.9 Heating output percentage: a) power;b)temperature deviation

4 結語

以飛行器產品飛行過程熱-離心綜合環境適應性試驗為背景，開展了熱-離心綜合環境試驗用熱控裝置設計。采用基于熱傳導的載荷加載方式設計，減少了傳熱過程中受到的溫場擾動。完成了熱控裝置的硬件實現及空間布局優化設計，實現了離心機上熱控裝置的輕量化設計，提高了熱控裝置工作的可靠性。提出了基于分段包絡思想的產品響應溫度梯度分布效應模擬方法及實現，可以更真實地模擬飛行器飛行過程中的熱響應狀態。利用熱控裝置樣機完成了熱-離心綜合環境模擬試驗，試驗結果證明，研制的熱控裝置能夠針對模擬試驗件開展高g值熱-離心綜合環境試驗，可為高g值熱-離心綜合環境試驗研究提供技術支持。