ADVANCE OF EXPERIMENTAL TECHNOLOGIES FOR STRUCTURAL MODAL TEST IN HIGH TEMPERATURE ENVIRONMENTS

由于高超声速飞行器长时间在大气层内工作会面临恶劣的气动热环境,飞行器结构地面模态试验必须考虑高温影响,但高温环境下结构模态试验远比常规试验复杂,目前仍存在很多技术难点亟待解决.本文首先对高温环境下的结构模态试验技术国内外发展现状进行了综述,详细分析了现有的高温环境下结构模态试验中的激励力与振动响应测量技术的特点及适用性,最后展望了高温环境下结构热模态试验技术的发展方向和研究重点.     

高速飞行器中空翼结构高温热振动特性试验研究

远程高速飞行器飞行速度快, 滞空时间长, 飞行过程中翼、舵等结构会出现长时间的剧烈振动, 由气动加热产生的高温还会使飞行器材料和结构的弹性性能发生变化, 从而引起翼、舵等结构振动特性的改变.因此获得高温与振动复合环境下的远程高速飞行器翼、舵等结构的振动特性参数对于高速飞行器的安全设计具有非常重要的意义.将高温热环境试验系统与振动试验系统相结合, 在对中空翼面结构进行振动激励的同时使用红外辐射加热方式对翼面结构生成可控的热环境, 并通过自行设计的耐高温引伸装置将中空翼结构的振动信号传递到非高温区进行数据采集与分析的方式, 实现了高达800℃~900℃的力热复合环境下的翼结构固有频率、模态等振动特性参数的试验测试, 其试验结果为远程高速飞行器中空翼结构在高温振动环境下的动特性分析和安全可靠性设计提供了重要依据.     

随机激励下受热翼面的模态频率特性试验研究

现代高速飞行器结构热模态频率特性试验研究,对这类飞行器设计校核和飞行安全具有重要意义。根据飞行过程中遭受的气动加热特性设计了瞬态热环境模拟系统,同时,根据高温环境的特点对测试中的激励和测量方式进行了重新设计,成功地将普通激振器应用于高温结构模态试验,最终将热环境模拟系统与振动测试系统组合,形成一套考虑瞬态热影响的热模态试验系统,实现了瞬态热环境下结构模态的地面测试。对一个切尖三角翼测量了各个加热区的温度随加热时间的变化,验证了加热温度控制的精确性;在纯随机激励下对测得的激励和振动响应信号采用短时傅里叶变换(Short Time Fourier Transformation,STFT)进行时变模态参数辨识,获得了前四阶模态频率随加热时间的变化,并与结构有限元数值计算结果进行了比较,试验与计算结果吻合得很好,验证了该试验方法对热模态测试问题的有效性和准确性。通过分别对瞬态和稳态热环境下结构模态频率试验和计算结果的分析,探讨了结构瞬态温度场对模态频率影响的机理,揭示了结构内部存在的热应力和材料属性的变化,是决定模态频率随加热时间变化趋势的内在原因。     

超高温、大热流、非线性气动热环境试验模拟及测试技术研究

超高温、大热流、非线性气动热环境试验模拟技术及相应的极端高温环境力学测试技术,是高超声速飞行器防热材料和结构安全设计中事关研制成败的关键技术。本文介绍了自行研制的可实现高至210℃/s的极快非线性升温速率、能够生成高达2MW/m2的瞬态非线性热流密度、实现高达1500℃超高温氧化热环境的石英灯红外辐射式气动热环境试验模拟系统。基于这一性能优越的超高温气动热环境试验模拟系统,发展了如下超高温热环境力学测试技术:1)提出对环境光变化不敏感的主动成像数字图像相关方法,实现了C/SiC复合材料1550℃高温变形的非接触、全场光学测量;2)发展了1400℃超高温热/力联合试验环境下SiC/SiC复合材料结构的断裂特性试验测试技术。本文还简要介绍了高速巡航导弹翼面结构900℃高温热振联合试验,950℃高温非线性热环境下的蜂窝结构隔热性试验等研究内容。本文所发展的超高温气动热环境试验模拟技术和高温热环境力学测试技术,对航天航空领域高超声速飞行器的研制具有重要的军事工程应用价值。     

气动热环境下材料力学性能测试新技术

飞行器飞行过程中气动加热造成的"热障"具有瞬态(短时)高温的特征,在这一瞬态高温环境下,由于温度和时间因素的共同参与,使飞行器结构材料的强度问题变得极其复杂,常规的稳态(长时)高温力学性能已不能体现材料"热障"环境下的特征。本文提出了一种气动热环境下的材料力学性能测试技术,并以GH3039合金为例,对测试技术进行了系统性验证。该技术能够模拟飞行器飞行过程中的实际气动热环境,开展飞行器结构材料瞬态高温条件下的力学性能测试,获得材料"热障"服役环境下的真实强度信息,为飞行器结构材料高温力学性能测试提供了一个新的思路和发展方向。     

典型热防护壁板结构的热模态分析

气动加热产生的热环境会使结构动力学参数发生显著变化,影响结构的承载能力和强度极限,因此结构的热模态分析是评估结构动态力学环境适应性的重要手段。结构热模态分析有两种手段:数值分析和热模态试验。而目前对高温及高温梯度下的结构热模态分析研究较少。本文针对典型热防护壁板结构,研究了气流加热的高温热环境模拟方法以及结构热模态试验和分析方法;获得了不同温度及温度梯度条件下典型热防护壁板结构的振型、固有频率,分析了结构振动特性的变化规律;通过数值模拟与试验对比,发现温度梯度因素对结构动力学参数具有显著的影响。进一步研究温度及温度梯度对结构动力学参数的影响,对热载荷下的结构设计具有指导意义。     

非线性热环境下高温合金蜂窝板隔热性能研究

金属蜂窝板结构在高温热环境下的隔热特性是高速飞行器热防护设计的重要参数. 使用自行研制的高速飞行器瞬态气动热试验模拟系统, 对高温合金蜂窝平板结构在高达800℃的非线性热环境下的隔热性能进行实验研究, 获得了蜂窝板结构的瞬态和稳态传热特性以及在多种不同温度下金蜂窝平板结构隔热效果的实验数据. 在考虑结构内部蜂窝芯壁面间辐射、金属结构的传热以及蜂窝腔内空气传热的多重热交换条件下, 采用三维有限元计算方法对蜂窝板的隔热特性进行了数值模拟, 计算结果和试验结果的吻合性良好, 验证了数值模拟方法的可信性和有效性, 并为数值模拟方法能够在一定程度上较好地替代价格昂贵的气动热模拟试验打下了基础. 讨论了在复杂非线性高温环境下金属蜂窝板隔热效率的变化, 加热面温度的升降速度与隔热效率的关联性以及金属蜂窝板表面发射率的选取等问题, 对高速飞行器金属蜂窝结构的热防护研究具有重要的参考价值.      

高温热化学非平衡气动热试验与仿真技术研究进展

临近空间新型飞行器向全空域、更高马赫数发展,面临的气动热环境会越发恶劣,高温流场气动热预测技术是该类飞行器发展的关键技术之一.高超声速气流通过激波压缩或黏性阻滞减速,分子动能转化为内能,产生了高温.高温引起体分子振动、电子激发,伴随离解、电离反应等一系列复杂气动物理现象,其流场气动热预测面临诸多挑战.文章对高温热化学非平衡气动热预测技术的发展情况进行了分析探讨.首先,阐述了国内外高温气动热地面试验技术的发展历程,重点介绍分析了气动热风洞试验设备的模拟能力及目前试验测试技术的研究水平;然后,调研和讨论了高温气动热数值模拟研究现状,分别从热化学模型、辐射输运和壁面催化/烧蚀等多个角度探讨了热化学非平衡流场气动热数值模拟规律;最后,对气动热预测技术的发展趋势进行了讨论,提出了高温气动热试验与仿真技术后续应重点解决的问题.     

高超声速高焓边界层稳定性与转捩研究进展

边界层由层流向湍流的转捩是高超声速飞行器设计面临的重大空气动力学问题. 随着飞行速域与空域的不断拓展, 高超声速高焓边界层中的高温气体效应会使得量热完全气体假设失效, 从而深刻影响流动转捩过程. 相关研究涉及多个学科, 是典型的多物理场耦合问题. 近年来, 随着相关飞行器技术的快速发展, 高超声速高焓边界层转捩问题的重要性越来越得到体现, 相关研究已成为国际上的热点领域. 本文综述相关研究进展, 首先介绍目前常用的高温气体物理模型, 尤其关注热化学非平衡模型, 并介绍激波捕捉、激波装配和边界层方程解等常用的高焓流动求解方法, 以及相关风洞和飞行试验技术的进展. 然后综述高温气体效应对转捩过程中的感受性、模态增长、瞬态增长和非线性作用等的影响的相关研究, 其中流向不稳定性中出现较大增长率的第三模态和超声速模态引起了广泛的研究兴趣. 最后进行总结, 并对未来发展略作展望.      

高超声速飞行器两类典型防热材料的性能表征与评价

针对高超声速飞行器翼前缘用超高温陶瓷材料及机身大面积金属热防护结构材料在高温环境下的力学响应分析与评价方法进行了全面的回顾和总结.综述了大面积金属热防护系统在传热、静力学、热力耦合性能、疲劳性能及抗冲击性能等方面国内外的研究进展;以及超高温陶瓷材料在热冲击、增韧机制、抗氧化性能等方面评价与表征技术,并结合国内研究状况展望了今后的发展方向.