[科普中国]-结构热试验

基本概念

结构热试验技术，是为解决飞行器跨越声速后出现的热障问题而发展起来的一种地面模拟试验技术，它通过在地面等效模拟飞行热环境和气动载荷来考察其对结构的影响。1

结构热试验的必要性飞行热环境和气动载荷对结构的影响主要包括：

（1）在高温条件下，材料的强度极限和弹性模量降低，因此使结构的承载能力降低。

（2）在快速加热条件下，结构中形成较大热梯度，产生的附加热应力与载荷作用力所产生的机械应力迭加，影响结构局部或总体的承载能力。

（3）在高温和热应力的作用下，结构局部或总体产生过大的变形，破坏部件的气动外形，高温又使结构刚度下降，在几种因素的综合作用下，会降低结构的固有频率，严重时容易导致危险的结构共振，即所谓气动热弹性问题。

（4）飞行器上的运动机构受高温作用，产生不协调变形，会影响机械正常动作，甚至因机件卡塞而导致飞行事故。

（5）弹（箭）仪器舱内仪器设备正常的工作环境温度一般不应超过50℃。当舱体外表面受到气动加热时，舱壁温度急剧升高，将会使舱内温度越限，造成元器件性能恶化甚至失效，产生危险的后果。

因此，研究解决上述各种结构热问题，是航天型号设计中不容忽视的重要任务，也是航天产品的关键技术问题之一，必须进行热环境模拟试验，对结构的承热能力进行分析、测试。1

结构热试验方法结构热试验方法是为了考核飞行器结构在气动热环境中的适应性，通过地面试验发现防热结构设计中的缺陷，优化防热区结构和高温区结构的设计，考核热结构的功能特性，确保飞行任务的成功，它不仅考核了高超声速飞行器的热结构设计，验证结构设计方法，也是对结构热试验加热、测量、控制等技术的考验。通过分析辐射加热试验过程，对试验结果进行讨论，充分考虑结构热试验中的影响因素，进而评估试验结果的合理性，改进和提高结构热试验的精确度。2

大热流气动热环境的地面模拟试验是在真空容器内用石墨辐射加热器完成的，其它结构热试验可采用石英灯加热器或模块化石英灯组加热器完成，试验过程中通过采用冷却气流对石英灯壁进行冷却，可提高加热热流，开展的试验项目有传热试验、静热试验、热振试验等。

高超声速飞行器结构研制中，国外采用了辐射加热方法和气流加热模拟气动热环境。未来的飞行器结构设计也同样面临这两类结构热试验，不同的是随飞行速度或再入速度的提高，飞行器或导弹武器系统已进入高超声速领域，气动热环境更加苛刻。目前，现有的结构热试验技术与设备还不能满足高温、高加热率试验需求，温度、热流、应变等测量方法的使用温限有待提高，试验分析方法和验证试验水平也需要进一步提高。2