超声速飞行器防护罩载荷谱加载装置设计与试验研究

作     者：马恩泽 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：呼咏;张建海

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：超声速飞行器 载荷谱 高温烧蚀 耦合加载 防护罩 

摘      要：作为现代航空航天和国防技术的重要组成部分,超声速飞行器以其卓越的高速飞行能力而著称,在航天领域技术发展中扮演着关键角色。超声速飞行器在服役过程中的实际工况不仅包括极端高速气流的冲击,还包括复杂的气动热负载。掌握这些复杂条件下结构性能变化和损伤失效机制对于提高其应用和发展至关重要。传统的环境性能测试通常在简化的气流或真空条件下进行,无法准确复制超声速飞行器的真实服役条件。这种差异阻碍了准确模拟气动加热和复杂负载的效果,导致测试结果缺乏真实性,且进行全面的环境测试以模拟实际条件既昂贵又耗费资源。因此,迫切需要改进在接近实际服役环境下飞行器性能模拟测试技术和方法。本文设计并构建了一种针对超声速飞行器防护罩在服役工况下的测试装置,该装置可以模拟其受到高速气流冲击和复杂的气动热负载及力学加载耦合的复杂工况,为模拟超声速飞行器的实际工况提供了一种方法。 本文首先深入分析了超声速飞行器在复杂服役环境中所面临的挑战,特别关注了气动热效应对其结构性能的影响。针对实际工况的模拟,本文综述了当前力-热联合加载试验技术的研究进展,并基于气动热效应,利用FLUENT软件建立了温度场分布的数学模型;通过对该模型进行力学求解和温度场仿真,采用四点雨流计数法,分别构建了力场和温度场的均值载荷谱和幅值载荷谱,其中最大载荷达到4000N,最高温度为1300K。 在实验测试方面,设计了一种模拟超声速飞行器防护罩的等效试件,并建立了一套高温火焰氧化烧蚀与双轴载荷耦合加载的试验装置。通过对双轴试件的夹持方案进行结构设计,结合边界热源和动载荷冲击作用力,利用COMSOL软件构建出了力-热耦合的多物理场仿真模型,并对分体式夹具的力学强度进行了校核,验证了夹持方案的可行性。为了提高实验的效率和准确性,本研究将整个实验系统进行了模块化处理,分为双轴加载结构模块、力控加载模块、高温烧蚀模块和温度采集模块,并优化了试验装置的布局。设计了各个模块的安装位置调度方案,并构建了多维温度场监测方案和基于上位机的力场监测方案。 在上述基础上,编写了多轴联合控制的力学加载控制程序,并基于Power PMAC控制器建立了正弦波载荷运动控制程序。通过保证进气口压力调节电磁阀的方法开展了火焰温度场的标定试验,并编排力载荷-温度耦合加载时间表,确保了试验的有序性和严谨性。 最后,开展了力-热联合温度场加载试验,测定了各个时间点的误差,其中力加载试验的局部最大误差为31.7%,温度场驻点的局部最大误差为11.2%。试验结果表明,测试试验在误差允许的范围内接近实际服役工况。通过引入基于正弦波信号的幅值加载谱(载荷频率为10Hz)并结合整个试验系统重新构建时间表,进一步优化了试验方案,确保了试验的准确性。对有无防护涂层的烧蚀试样进行对比分析,计算了它们的质量烧蚀率分别为0.0296g/s和0.0305g/s,并利用激光共聚焦显微镜对二者进行了表征,分析了烧蚀区的氧化作用机理。