层状碳纤维复合材料结构热应变光纤传感特性研究

针对高分辨率遥感卫星关键载荷复合材料支撑结构热变形光纤在轨监测需求,研究层状复合材料结构热应变光纤光栅传感特性。首先,采用有限元方法分析得出层状复合材料结构在局部热载荷作用下热应变场分布特征;然后,制作层状复合材料结构试件,建立光纤光栅热应变监测实验系统;最后,以同样尺寸的铝合金结构为对比试件,实验分析T700级碳纤维增强复合材料层压板的热应变传感特性。实验数据表明,在30～100℃范围内,碳纤维复合材料结构热应变随温度升高而近似线性增大,但其热应变量明显小于同一温度下铝合金结构热应变;碳纤维复合材料的热应变场呈各向异性分布特征,100℃时其轴向和径向应变的光纤光栅测量值分别为155.8με、181.3με,与仿真计算结果的平均相对误差为1.58%、1.52%。利用光纤光栅传感器能够有效测量碳纤维复合材料结构的热应变,研究结果可为高分辨率遥感卫星层状复合材料结构光纤在轨监测提供参考。     

光纤法布里-珀罗传感器及其高温应用

随着航天技术不断发展，大推力运载火箭等精细化设计需求日益增加，飞行器高温工况结构及流场状态感知已成为当前研究的关键环节。基于法布里-珀罗干涉结构的光纤传感器在高温、高压、狭小空间等特殊环境展现出独特优势，被视为下一代高温原位测量工具。介绍了法布里-珀罗传感器的基本结构及原理，并分别从温度、应变和压力监测方面介绍了法布里-珀罗高温传感技术研究进展以及未来的发展趋势。基于石英光纤的法布里-珀罗传感器能够应用于1000°C以下环境，对于1000°C以上环境，需要以蓝宝石光纤作为敏感元件和传光介质。     

小尺寸高温透波盖板双温区边界隔热性能试验研究

针对小尺寸高温透波盖板迎风面和上表面需同时满足不同热环境的要求,研究使用一组红外辐射加热试验设备,同时进行双温区边界条件下的非线性气动加热环境等效模拟试验。在辐射换热条件下,考虑试件结构导热及周围介质换热影响,采用数值模拟方法对试验方案进行可行性分析。参照计算结果,使用石英灯高温辐射加热设备,对试件进行隔热性能考核试验,完成了双温区边界条件下的热环境加载试验。试验数据与数值模拟结果吻合度较好,验证了数值模拟方法的可信性和有效性。     

涡轮叶片辐射热冲击疲劳试验应力温度场模拟仿真

针对传统热冲击试验中大梯度热环境模拟难以实现的问题,采用虚拟试验技术,对基于石英灯辐射加热方式实现叶片热冲击疲劳特性试验的热环境进行模拟。以航空发动机涡轮叶片目标温度场分布为基准,模拟单纯石英灯辐射加热以及石英灯辐射结合内膜气流冷却这2种热环境状态。模拟结果表明:在辐射加热的同时引入内膜气流冷却后,模拟温度场与目标温度场分布更为接近,能够准确模拟涡轮叶片结构上沿厚度和叶弦方向的温度梯度以及结构内的热应力,从而保证热冲击疲劳试验方法的有效性。     

石英灯阵高温试验环境换热特性仿真分析

为了分析高温试验环境下不同条件对试件温度的影响,文章建立了高温试验环境的传热模型,采用计算流体动力学（CFD）方法结合Discrete Ordinates（DO）辐射模型,计算分析了不同热源温度、不同试件尺寸以及隔热层有无加装反射涂层情况下石英灯加热器加热试件时的温度分布特性。结果表明：在同样的热源温度下,隔热层加装反射涂层的试件表面温度比无反射涂层隔热层的高18%;由于边界效应的弱化,大尺寸试验件的表面不均匀度＞14%,而小尺寸试验件的表面不均匀度＜1%;使用小尺寸试验件且隔热层有反射涂层时,在150 s、试验件温度达到1500 ℃时需要的加热热流密度达1122 kW/m²。以上研究结果可为高温环境模拟试验台的设计提供参考。     

基于数字散斑技术的炭/炭复合材料高温应变测量

主要介绍了炭/炭( C/C)复合材料在高温下(最高至2600℃)利用数字散斑技术进行的应变测量。试样表面喷涂钨粉作为目标散斑。在试验环境箱中将试样升温至试验温度。在拉伸过程中,对C/C复合材料试样及喷涂其上的钨粉散斑进行窄带滤光,并对滤除炭纤维发出光线后的图像进行采集,对图像中的散斑点进行计算区域的选取,通过散斑点的位移来确定试样在散斑喷涂区域内材料的变形,进而得到在2600℃温度条件下试样有效段的应变。测量结果表明,该方法可直观准确地反映出C/C复合材料试样在2600℃应变状态,对于需要测量的关键点可实现重点跟踪,动态测量出该点在任意时刻任意位移的应变。该测试方法精度高,并可应用到不同受力方向的应变测试场合。     

高超声速飞行器材料与结构气动热环境模拟方法及试验研究

文章介绍了自行研制的石英灯红外辐射式气动加热试验模拟系统以及使用该系统对高超声速飞行器材料与结构进行的高温热评价试验。本热试验系统可实现升温速率高至200 ℃/s的非线性热冲击过程的动态模拟;能够生成1.8 MW/m2热流密度的瞬态非线性热试验模拟环境;能将试验环境温度提高到1 500 ℃。在该热试验系统上完成了如下试验研究: 1）金属蜂窝板结构在高温950 ℃非线性热环境下的隔热性能评价试验和数值模拟;2）对SiC/SiC复合材料试件在1 300～1 500 ℃下的隔热性能评价试验;3）采用轴向非分段加热试验方式对圆柱型壳体结构（长2.1 m）内壁进行高温热环境试验。本试验系统在可控的非线性温升速率、高温高热流密度变化过程的动态模拟、热试验环境模拟的准确性以及非接触式全场高温变形测量等方面的研究成果达到了国际先进水平。     

空间环境铝合金板结构热属性光纤监测技术研究

针对空间结构受热循环载荷作用而影响航天器功能与安全的情况,采用温度补偿方法,对基于分布式光纤传感器的板结构热应变和热变形测量技术进行研究,提出了一种基于光纤应变转换矩阵的铝合金板热膨胀系数计算方法,考虑了材料横向应变对结构热膨胀系数测量精度的影响,可为各向异性复合材料构件多方向热膨胀系数测量提供理论支持。研究表明:温度-70~100℃范围内,铝合金板所受热应变引起光纤光栅中心波长偏移量约462.4pm,中心波长偏移量与温度的相关系数约0.999;在温度100℃热载荷作用下,铝合金板在横、纵向变形量均约0.75mm;铝合金板热膨胀系数随温度变化呈现非线性,低温下不能将铝合金材料热膨胀系数近似为常数。研究为后续航天器空间服役状态在轨监测提供参考。     

强辐射条件下应变测量的抗干扰技术研究

文章从动力学结构分析应变测量的基本原理入手,着重介绍了国防高科技试验中,在强辐射、强电磁脉冲干扰环境条件下,为保证应变测量的实现,经模拟试验研究,在应变测量时采用了一系列抗干扰技术措施,包括特殊环境条件下所用元器件材料的选择,传感应变计安装方式,组桥接线方式,密封屏蔽等技术。并介绍了这些技术措施在某试验现场应变测试试验中的应用概况.     

基于光纤传感的航天器结构应变参数精确测量

为实现空间高低温环境下航天器结构应变参数的精确测量,采用基于法布里–珀罗（Fabry-Perot, F-P）标准具和乙炔（C2H2）气室的复合波长参考的光纤测量方法,对可调谐滤波器透射波长进行校正,以保证解调精度。在解调过程中,采用自适应阈值法解决光源平坦度差引起的F-P标准具寻峰困难问题,并且基于时间预测性最大化原理对透过气室的光源信号进行盲分离,以提高气室波长校正精度。实验结果表明,该方法可实现在高低温环境下光纤传感器中心波长解调偏差小于3 pm,结构应变测量相对误差小于4%,能够满足实际工程应用中航天器结构应变参数的高精度测量需求。     

石英灯加热器热流场计算方法比较

石英灯辐射加热是航天飞行器结构热试验中使用最广泛的气动热模拟方式,获取石英灯加热器辐射流场对提升航天器结构热试验精度、评估试验结果和验证结构设计具有重要意义。文章结合石英灯加热器辐射热流场预示的特点,讨论几种辐射热流场计算模型的适用性,并通过理论、试验与仿真算例相结合的方法,对比分析几种辐射计算软件的计算精度和应用性,给出各计算软件的应用策略,可为试验热环境的准确快速获取提供参考。     

超低温环境下光纤布里渊频移特性研究

针对高温差和超低温广泛存在的空间环境,了解航天器材料及结构的热应变稳定性对于保障航天环境模拟地面试验的可靠性具有重要意义。布里渊光时域分析（BOTDA）技术能够同时检测温度和应变,且具有高精度、长传感距离、抗电磁干扰及低成本等优势,但作为传感元件的光纤能否适应空间冷黑环境还未可知。文章首先利用BOTDA解调仪获取了2种典型标准单模光纤在超低温下的布里渊增益谱（BGS）,然后通过实验数据分析光纤的超低温性能,最终标定了2种光纤的温度和应变系数。结果表明,受试光纤在超低温下仍能形成洛伦兹形状的BGS,且实际频移量与低温对应的理论频移量一致,满足超低温空间环境下BOTDA传感器的测温范围要求。     

航天器真空热试验用红外灯光谱分布研究

对航天器真空热试验用红外灯的光谱分布进行研究。通过对红外灯电流 —电阻相关分析和数值拟合,建立了红外灯的功率计算模型和红外灯灯丝温度计算模型以及 红外灯石英玻璃管的温度计算模型;最终给出了红外灯在不同电流下光谱分布模型。采用S2 000光纤式光谱仪进行了红外灯光谱分布测试,结果表明红外灯光谱分布模型准确。研究成 果可以为采用黑片式热流计测量红外灯阵到达热流奠定基础。
     

航天器大型复杂构件真空除气装备系统热设计

为完成某型号大型复杂构件的真空烘烤除气任务,开展大型真空烘烤除气专用装备研制。设计完成的装备通用性良好,有效容积为ϕ3100 mm×5500 mm,极限真空度优于2×10-4 Pa,最高加热温度＞150 ℃。根据构件表面均匀分布的113个温度测点在真空烘烤除气作业过程中的测试数据,温度平衡时构件表面温差仅3.0 ℃,24 h内的温度波动＜3.0 ℃。研究表明：铠装加热丝加热方案更适用于大型真空烘烤除气装备的研制;增设二次辐射屏可以降低构件温度波动;变功率加热方案具有更稳定的控温性能,可以避免PID控温方案可能存在的温度过冲问题。     

星敏感器光学系统的热/结构/光分析

星敏感器是高精度的航天器姿态测量器件,其性能受太空温度环境的影响。运用有限元法和光线追迹法,建立星敏感器光学系统的热/结构/光分析模型,研究光学系统温度分布与星敏感器测量误差的关系,得到了算例光学系统在温度均匀分布条件下的温度变化以及轴向温度梯度变化、侧向温度梯度变化与星敏感器测量误差的关系曲线;给出了算例光学系统热误差小于角秒量级的温度条件:均匀温度分布条件下温度变化量≤10℃、轴向温度梯度≤0.1310℃/mm、侧向温度梯度≤0.0325℃/mm,为高精度星敏感器光学系统热控制提供科学的依据。     

积分球太阳辐照模拟源的研制

文章主要从积分球、聚光系统、线性减光系统和光谱测量等方面,介绍了积分球太阳辐照模拟源的研制过程。太阳辐照模拟源采用氙灯和溴钨灯的双光源方式,滤光片对氙灯、溴钨灯的光谱进行截止和校正后,合成太阳光谱,并且通过能量计算确定了两只灯的功率大小。线性减光系统使积分球出射口的辐亮度从最大值按照10％递减,线性输出10档辐亮度值。该积分球太阳辐照模拟源用于卫星遥感器的辐射定标。     

基于蒙特卡罗方法的红外灯热流分布研究

采用蒙特卡罗方法针对我国航天器热平衡试验用红外灯的热流分布进行了研 究。对红外灯能束辐射过程的物理模型进行了分析,建立了能束辐射随机位置、随机方向的 数学模型和灯丝温度计算模型,给出了辐射波长、灯管反射率、吸收率、透射率的确定方法 ,进而提出了红外灯热流分布计算流程。在真空低温环境下进行了红外灯热流分布测试,将 预测结果与试验结果进行了对比,偏差在5％以内。采用本文的分析方法计算了某型号卫 星试验用红外灯阵的热流分布,结果满足试验要求。该方法可以作为红外灯阵优化设计的技 术基础。