[发明专利]一种光源组合式远距离定向辐射加热系统

说明书

本发明属于飞行器辐射加热技术领域，具体涉及一种光源组合式远距离定向辐射加热系统，目的在于提出一种远距离定向辐射加热方法，以实现与现有对流加热技术的相互耦合，提高对高超声速飞行器热环境的模拟能力。其特征在于：它包括光源与反光罩系统、光束合并系统、光束传输系统和光束汇聚系统；光源与反光罩系统用于提供加热的光源；光束合并系统接收光源与反光罩系统发出的光束，对光束进行准直、传输与合并，然后将光束发送给光束传输系统；光束传输系统接收光束合并系统发送的光束，改变光束的传输路径和方向，将光束按指定方向发送给光束汇聚系统；光束汇聚系统接收光束传输系统发送的光束，将光束重新汇聚，通过汇聚后的光束进行加热。

技术领域

本发明属于飞行器辐射加热技术领域，具体涉及一种光源组合式远距离定向辐射加热系统。

背景技术

热传递与流动过程是与人类活动关系最密切的基本物理过程，特别是在近代的高新技术领域，传热与流动过程常常是影响设备性能的关键。热辐射是一种通过电磁波传输能量的方式，辐射换热能力取决于温度的四次方或五次方之差，在很多情况下，尤其是高温条件下，辐射传热是一种重要的传热方式。由于热辐射的长程性、选择透过性的特点，热辐射可穿过隔热涂层或烧蚀材料达到飞行器内部，因此在模拟某些高超声速飞行器的气动热环境时，仅仅有对流换热是不够的，还必须要考虑辐射加热。辐射加热与对流耦合换热研究不仅涉及热辐射、热对流两种基本传热方式的相互作用，而且涉及传热与流动两种物理过程的耦合，其过程机制与特性规律复杂。辐射与对流两种传热方式的耦合可分为两个层次，对常物性介质，在流场不变的条件下，二者通过温度场的改变直接耦合；当介质的密度、粘度等物性参数随温度变化时，这两种传热方式不仅通过温度场的改变直接耦合，而且通过温度场的改变使物性场发生变化，导致温度场与速度场的耦合，从而进行间接的、更深一层的耦合。深入认识这种复杂的耦合过程，不仅是相关工程技术发展的需要，同时对丰富传热传质学的研究内涵、促进学科发展有重要的理论意义。

比如星际返回的再入飞行器热防护设计就必需要考虑气动加热和辐射加热，这两种加热方式的比例随飞行器的速度和高度而变化。速度较低时，气动加热起主导作用，但当飞行速度高于9km/s时，头部激波层气体变成对飞行器加热的强辐射体，辐射加热随着速度的增加逐渐变得重要起来。辐射加热的主要机制是再入飞行器由于高速再入，头部形成高温激波层对返回舱形成辐射加热。气体辐射的吸收和发射是大量的原子、分子能级间辐射跃迁的结果，其光谱特征包含在吸收和发射系数中。实践中发现，阿波罗计划中的探月返回舱以第二宇宙速度(11.2km/s)地球大气再入，辐射加热非常明显，在局部轨道点已占到总加热量30％以上。针对再入飞行器的辐射加热研究最早也是在阿波罗登月计划的需求牵引下开展的。对于再入速度更高的星际返回再入飞行器，辐射加热大于对流加热，占主导地位。因此，一种能与对流加热相耦合的远距离定向辐射加热技术对高超声速飞行器结构和材料进行防热考核研究，推动高超声速飞行器以及星际探测器的研制和发展具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提出一种远距离定向辐射加热方法，以实现与现有对流加热技术的相互耦合，提高对高超声速飞行器热环境的模拟能力。。

本发明是这样实现的：

一种光源组合式远距离定向辐射加热系统，包括光源与反光罩系统、光束合并系统、光束传输系统和光束汇聚系统；光源与反光罩系统用于提供加热的光源；光束合并系统接收光源与反光罩系统发出的光束，对光束进行准直、传输与合并，然后将光束发送给光束传输系统；光束传输系统接收光束合并系统发送的光束，改变光束的传输路径和方向，将光束按指定方向发送给光束汇聚系统；光束汇聚系统接收光束传输系统发送的光束，将光束重新汇聚，通过汇聚后的光束进行加热。

如上所述的光源与反光罩系统包括弧光灯和椭球面反射镜；以弧光灯作为点光源，以椭球面反射镜作为反光罩；将弧光灯置于椭球面反射镜的第一焦点位置处，从而光束将在椭球面反射镜的第二焦点位置处重新汇聚。