[发明专利]一种模拟气动加热环境的装置

说明书

本发明公开了一种模拟气动加热环境的装置，包括：激光光源(1)，出射激光并传输至目标区域(5)，以辐照设置在目标区域的目标材料的表面；空气来流系统(4)，吹扫所述目标材料的表面，进而在所述目标材料的表面产生流动的空气；通过所述激光和空气的流动以模拟目标材料表面的气动加热的环境。本发明实施例提供的装置，可通过辐照激光的变功率目的实现变热流，通过改变空气来流速度改变附加在目标材料表面的剪切力，能够准确的模拟目标材料在气动加热时的环境，能够在飞行器的材料、部件和系统级表征上有着广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，尤其是涉及一种模拟气动加热环境的装置。

背景技术

在航空航天领域，高超声速飞行器高速飞行时，空气受到强烈的压缩和剧烈的摩擦，大部分动能会以激波及尾流涡旋的形式耗散于大气中，剩下的转化为热能，这些热能以边界层对流和激波辐射加热飞行器本体，这种热能传递方式称为飞行器的气动加热。气动加热的特点是升温快、温度高、热量大。

飞行器的气动加热是一个瞬态过程，地面热模拟这个过程目的是重现结构真实的温度分布，用于考察热响应特性。气动热模拟的试验方法一般有“对流方法”和“非对流方法”两类。

对流方法以风洞试验为代表，风洞试验是通过准备预设体积的氢气和氧气，通过氢气的爆炸模拟飞行器的高温气流。风洞试验的热流密度主要是通过变换喷管实现，例如将大口径的喷管变换成小口径的喷管以使风量降低。因此，采用风洞试验这种对流方法存在试验成本高、且单次实验的时间准备周期较长，热加载时间相对较短、改变热流密度加载难度较大，不可能实现可控的变热流条件。因此，这种方法不适合频繁的研究型实验。

非对流方法，一般是在实验室中通过装置模拟出飞行器的气动加热过程。但是，目前国内外还未有相关单位采用极高功率密度条件下激光辐照模拟高速热流加载。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是提供一种模拟气动加热环境的装置，通过激光辐照在目标材料的表面，并且控制目标材料表面的空气的流动以模拟目标材料表面的气动加热的环境。可通过辐照激光的变功率目的实现变热流，通过改变空气来流速度改变附加在目标材料表面的剪切力，能够准确的模拟目标材料在气动加热时的环境，能够在飞行器的材料、部件和系统级表征上有着广泛的应用前景。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种模拟气动加热环境的装置，其包括：激光光源，出射激光并传输至目标区域，以辐照设置在目标区域的目标材料的表面；空气来流系统，吹扫所述目标材料的表面，进而在所述目标材料的表面产生流动的空气；通过所述激光和流动的空气以模拟目标材料表面的气动加热的环境。

进一步地，还包括激光空间传输整形系统，设置在所述激光光源和所述目标区域之间，并设置在沿所述激光光源出射的激光的光路上，用于对所述激光进行空间分布的整形，并将激光辐照到目标材料的表面上；和/或，所述激光空间传输整形系统还用于变换所述激光光源出射的激光辐照到所述目标材料表面的强度和面积。

进一步地，还包括温度测量系统，用于测量所述目标材料表面的温度变化和温度分布，以及目标材料背面的温度变化和温度分布。

进一步地，所述温度测量系统包括热电偶；或者温度测量系统包括校准后的红外热像仪。

进一步地，还包括：激光参数测量系统，设置在所述激光空间传输整形系统和所述目标材料之间，并设置在经所述激光空间传输整形系统输出的激光的光路上；测量经所述激光空间传输整形系统输出的激光的功率、脉冲宽度、波长和出光时间，以评估所述目标材料表面的激光辐照参数。