摘要：以石英燈管為加熱元件進行了燒蝕防熱結構熱試驗研究，對比了熱流計不同布置方式下的試驗結果差異，分析了燒蝕熱試驗特性對熱流計不同布置方式及石英燈管正常工作的影響，開發了基于石英燈輻射加熱的燒蝕防熱結構熱試驗技術，打造了全尺寸燒蝕防熱結構地面熱模擬試驗平臺，同時開發了熱流一電壓控制模式切換技術，形成了一整套安全可靠全尺寸燒蝕防熱結構地面熱模擬試驗技術。

關鍵詞：燒蝕防熱結構；地面熱模擬試驗；輻射加熱

1 引言

高超聲速飛行器是世界航天大國的研究熱點，功能梯度防熱材料可以滿足長時高超聲速飛行器防熱的需求。將功能梯度材料平面結構劃分成若干層，每層的材料參數按函數形式變化，相鄰層之間的材料參數有較好的連續性，可避免出現過大的跳躍“引。國內學者通過對梯度型防熱材料的燒蝕／溫度場計算，分析梯度型防熱材料的防隔熱效果和使用優勢p J。因此，燒蝕防熱結構是飛行安全性的重要保障，而地面熱模擬試驗是燒蝕防熱結構研制中的重要環節。發展燒蝕防熱結構地面熱模擬試驗技術，已成為高超飛行器研制的迫切需求。

地面熱模擬試驗加熱方式主要有輻射加熱和對流加熱兩種。對流加熱的主要代表是高溫風洞，但是高溫風洞造價高昂，受運行壓力和功率限制，而且氣流狀態只能實現階梯式控制，無法滿足全尺寸熱防護結構件地面熱模擬試驗的需求。輻射加熱主要采用石英燈管作為加熱元件，石英燈管功率大、體積小、便于組成各種尺寸的加熱裝置，且電控性能優良，可以滿足大尺寸、高熱流、長時間、瞬態變化的要求H引。對于常規材料結構件，石英燈輻射加熱器完全滿足地面熱模擬試驗需求。

但是，對于燒蝕防熱結構地面熱模擬試驗，由于燒蝕材料在地面大氣的富氧環境中受熱將產生大量的煙，甚至起明火燃燒。在如此惡劣的特殊環境中，石英燈管能否長時間安全可靠地工作有待進一步研究。因此，要達到燒蝕防熱結構對加熱技術提出的新要求，必須突破石英燈在燒蝕嚴酷的環境中如何安全使用的技術瓶頸，發展經濟可靠、適用廣泛的燒蝕防熱結構地面熱模擬試驗技術。

2試驗特點

燒蝕防熱結構地面熱模擬試驗區別于常規材料結構件熱試驗的本質特征在于燒蝕材料在受熱時燒蝕特性，煙塵與明火構成了燒蝕防熱結構地面熱模擬試驗的特殊環境，也決定了該類試驗的特點：

（1）試驗風險高

燒蝕防熱結構受熱時，防護層外表面形成熱解層和炭化層，這都是不可逆轉的變化，即使燒蝕防熱結構冷卻下來，發生變化的防護層也無法回到受熱前的初始狀態。因此，試驗只能一次性成功。試驗一旦開始，任何意外導致試驗中止便意味著試驗失敗，風險之高不言而喻。

（2）控制方式單一

材料燒蝕后表面膨脹、鼓包、開裂，嚴重時出現機械剝層，使得表面無法布置溫度傳感器。同時，由于燒蝕時產生大量的煙塵，導致紅外測溫和紅外成像等非接觸式測溫手段也難以奏效，無法獲知材料表面的溫度。因此，燒蝕防熱結構地面熱模擬試驗目前難以實現相對簡單的溫度控制加熱，只能采用熱流控制完成熱載荷施加。

（3）試驗環境復雜

材料燒蝕時伴隨著煙塵，且煙塵顆粒大小、濃度、運動速度等隨時間發生著急劇的變化，由此導致燒蝕影響區的煙氣介質透射率、輻射和熱容都在不斷變化。此外，若出現明火燃燒改變周圍溫度場分布，進一步影響煙氣的對流運動，煙氣與火焰的耦合作用使得試驗環境復雜嚴酷，給輻射加熱和熱流測量帶來了極大的挑戰。

3技術方案

3.1石英燈輻射加熱技術

由于燒蝕防熱結構受熱后釋放大量的煙塵甚至形成明火燃燒，煙塵主要由燃燒不完全的碳顆粒組成，碳顆粒不但強烈吸收石英燈管的熱輻射，降低輻射加熱效率，而且極易沉積在石英燈管外壁面，降低石英燈管的透明度，增加燈管吸熱量，使燈管壁面急劇升溫，大大增加了石英燈管石化和熔裂的風險。另外，煙塵顆粒的存在改變了氣體的透射率，增加了對熱輻射的削弱作用，勢必將影響到輻射加熱的控制精度。因此，發展石英燈輻射加熱下的全尺寸燒蝕防熱結構地面熱模擬試驗技術，必須要在輻射加熱安全可靠并保證控制精度等方面進行突破。

為確保試驗中石英燈管安全使用，必須要消除或降低煙塵的影響。削弱煙塵對石英燈管影響的措施：燒蝕防熱結構試驗件豎直安裝，加熱裝置中石英燈管也應豎直排布。這樣充分利用空氣受熱產生的上升氣流將煙塵顆粒帶走，減小煙塵上升軌跡與石英燈管的接觸面積，降低煙塵顆粒在燈管壁面的沉積概率。但是，對于一些成碳率高的燒蝕防熱結構件，僅僅依靠空氣受熱產生的對流是遠遠不夠的，必須增加吹風或者吸氣的措施，加速上升氣流的運動，減小煙塵顆粒向周圍環境擴散，降低煙塵顆粒與燈管接觸的機會。經研究對比，吸氣更容易控制空氣的流動方向，試驗時保證熱防護結構件外壁面周圍空氣流速不小于1.5m／s即可保證煙塵在擴散到燈管外壁面之前被抽離加熱裝置。因此，在加熱裝置上方加裝抽氣排煙系統是保證石英燈管在燒蝕防熱結構地面熱模擬試驗中安全使用的重要保障。

3.2熱流測量技術

煙塵對輻射加熱的控制精度影響是一項更難解決的問題。為了解決這一問題，本文從熱流傳感器的布置方式開始研究。目前，在熱流控制的熱試驗中，熱流傳感器主要有3種布置方式：間置式布置、背置式布置、嵌入式布置。

問置式布置將熱流傳感器固定在加熱裝置的石英燈管陣列與試驗件表面之間；背置式布置將熱流傳感器與試驗件表面分別布置在加熱裝置的石英燈管陣列兩側；嵌入式布置將熱流傳感器嵌入試驗件表面，熱流傳感器測量面與試驗件表面平齊。3種布置方式如圖1所示。前兩種布置方式熱流傳感器安裝較為簡單，不破壞試驗件表面完整性，適用于試驗件表面沒有開口也不許開孔的情況。但是采用這兩種布置方式時，由于熱流傳感器未布置在熱流考核區域，試驗前均要進行熱流曲線標定，標定后即可采用等效控制實現試驗中熱載荷施加。

1試驗件表面2石英燈陣3熱流傳感器

圖1 熱流計布置方式示意圖

對于常規材料結構件熱試驗，標定熱流曲線的等效控制法可實現高精度加熱。但對于燒蝕防熱結構地面熱模擬試驗，由于試驗時存在煙塵和火焰，標定熱流曲線和正式試驗時，石英燈管和熱流

傳感器的工作環境存在很大差異。為考查這種差異對熱流鋇0量和加熱控制的影響，選用第一種和第三種布置方式，進行熱流比對試驗。熱流比對試驗選用與燒蝕防熱材料結構相同的平板標準試樣進行，加載熱流選用兩段振幅不同的正弦波模擬飛行熱環境。

圖2為熱流傳感器嵌入式布置時的試驗結果。低熱流段，兩條曲線吻合良好，在高熱流段，試樣表面熱流值出現明顯波動。因為在高熱流條件下，燒蝕過程出現明火燃燒。火焰的脈動引起熱輻射變化，導致處在火焰中的熱流傳感器反饋值出現明顯波動。在低熱流條件下只有少量的煙塵產生，沒有明火，煙氣的熱輻射與石英燈輻射相比可以忽略，故而試樣表面熱流值與理論值吻合。總體來看，嵌入式布置時，試樣表面熱流值與理論值基本吻合。

圖2嵌入式布置的熱流曲線

圖3 間置式布置的熱流曲線

圖3為熱流傳感器間置式布置的試驗結果。結果顯示，控制命令曲線和反饋值曲線（圖3中幅值最高的兩條曲線）一直都非常吻合，表明控制系統正常。但是，平板試樣表面熱流值明顯低于理論值。分析認為，由于標定熱流曲線m1Di：i熱裝置內不放試樣，因而標定時沒有煙塵與火焰，而在熱流比對試驗時，平板試樣熱解產生煙塵，煙塵增大了氣體對熱輻射的衰減系數，熱輻射在穿過含煙氣體過程中明顯衰減。假設燈管到平板標準試樣表面的距離為s，熱輻射在空氣中的衰減系數為K，在含煙塵氣體中的衰減系數為K，依照貝爾定律，有：

上述兩式中，￡。為石英燈管的熱輻射度，L。為試樣表面的熱輻射度，三、。為煙塵存在時試樣表面的熱輻射度。

上述兩式表明，熱輻射度在吸收性氣體中傳播時按指數規律衰減，而且傳播距離越長，衰減系數越大，熱輻射度衰減越明顯。由式（1）和（2）可得：

式（3）表明，在有煙和無煙的情況下，石英燈管的熱輻射經過相同距離時，熱輻射衰減有明顯差異，煙塵顆粒濃度越高，衰減系數越大，試樣表面熱流差異越明顯。若以無煙塵時標定的熱流曲線等效控制加熱，必然導致正式試驗時試樣表面的熱流值小于理論值。

通過熱流IL又，I試驗，直觀地揭示了煙塵與火焰對石英燈管輻射加熱的影響。采用石英燈管熱輻射進行燒蝕防熱結構地面熱模擬試驗的難點在于，熱輻射對煙塵的消光作用十分敏感，因此試驗中熱流傳感器的布置方式十分重要。依照煙塵對輻射加熱的影響規律合理布置熱流傳感器，才能確保地面熱模擬試驗的控制精度。

3.3模式切換控制技術

燒蝕防熱結構地面熱模擬試驗中，由于熱流傳感器工作環境極其惡劣，試驗中極易出現熱流傳感器意外損壞。若熱流傳感器突然損壞，控制系統接收不到反饋信號，將直接導致試驗失敗。為避免熱流傳感器損壞而造成災難后果，本項目開發了“熱流一電壓”控制模式實時無擾動切換技術。

試驗控制模式切換技術是在控制程序中引入等效控制命令，在反饋傳感器失效的情況下切換控制模式，由閉環控制模式轉為開環控制模式，采用等效控制命令完成試驗。對于燒蝕防熱結構地面熱模擬試驗，一般在試驗前都要進行熱流曲線標定，標定熱流曲線時記錄控制系統對各加熱溫區的輸出電壓曲線，將電壓曲線寫入控制程序，建立“熱流一電壓”命令對應關系，試驗中一旦熱流傳感器失效，控制程序通過智能判別，由熱流控制模式立即切換為電壓控制模式，由控制系統直接輸出電壓控制命令完成試驗加熱。

4 燒蝕防熱結構地面熱模擬試驗平臺

依托上述的試驗技術，打造了全尺寸燒蝕防熱結構地面熱模擬試驗平臺，包括加熱裝置、排煙裝置和加載裝置。

4.1加熱裝置

燒蝕防熱結構受熱后，材料性能發生不可逆轉的變化，這一特點決定了試驗加熱裝置必須高度安全可靠，本項目通過以下措施設計高可靠性加熱裝置。

（1）新型加熱裝置結構。傳統加熱裝置在石英燈管陣列面背后都安裝金屬反射板，由于試驗溫度較高，金屬反射板一般都配有水冷盒，水冷盒中的流動水吸收熱量帶出加熱裝置外，因此加熱裝置加熱效率較低。針對該問題，采用高硅氧布取代金屬反射板，高硅氧布表面平滑光亮，反射效率高，而且耐高溫，無需水冷，因而加熱裝置的加熱效率顯著提高。

（2）優化燈陣功率密度。燒蝕防熱結構地面熱模擬試驗中，燒蝕煙塵的消光作用對加熱裝置的功率密度要求比一般熱試驗更高，但是功率密度過高則會導致燈管壁本身膨化、熔裂而導致燈管失效。因此，必須確定合理的功率密度，既考慮試驗的加熱條件，又滿足試驗安全性的第一要求。加熱器設計開始階段，首先根據試驗加載熱流曲線的峰值確定石英燈管的排布密度，然后將相鄰燈管合并為一個加熱溫區，合并原則為單個溫區總功率不高于對應功率輸出設備可控硅的額定負荷，這樣既保證試驗開始時，可控硅設備能順利啟動，又可保證試驗中石英燈管適當超壓使用時不會導致可控硅超負荷運轉而自我斷電保護。

按照以上兩個原則，設計了燒蝕防熱結構地面熱模擬試驗的加熱裝置，見圖4。經試驗驗證，該類加熱裝置可靠性高，可以滿足燒蝕防熱結構地面熱模擬試驗的加熱要求。

圖4加熱裝置

圖5排煙裝置

4.2排煙裝置

排煙裝置是全尺寸燒蝕防熱結構地面熱模擬試驗技術的重要環節。本項目針對燒蝕防熱結構地面熱模擬試驗平臺的要求進行技術創新，最終設計出大排量、多用途、高效率的排煙系統，如圖5所示，它包括了集煙頭罩、軸流風機和排煙管路3部分。集煙頭罩為四棱臺形，滿足目前所有尺寸燒蝕防熱結構件熱試驗的要求。排煙管路分為垂直段和水平段，水平段管路連接集煙頭罩，垂直管路固定在廠房墻面，其下端彎管通過嵌入式對接伸縮系統可實現垂直高度的無級調節，以滿足不同高度尺寸的燒蝕防熱結構件的防熱試驗和力熱聯合試驗要求。軸流風機安裝在垂直段管路中間，為整個排煙系統提供動力，可滿足大面積燒蝕防熱結構件的地面熱模擬試驗要求。

4.3加載裝置

在設計加載裝置時，要充分考慮加熱裝置與排煙裝置的空間協調問題。對于軸向載荷較大的試驗，集煙頭罩置于加載裝置上方，該種方案的加載裝置結構緊湊，不會因為加載桿長度尺寸過大而影響加載裝置的剛度。軸向載荷較小時，將加載裝置安裝在集煙頭罩上方，試驗中產生的高溫煙氣在流經集煙頭罩時即被軸流風機抽去，而且避免了集煙頭罩離加熱裝置過高而導致的排煙效率降低。加熱裝置、排煙裝置、加載裝置以及無擾動模式切換控制技術共同構成了全尺寸燒蝕防熱結構地面熱模擬試驗技術，依托該試驗技術，成功進行了一系列燒蝕防熱結構件的地面熱模擬試驗，見圖6，取得了令人滿意的結果。

圖6試驗技術應用

5 結束語

本文采用石英燈輻射加熱進行燒蝕防熱結構地面熱模擬試驗技術研究，同時針對燒蝕過程中典型環境提出了熱流比對方案，巧妙地布置熱流傳感器，揭示了煙塵與火焰對輻射加熱方式的影響規律，搭建了全尺寸燒蝕防熱結構地面熱模擬試驗平臺，同時開發了”熱流一電壓“控制模式的實時無擾動切換技術，確保燒蝕防熱結構地面熱模擬試驗技術更加安全可靠。

參考文獻

[1]Reddy J N.Analysis of functionally graded plates[J].International Journal for Numerical Methods in Engineering，2000，47（1-3）：663-684.

[2]Ding H J，Huang D J，Chen W Q.Elasticity solutions for plane aniso·tropic functionally graded beams[J].International Journal of Solidsand Structures，2007，44（1）：176—196.

[3]蔣凌瀾，張利嵩。功能梯度防熱材料在高超聲速飛行器熱防護上的設計研究[J].導彈與航天運載技術，2015，（3）：16-21.

[4]吳大方，潘兵，鄭力銘，等。材料與結構氣動熱環境模擬方法及試驗研究[J].航天器環境工程，2012，29（3）：250.258.

[5]張鈺。結構熱實驗技術[M].北京：宇航出版社，1993.