1 500℃极端高温环境下高超声速飞行器轻质隔热材料热/振联合试验

远程高超声速飞行器处于极为恶劣的气动加热与振动耦合环境中,长时间的高温与振动载荷相互叠加会导致飞行器热防护材料出现裂纹、错位、剥离或脱落,甚至会引发致命的安全事故。因此热防护材料在极端高温环境下的地面热/振联合试验测试,对于高超声速飞行器的安全可靠性设计极为重要。建立高温与振动复合试验环境,设法解决轻质多孔隔热材料在强振动下,表面温度难于准确测量与控制的难题,制作水冷式隔热装置保护价格昂贵的振动激励设备等,实现了1 500℃高温环境下高超声速飞行器轻质隔热材料的热/振联合试验。得到非金属隔热材料陶瓷纤维板内部的断裂形貌及裂纹断面特征。根据试验前、后材料的表观及微观变化以及内部结合剂的变化等试验结果,对材料进行改进。经过试验测试后,达到了使用要求。本文建立的1 500℃极端高温环境下的热/振联合试验系统及试验结果为远程高超声速飞行器热防护材料的抗振动能力评估、隔热效果确定以及材料性能的改进提供了重要支撑。     

高温气流温度传感器测温偏差关键影响因素分析

为建立航空发动机高温气流温度传感器的数学模型,并给出其典型推荐结构,对高温气流温度传感器在热校准风洞上进行校准,得到不同温度传感器在不同工况条件下的测温偏差,并针对屏蔽罩长径比、冷却介质量、偶丝材料、传感器结构、外壳冷却方式以及偶丝倾角等关键影响因素,对其影响机理进行分析,得到了温度传感器测温偏差的影响规律。结果表明,采用大长径比、单屏蔽、干烧式结构,增大偶丝倾角,采用低导热系数的偶丝材料、以及减少冷却介质量,均可减小温度传感器的测温偏差,当长径比≥5时,温度传感器在1300℃以下的相对测温偏差不超过2.2%。     

热处理对Pt-PtRh13薄膜热电偶绝缘层性能的影响及机理分析

为了测量航空发动机高温部件表面温度,利用离子束溅射镀膜技术制备了拥有多层薄膜结构的Pt-PtRh13薄膜热电偶,包括Ni基合金基底、Ni Cr Al Y黏结层、Al2O3过渡层、Al2O3绝缘层、Pt/Pt Rh13薄膜热电偶和Al2O3保护层。研究了热处理对Pt-PtRh13薄膜热电偶绝缘层性能的影响,并利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射分析(XRD)等手段对薄膜热电偶绝缘层性能下降的机理进行了分析。研究结果表明:利用Al2O3绝缘薄膜开发的Pt-PtRh13薄膜热电偶只用于900℃以下测温,在900℃以上长时间应用可能会出现测温不稳定问题,高温诱发Al2O3绝缘层发生晶型转变是主要原因。     

高超声速飞行器热环境与结构传热的多场耦合数值研究

为了准确预测高超声速飞行器面临的严峻气动热/力环境以及结构的热力响应,发展了高超声速流动与结构传热耦合框架。采用分区求解方法,通过耦合界面的实时数据传递,实现了基于Navier-Stokes方程的高超声速化学非平衡计算流体力学（CFD）求解器与结构的热力全耦合有限元法（FEM）求解器的多场耦合计算,建立了高超声速飞行器的多场耦合数值分析方法。首先对经典高超声速圆柱绕流实验进行了耦合计算,结果与实验值吻合良好。然后针对典型的超高温陶瓷（UHTC）材料的耦合传热问题进行了数值研究,考虑热传导效应对气动热环境和结构热响应预测的影响,结果表明对于复杂外形且热导率相对较高的UHTC材料,结构内部热传导对热环境和表面温度分布的影响不可忽略。最后针对UHTC材料热物性（比热和热导率）非线性对高超声速流动传热过程的影响进行了研究,结果表明当比热和热导率处于合理的误差范围内时,材料表面温度响应对其变化并不敏感。     

薄膜温度传感器的研制及应用

一种新型的薄膜温度传感器,采用真空镀膜的方法制作在涡轮叶片表面,两者构成一体,可以真实反应表面温度。传感器的质量小、响应快,对叶片内部换热和表面燃气流无干扰。 传感器的敏感元件为铂姥_(10)-铂热电偶,测温上限可达1000℃,测量精度为±3％。     

航空发动机涡轮叶片涂层热电偶测温技术

针对航空发动机涡轮叶片测温难题,设计了一种与叶片一体化集成的涂层热电偶温度传感器。利用热喷涂技术进行温度传感器的原位制造与微加工,并对样品进行了静态标定试验、高温高速燃气冲击试验、高速旋转轮盘试验等系列性能考核,通过理论模型的建立,讨论了涂层对测温结果的影响规律。试验及仿真计算结果表明:涂层热电偶传感器测量精度达到Ⅰ级标准热电偶允差等级,并能在高温、高转速、复杂的气动激振力及大离心载荷下可靠稳定工作。该技术可实现航空发动机涡轮叶片表面温度实时监测与精确测量,为叶片设计定型及改进提供了1种新的技术手段。     

温度测量技术发展与应用专题（三） 温度测量技术的应用——物体表面温度测量

在工程应用和科学研究的很多场合中需要测量物体的表面温度,比如在钢铁制造行业中钢板表面温度的测量,在节能监测中窑炉外表面温度的测量,在航空航天科研中飞行器表面温度测量等。物体表面温度的测量可以采用接触式测量方法和非接触式测量方法,它不仅与测温传感器和测量方法有关,还受被测表面性能和环境状况的影响,是一个相互作用的复杂系统。     

航空发动机涡轮叶片晶体测温技术研究

针对航空发动机涡轮叶片温度测量的技术难题,介绍了1种晶体测温传感器的技术特点与技术优势。结合晶体测温技术的工作原理简述了测温晶体的制造方法,论述了测温晶体的安装、拆除工艺和标定试验方法,并利用测温晶体测量了涡轮叶片表面温度。结果表明:测温晶体在发动机内流高温、高压、高速燃气流的冲击下和叶片高速旋转的工况下附着牢靠,未出现脱落的情况,试验成活率为100%,获取到了精确测点的温度值,是解决航空发动机涡轮叶片等热端部件特殊位置表面温度测量的1种方法。     

航天飞行器轻质纳米材料高温隔热性能

纳米隔热材料是一种新型航天飞行器热防护材料。本文使用自行研制的高速飞行器热试验系统,对Al₂O₃纳米材料的高温隔热性能进行试验研究及数值计算,为高速航天器热防护系统的安全可靠性设计提供重要依据。研究结果表明,厚度仅为10 mm的Al₂O₃纳米材料板,当前表面温度为1 200℃时（1 800 s）,前后表面的温度差高达880.9℃,后表面温度降低了73.4%,且隔热性能稳定。另外与某空天飞行器轻质陶瓷材料进行了隔热性能的对比试验,结果显示轻质陶瓷材料板的背壁温度要比Al₂O₃纳米材料板高56%。说明Al₂O₃纳米材料的高温隔热性能非常优异,在航天器和高超声速飞行器热防护中具有重要的应用价值。由扫描电镜（SEM）图像知,当温度超过1 200℃后,Al₂O₃纳米材料颗粒快速聚集生长,颗粒间的空洞尺寸显著增大,材料内部纤维出现熔融现象,裂纹数量增多、深度及宽度显著增大,影响材料表观导热率。另外,当温度高于1 200℃时,纳米材料板边界出现了较大的收缩变形和弯曲变形。基于试验结果可知,Al₂O₃纳米隔热材料应该在小于1 200℃的热环境中使用。     

高焓化学非平衡流条件下C/SiC复合材料的催化性能

碳化硅陶瓷基复合材料（C/SiC）成为最有希望满足临近空间高超声速飞行器热防护要求的耐高温关键材料之一,其在高焓化学非平衡流条件下的催化性能是评估新一代高超声速飞行器表面气动热载荷,热防护系统精细化设计的关键参数。基于1 MW高频等离子体风洞,采用已建立起的防热材料催化特性试验测试方法开展了C/SiC材料在驻点压力分别为1.0、1.8、3.3和6.0 kPa,焓值为19.3~35.9 MJ/kg范围内的高焓离解空气环境下,在表面温度为1 453~2 003 K范围内的表面催化反应复合效率随表面温度和表面原子压力的变化关系研究。试验结果表明：C/SiC材料在高温条件下的表面催化复合效率应该同时被定义为表面温度、驻点压力和原子分压的函数。根据试验所得到的催化数据,计算了采用C/SiC作为钝头体材料的美国某典型飞行器（飞行高度H=73 km,飞行速度U=6.478 km/s,钝头体半径R_n=410 mm）的气动热环境参数,获得了考虑完全催化和有限催化条件下飞行器表面温度变化历程,结果进一步验证了飞行器热防护系统所承受的气动热载荷以及表面温度响应在很大程度上受到防热材料表面催化特性的影响。     

热障涂层在线/离线磷光温度测量技术研究进展

精确测量涡轮叶片表面热障涂层温度对航空发动机和地面燃气轮机设计和研制具有极其重要的意义。近年来,基于热像磷光材料磷光特性的热障传感涂层在线测温技术与热历史磷光涂层离线测温技术得到了迅猛发展。前者通过在线测量高温下磷光信号来获取实时温度信息,后者通过离线测量经高温服役后的磷光材料不可逆磷光信号变化来获取服役温度信息。这两项技术都适用于高温、高腐蚀环境下热障涂层非干涉、非接触式和高精度温度测量,具有广阔的应用前景。从热障涂层在线/离线测温原理与方法、磷光材料与制备及应用3个方面详细介绍了热障涂层在线/离线测温技术的研究现状与技术特点,并对这两种技术的发展进行了展望。     

1200℃高温环境下板结构热模态试验研究与数值模拟

高超声速飞行器高马赫数飞行时,翼、舵及垂尾等板形姿态控制结构将会面临极为严酷的高温环境,为了获得难于实测的结构在高温与振动复合环境下的热模态参数,本文将瞬态气动热试验模拟系统与振动试验系统相结合,建立了高温热/振联合试验测试系统,实现了高达1200℃热环境下矩形板结构的模态频率等关键振动参数的试验测试。同时,对矩形板结构的热模态特性进行了数值计算,并将试验结果与计算结果进行对比验证。试验中通过自行研制的耐高温陶瓷导杆引伸装置将结构上的振动信号传递至高温热场之外,使用常温加速度传感器对振动信号进行参数识别;并运用时-频联合分析技术对试验数据进行分析处理。本文所获得的高温环境(200~1100℃)下矩形板结构的模态频率的试验结果与数值计算结果取得了比较好的一致性,验证了本试验方法的可信性及可用性。本研究结果为高超声速飞行器翼舵结构在高温环境下的振动特性分析以及安全可靠性设计提供了重要的试验手段和参考依据。     

柔性热敏薄膜传感器阵列工艺研究

分析了热敏薄膜传感器测量流场温度和壁面剪应力的原理,选择聚酰亚胺为衬底材料,金属镍为热敏材料,提出了一种电镀引线的柔性热敏薄膜传感器阵列结构及其制作工艺.经热敏性能测试,该柔性热敏薄膜传感器阵列结构简单,可贴附于高曲率复杂表面,实现非破坏动态流场参数测量.     

航空发动机涡轮叶片接触式测温技术应用进展

航空发动机涡轮叶片测温技术能够揭示涡轮叶片的温度分布情况，对其开展性能评估、失效分析和优化设计具有重要意义。涡轮进口温度的不断提升对应用于航空发动机涡轮叶片的测温技术提出了更高的要求。现有的航空发动机涡轮叶片接触式测温技术可采集叶片表面温度和近表面气流温度，本文主要介绍了三种应用于涡轮叶片的接触式测温技术，包括薄膜热电偶、测温晶体和示温漆，简要说明了三种测温技术的工作原理，归纳了国内外应用现状，总结了各自的优势与不足，并对其发展方向进行了展望。     

传感器表面温度对热流测量的影响

高超声速飞行器热环境测量数据一直是防热设计和考核的基准数据,也是热环境计算方法的考核性数据,其准确性至关重要。针对热流测量中遇到的传感器表面和周边防热材料温度差异而导致的测量数据偏差问题,采用基于Navier-Stokes方程的自研程序开展了详细的气动热环境数值模拟,得到了不同温差条件下传感器表面热环境的分布规律,并根据场协同理论分析了局部热流变化的成因机理,研究了影响热流变化幅值的主要因素。结果表明：①当传感器和其周边材料的温度存在一定的差异时,导致该区域近壁面流场中的压力、密度等特征量梯度增大,改变了传感器当地的法向速度和温度分布,造成了局部热流的剧烈变化。②相同来流马赫数和高度下,来流攻角主要影响法向速度的分布,从而影响气动加热量,攻角越大,相同温差下加热量上升的幅度越小;来流总温主要影响法向温度梯度的分布,从而影响气动加热量,来流总温越大在相同温差条件下加热量上升幅度越小。所开展的研究工作可加深对传感器局部热环境分布规律的认识,避免对测量热流的误判,提升数据判断和分析的可靠性。     

高温耐辐照声发射传感器

研制了一种新的耐高温抗辐照声发射传感器,并讨论了传感器制作工艺上的特点和优点。在经受400℃和2.4×10~6GYγ辐照的考验后,传感器仍保持性能稳定。     

航发高温内腔温度场模型的建立与仿真分析

航空发动机内腔温度高、变化快，传统接触测试方法需要破坏结构或加载传感器于内腔获取温度数据。针对这种高温测量应用需求，从热传导和热弹性理论出发，理论分析了温度场作用下的钢质薄板变形特性。基于热弹性的基本方程和边界条件，研究了符合轴对称原则的金属薄板的应力、应变、位移、温度之间的数学关系，建立了多项式方程求解金属薄板温度位移模型。依据金属薄板材料参数和边界约束条件，有限元仿真分析了金属薄板的热变形状态，仿真结果与建立的模型计算数据比对验证基本一致，初步验证了温度计算模型的可靠性，为微变形内推温度测量提供可能。     

货运飞船智能温湿度测量系统构建和实验

根据货运飞船热平衡实验中对温湿度测量的需求,设计并搭建了一种以控制器局域网络(CAN)总线通信技术和智能温湿度传感器SHT15为核心的分布式测量系统,温湿度测量模块将采集到的温湿度数据通过CAN总线经分线器传递给下位机,进一步传输给上位机,实现了对数据的补偿、显示和保存等功能,给出了系统中软件的设计思路和流程图.并对该系统进行了真空贮存实验和标定实验,实验结果表明:该系统具有高可靠性和高测量精度,相对湿度的测量误差在2%以内,且使用方便,易于扩展节点,现已成功运用于实际的测量工作中.