天线窗材料热透波特性风洞测试方法

高超声速飞行器天线窗材料在等离子体包覆条件下的热响应和热透波特性测试,是分析天线窗材料特性、研究电磁波在等离子体和天线窗中传输特性的基础。针对等离子体和天线窗中电磁波传输特性,采用矢量网络分析仪和标准增益天线组成的电磁波传输测试系统,获得了一定频率的电磁波经过等离子体和高温天线窗之后的衰减;针对高温天线窗自身热响应特性和电磁波在其中的传输特性,研究了天线窗材料在一定热流作用下的温度分布和烧蚀特性,测试了烧蚀后处于高温状态且无等离子体覆盖的天线窗对电磁波的影响,分析了天线窗高温透波特性与常温透波特性的差异。所建立的方法,为在地面等离子体风洞中开展天线窗热透波特性研究、分析天线窗和等离子体耦合作用对电磁波传输特性的影响建立了基础。     

催化效应对气动热环境影响的流动-传热耦合数值分析

鉴于高超声速飞行中高温气体效应带来的壁面催化反应可显著增加气动热载荷，在气动热环境与结构热响应的分析与预报中需充分考虑催化反应带来的影响。将简化原子复合催化模型和有限速率催化反应模型嵌入超高速流动-传热耦合分析模型中，建立超高速流动/催化反应/传热多场耦合分析模型。其中，通过高频等离子风洞的催化特性测试获得ZrB₂-SiC超高温陶瓷材料表面催化系数与温度的函数关系，对比分析耦合计算和非耦合计算、简化原子复合催化模型和有限速率催化反应模型对气动热环境的影响和适应性，结果表明材料表面催化特性对壁面总热流有重大影响。对于具有较高热导率材料的热响应，耦合传热分析能够有效避免非耦合计算带来的过度高估的结果，而有限速率催化反应模型可有效提高计算精度。在此基础之上，通过耦合传热分析，揭示了催化反应与壁面传热的内在关系，证明了在传热分析中考虑表面催化效应可提升结构热响应精度和防热系统精细化设计的能力。     

热防护材料表面催化特性研究进展

随着高超声速飞行器的发展,高焓离解环境下热防护材料所承受的气动热载荷在很大程度上受到材料表面催化特性的影响。根据高焓服役环境特征和热防护材料表面催化特性的发展现状,重点综述了材料表面催化反应机理和不同尺度的催化模型,分析、比较了催化特性地面测试与评价方法以及典型热防护材料表面催化特性的影响因素,简要总结了国内现阶段相关催化特性研究的初步成果,并在此基础之上提出了催化特性测试与表征方法的不足和后续研究的重点方向,为有效改进热防护材料表面催化特性试验测试技术、准确预测高超声速飞行器气动热环境,从而实现热防护系统的精细化设计提供指导。     

非烧蚀型防热材料烧蚀性能初步试验研究

介绍了在CARDC等离子体风洞中开展的非烧蚀型防热材料超高温陶瓷（UHTC）的试验研究结果。对Ф20mm平头圆柱体试验模型，采用亚声速驻点试验技术，在驻点热流478W／cm2，气流焓值27．9MJ／kg，环境压力18kPa条件下，分别对代号C（15、10）型、Y型、S（30、15、10）型3种材料模型进行了试验研究，并对模型试验前后的长度变化、质量变化以及模型表面温度进行了测量，初步分析了模型的表观变化、抗氧化特性和表面辐射特性。结果表明：Y型模型试验前后表观变化不大，表面温度达到1930℃；S型模型表面生成一层薄氧化层，稳定情形下模型表面温度达到1964℃；C型模型表面烧蚀严重，模型表面温度达到2462℃，防热性能最差。     

防热材料热解与氧化性能试验技术研究

介绍了利用Arrhenius方程开展材料烧蚀热解性能动力学特性的基本原理，试验测试方法。并通过对炭酚醛材料烧蚀动力学参数的高频等离子体风洞试验研究，验证了采用时间历程积分在试验结果处理中的可靠性，在此基础上采用平板试验技术获得炭酚醛材料在600～1200K温度范围内的表面质量烧蚀率动力学方程，并将该方程所预测的结果与采用驻点烧蚀技术所获得的结果进行比较。结果显示：二者最大误差不超过5％，通过理论初步分析了二者之间存在差异的主要原因，并在试验比较分析的基础上，采用最大误差限理论分析了试验结果的可靠性。     

材料表面温度的多光谱测量技术研究

主要介绍了多光谱温度测量技术的理论基础、试验测量方法的建立和试验数据的处理方法.对熔融40钢表面温度进行测量验证了试验方法;通过选取不同波段进行处理,并对比处理所得温度值验证了本方法与所选波段的无关性.试验结果表明,试验测得的温度与铁的熔点相比误差在5%以内,验证了该方法的可行性和可靠性.该方法克服了其它方法很难准确测得高温固体表面温度的缺点,在高温固体表面温度测量方面有广阔的应用前景.     

防热材料热解与氧化性能试验技术研究

介绍了利用Arrhenius方程开展材料烧蚀热解性能动力学特性的基本原理,试验测试方法.并通过对炭酚醛材料烧蚀动力学参数的高频等离子体风洞试验研究,验证了采用时间历程积分在试验结果处理中的可靠性,在此基础上采用平板试验技术获得炭酚醛材料在600～1200K温度范围内的表面质量烧蚀率动力学方程,并将该方程所预测的结果与采用驻点烧蚀技术所获得的结果进行比较.结果显示:二者最大误差不超过5%,通过理论初步分析了二者之间存在差异的主要原因,并在试验比较分析的基础上,采用最大误差限理论分析了试验结果的可靠性.     

用于高温测量的红外热成像技术

用于高焓风洞实验中模型表面温度测量的CCD红外热成像系统 ,测温范围 1 0 0 0～ 350 0K。笔者介绍系统原理和标定过程 ,并给出了初步风洞实验结果。通过与红外高温计测量结果的比较分析 ,验证了该系统的可靠性和实用性。系统的研制成功为地面防热 /热结构实验中模型表面温度测量提供了先进的手段。     

大气压条件下高焓空气等离子体流场特性及应用

评估和鉴定高超声速飞行器防热材料使用性能,需要在能够模拟飞行气动热环境的高焓设备中进行大量地面试验。详细介绍了一种能够运行在大气压条件下的电感耦合等离子体设备,该设备能够产生多种气体(空气、氮气、二氧化碳、氩气)的等离子体射流,运行功率范围为27~85.5kW,最大运行效率可达77.9%。通过对30mm的亚声速喷管出口8mm处空气等离子体流场参数高精度重构和发射光谱测试研究,获得了气体温度和光谱发射强度沿径向的分布,等离子体的焓值范围为8.54~22.2 MJ/kg,驻点热流最高可达721 W/cm2。选定2个试验状态对典型防热材料C/SiC进行烧蚀氧化考核试验,并通过与国内外同类设备比较,表明该大气压感应耦合等离子体设备达到国际先进水平,完全具备开展高超声速飞行器防热材料性能改进地面模拟试验的能力。