專利名稱：熱防護材料氣動熱載荷模擬試驗裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及的是一種地面模擬試驗裝置，具體地說是一種再現(xiàn)真實服役環(huán)境下高溫熱防護材料氣動熱載荷模擬試驗裝置。
背景技術(shù)：
隨著航空航天的高速發(fā)展，尤其是高超聲速、長時間及可重復使用的需求使得高超聲速技術(shù)高速發(fā)展的同時也面臨了一系列亟待解決的技術(shù)難題，包括控制、推進、氣動、結(jié)構(gòu)、材料及防熱等，其中突破熱障是發(fā)展高超聲速飛行器必須首先解決的關鍵技術(shù)問題。在大氣層飛行期間，高超聲速飛行器與稠密大氣相互作用，由于粘性效應和激波強壓縮，飛行器的一部分動能轉(zhuǎn)變成為氣體的內(nèi)能，繞流氣體的溫度急劇升高。典型的高超聲速飛行器頭部空域的氣體溫度最高可能達到10000K以上，使得高超聲速飛行器處于極其苛刻的氣動加熱環(huán)境，對熱防護材料更是提出了嚴峻的要求，要求材料具有良好的高溫性能以適 應苛刻的氣動熱環(huán)境。能夠勝任超高溫環(huán)境下的材料主要集中在高熔點硼化物、碳化物以及氧化物組成的多元復合超高溫陶瓷材料體系、難熔金屬和抗氧化抗燒蝕改性的C/C復合材料。由于過渡族金屬化合物TaC、ZrB2、ZrC、HfB2、HfC等熔點都超過3000°C，具有高熔點、高硬度、導電導熱性好、熱化學穩(wěn)定性好等特點，使其作為極端環(huán)境下使用的候選材料。目前表征和評價熱防護材料氣動熱載荷的設備主要為氧乙炔，電弧風洞以及高頻等離子風洞等裝置，這些地面模擬與評價裝置操作繁瑣、成本高，無法實現(xiàn)氣動載荷和熱載荷的解耦分析，難以大規(guī)模的進行氣動熱載荷的原理性試驗研究，以及各獨立參數(shù)的影響權(quán)重，因此需要一種操作簡單，成本低，能夠?qū)崿F(xiàn)氣動和熱載荷獨立調(diào)節(jié)控制的實驗裝置，由于以ZrB2基超高溫陶瓷材料為代表的熱防護材料具有良好導電性能，因此可采用通電加熱的方式獲得熱載荷，并結(jié)合特定組分的氣動載荷以再現(xiàn)氣動熱載荷。基于此，本發(fā)明的目的是針對以ZrB2基超高溫陶瓷材料為代表導電類熱防護材料。提供給一種參數(shù)可獨立調(diào)節(jié)其基本能再現(xiàn)服役環(huán)境氣動熱載荷的試驗裝置，用以評價熱防護材料高溫使用性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對以ZrB2基超高溫陶瓷材料為代表的導電類熱防護材料，提供一種環(huán)境壓力、氣體組分以及表面溫度等參數(shù)可獨立調(diào)節(jié)且能基本再現(xiàn)服役環(huán)境氣動熱載荷的試驗裝置，用以評價熱防護材料高溫使用性能。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種熱防護材料氣動熱載荷模擬試驗裝置，包括不銹鋼環(huán)境艙、兩個加熱銅電極、單/雙比色紅外測溫儀、供電子系統(tǒng)、供氣子系統(tǒng)、抽真空子系統(tǒng)、冷卻循環(huán)子系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)，不銹鋼環(huán)境艙由支架固定于地面并與大地絕緣，不銹鋼環(huán)境艙上開有三個觀察窗，兩個加熱銅電極和氣體噴嘴安裝于不銹鋼環(huán)境艙內(nèi)，兩個加熱銅電極通過電纜與供電子系統(tǒng)相連，氣體噴嘴位于熱防護材料試樣上方，氣體噴嘴與供氣子系統(tǒng)連接，抽真空子系統(tǒng)調(diào)節(jié)不銹鋼環(huán)境艙內(nèi)壓力，供電子系統(tǒng)與工業(yè)電網(wǎng)連接；加熱銅電極為中空水冷并與冷卻循環(huán)子系統(tǒng)連接進行冷卻，熱防護材料試樣通過銅制夾具固定于兩個加熱銅電極之間，單/雙比色紅外測溫儀透過觀察窗測試熱防護材料試樣表面溫度；單/雙比色紅外測溫儀與PLC控制系統(tǒng)電信號連接，供電子系統(tǒng)、供氣子系統(tǒng)、抽真空子系統(tǒng)、冷卻循環(huán)子系統(tǒng)分別與PLC控制系統(tǒng)電信號連接。。本發(fā)明還具有如下特征I、所述的兩個加熱銅電極安裝在滑道上，根據(jù)熱防護材料大小調(diào)節(jié)滑道上兩個加熱銅電極間距離，熱防護材料、銅制夾具和電極三者之間緊密配合防止放電。2、所述的供電子系統(tǒng)包括變壓器、調(diào)壓電機、霍爾互感器、空氣開關、接觸器、電流表和電壓表，工業(yè)電網(wǎng)與空氣開關連接，空氣開關與接觸器連接，接觸器與調(diào)壓電機輸入端連接，調(diào)壓電機輸出端與變壓器連接，變壓器分別與兩個加熱銅電極連接；霍爾互感器在變 壓器輸出端，霍爾電流電壓傳感器與電流表連接，電壓表和電流分別獲取電壓、電流信號并傳輸至PLC控制系統(tǒng)，通過開環(huán)手動調(diào)節(jié)和閉環(huán)預設值改變調(diào)壓電機輸入值，實現(xiàn)加熱銅電極輸入電流的線性調(diào)節(jié)。3、所述的抽真空子系統(tǒng)包括旋片式變頻真空泵、真空電磁壓差閥、抽真空管、電阻真空計，旋片式變頻真空泵與真空管連接，抽真空管與不銹鋼環(huán)境艙連接，抽真空管上安裝有電磁壓差閥，不銹鋼環(huán)境艙安裝有電阻真空計，電阻真空計測試不銹鋼環(huán)境艙內(nèi)的壓力值，將壓力值傳輸給PLC控制系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)與旋片式變頻真空泵電信號連接。4、所述的供氣子系統(tǒng)包括三套支路供氣單元、總截止閥和氣體壓力表，三套支路供氣單元經(jīng)過混合腔體并聯(lián)后通過管道與總截止閥連接，總截止閥通過管道與總電磁閥連接，總電磁閥通過管道與氣體噴嘴連接，氣體噴嘴上安裝有氣體壓力表，三套供氣單元置于真空艙外的背面，每套供氣單元包括供氣瓶、穩(wěn)壓罐、流量計、針形截止閥、支路電磁閥，氣瓶通過管道分別與穩(wěn)壓罐和流量計連接，流量計通過管道與針形截止閥連接，針形截止閥通過管道與支路電磁閥連接；三個支路電磁閥和總電磁閥分別與PLC控制系統(tǒng)電信號連接。5、所述的冷卻循環(huán)子系統(tǒng)包括冷卻不銹鋼水箱、水泵和高壓水管；不銹鋼水箱與水泵連接，水泵通過高壓水管與加熱電極的冷卻水接頭連接，水箱上安裝有液位計和測溫熱電偶；水泵、液位計和測溫熱電偶分別與PLC控制系統(tǒng)電信號連接。6、所述的觀察窗采用不銹鋼法蘭壓住IOmm厚石英玻璃，并由玻璃膠密封。本裝置通過對導電類熱防護材料進行混合氣體壓力載荷和通電熱載荷的獨立加載，實現(xiàn)了氣動熱載荷的解耦測試，該裝置操作簡單，調(diào)節(jié)范圍寬，成本低，可進行熱防護材料氣動熱載荷的原理性研究。試驗測試表明，本發(fā)明可以提供溫度不超過3000°C、壓力
O.I 50kPa獨立調(diào)節(jié)的氣動熱載荷，能夠滿足導電類熱防護材料氣動熱載荷地面模擬試驗的基本要求。


圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是真空供氣及冷卻子系統(tǒng)原理圖。
圖3是試樣表面溫度歷程圖。圖4是環(huán)境艙壓力歷程圖。其中I、銅電極，2、不銹鋼環(huán)境艙，3、熱防護材料試樣，4、單/雙比色紅外測溫儀，
5、氣體噴嘴，6、供氣子系統(tǒng)，7、抽真空子系統(tǒng)，8、PLC控制系統(tǒng)，9、供電子系統(tǒng)，10、冷卻循環(huán)子系統(tǒng)，11、不銹鋼水箱,12、水泵，13、電阻真空計，14、加熱銅電極，15、氣體噴嘴，16、氣體壓力表，17、總電磁閥，18、總截止閥，19、混合腔體，20、支路電磁閥，21、針形截止閥，22、流量計，23、穩(wěn)壓罐，24、氣瓶，25、真空電磁壓差閥，26、旋片式變頻真空泵。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細的描述如圖1-2所示，一種熱防護材料氣動熱載荷模擬試驗裝置，包括不銹鋼環(huán)境艙、兩 個加熱銅電極、單/雙比色紅外測溫儀、供電子系統(tǒng)、供氣子系統(tǒng)、抽真空子系統(tǒng)、冷卻循環(huán)子系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)，不銹鋼環(huán)境艙由支架固定于地面并與大地絕緣，不銹鋼環(huán)境艙上開有三個觀察窗，兩個加熱銅電極和氣體噴嘴安裝于不銹鋼環(huán)境艙內(nèi)，兩個加熱銅電極通過電纜與供電子系統(tǒng)相連，氣體噴嘴位于熱防護材料試樣上方，氣體噴嘴與供氣子系統(tǒng)連接，抽真空子系統(tǒng)調(diào)節(jié)不銹鋼環(huán)境艙內(nèi)壓力，供電子系統(tǒng)與工業(yè)電網(wǎng)連接；加熱銅電極為中空水冷并與冷卻循環(huán)子系統(tǒng)連接進行冷卻，熱防護材料試樣通過銅制夾具固定于兩個加熱銅電極之間，單/雙比色紅外測溫儀透過觀察窗測試熱防護材料試樣表面溫度；單/雙比色紅外測溫儀與PLC控制系統(tǒng)電信號連接，供電子系統(tǒng)、供氣子系統(tǒng)、抽真空子系統(tǒng)、冷卻循環(huán)子系統(tǒng)分別與PLC控制系統(tǒng)電信號連接。所述的兩個加熱銅電極安裝在滑道上，根據(jù)熱防護材料大小調(diào)節(jié)滑道上兩個加熱銅電極間距離，熱防護材料、銅制夾具和電極三者之間緊密配合防止放電。所述的供電子系統(tǒng)包括變壓器、調(diào)壓電機、霍爾互感器、空氣開關、接觸器、電流表和電壓表，工業(yè)電網(wǎng)與空氣開關連接，空氣開關與接觸器連接，接觸器與調(diào)壓電機輸入端連接，調(diào)壓電機輸出端與變壓器連接，變壓器分別與兩個加熱銅電極連接；霍爾互感器在變壓器輸出端，霍爾電流電壓傳感器與電流表連接，電壓表和電流分別獲取電壓、電流信號并傳輸至PLC控制系統(tǒng)，通過開環(huán)手動調(diào)節(jié)和閉環(huán)預設值改變調(diào)壓電機輸入值，實現(xiàn)加熱銅電極輸入電流的線性調(diào)節(jié)。所述的抽真空子系統(tǒng)包括旋片式變頻真空泵、真空電磁壓差閥、抽真空管、電阻真空計，旋片式變頻真空泵與真空管連接，抽真空管與不銹鋼環(huán)境艙連接，抽真空管上安裝有電磁壓差閥，不銹鋼環(huán)境艙安裝有電阻真空計，電阻真空計測試不銹鋼環(huán)境艙內(nèi)的壓力值，將壓力值傳輸給PLC控制系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)與旋片式變頻真空泵電信號連接。所述的供氣子系統(tǒng)包括三套支路供氣單元、總截止閥和氣體壓力表，三套支路供氣單元經(jīng)過混合腔體并聯(lián)后通過管道與總截止閥連接，總截止閥通過管道與總電磁閥連接，總電磁閥通過管道與氣體噴嘴連接，氣體噴嘴上安裝有氣體壓力表，三套供氣單元置于真空艙外的背面，每套供氣單元包括供氣瓶、穩(wěn)壓罐、流量計、針形截止閥、支路電磁閥，氣瓶通過管道分別與穩(wěn)壓罐和流量計連接，流量計通過管道與針形截止閥連接，針形截止閥通過管道與支路電磁閥連接；三個支路電磁閥和總電磁閥分別與PLC控制系統(tǒng)電信號連接。所述的冷卻循環(huán)子系統(tǒng)包括冷卻不銹鋼水箱、水泵和高壓水管；不銹鋼水箱與水泵連接，水泵通過高壓水管與加熱電極的冷卻水接頭連接，水箱上安裝有液位計和測溫熱電偶；水泵、液位計和測溫熱電偶分別與PLC控制系統(tǒng)電信號連接。所述的觀察窗采用不銹鋼法蘭壓住10_厚石英玻璃，并由玻璃膠密封。通過調(diào)節(jié)供氣子系統(tǒng)控制進氣組分與出口壓力；上述裝置均置于環(huán)境艙2內(nèi)，通過真空子系統(tǒng)實現(xiàn)環(huán)境艙內(nèi)真空度的動態(tài)控制；利用單/雙比色測溫儀透過石英玻璃窗測試試樣表面溫度歷程，并利用PLC控制子系統(tǒng)實現(xiàn)電流、真空的閉環(huán)/開環(huán)調(diào)節(jié)，以及冷卻和氣動載荷的大小。本發(fā)明的工作流程是首先根據(jù)熱防護材料試件結(jié)構(gòu)形狀和大小，調(diào)節(jié)相應銅質(zhì)夾具的距離實現(xiàn)試樣與夾具的緊密配合，防止出現(xiàn)斷電和過高的接觸熱阻；關閉環(huán)境艙，預設真空值和輸出電流值，開啟真空泵，達到預設值后開啟供氣系統(tǒng)，調(diào)節(jié)輸出壓力后開啟冷卻子系統(tǒng)，接通電源，通過測溫儀、電流表和電壓表監(jiān)控試樣狀態(tài)，表面溫度達到試樣要求后關閉電源，繼續(xù)開啟真空泵、供氣子系統(tǒng)以及冷卻子系統(tǒng)直至試樣冷卻。 下面通過具體實施例進一步闡明本發(fā)明的實質(zhì)性特點和顯著進步，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅只局限于下面的實施例實施例I.采用ZrB2-20SiC_10AlN陶瓷基復合材料制作的試驗試樣，尺寸為3mmX4mmX36mm,采用金剛石研磨膏將試樣表面打磨到光潔度低于I μ m—下。將打磨后試樣裝夾于銅質(zhì)夾具中，噴管至試樣距離為5mm，噴嘴中心與試樣中心重合，控制調(diào)節(jié)閥和減壓閥，出口壓力IOkPa,輸出電流320A ;試樣表面溫度2000±30°C，升溫速率約為300°C /s,加載時間6. 67s。實施例2.采用ZrB2-20SiC_10AlN陶瓷基復合材料制作的試驗試樣，尺寸為6mmX8mmX36mm,采用金剛石研磨膏將試樣表面打磨到光潔度低于I μ m—下。將打磨后試樣裝夾于銅質(zhì)夾具中，噴管至試樣距離為5mm，噴嘴中心與試樣中心重合，控制調(diào)節(jié)閥和減壓閥，出口壓力IOkPa,輸出電流1170A ;試樣表面溫度1800±30°C，升溫速率約為200 V /s，加載時間9. 2s。實施例3.米用ZrB2_20SiCw陶瓷基復合材料制作的試驗試樣,尺寸為6mmX8mmX 36mm,米用金剛石研磨膏將試樣表面打磨到光潔度低于Iym—下。將打磨后試樣裝夾于銅質(zhì)夾具中，噴管至試樣距離為5mm，噴嘴中心與試樣中心重合，控制調(diào)節(jié)閥和減壓閥，出口壓力40kPa，輸出電流1500A ;試樣表面溫度1600±30°C，升溫速率約為300°C /s，加載時間5. 6s。本發(fā)明具有以下幾個主要技術(shù)特征I、通過霍爾互感器和電壓表監(jiān)測本發(fā)明裝置電流、電壓輸出電流O 5000A ;電壓O IOV ;2、針對不同材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的熱防護材料，單/雙比色紅外測溫儀測試溫度范圍250 3000 O ；3、噴管出口壓力O. I 50kPa，可實現(xiàn)單/多路單獨或混合輸出，三路進氣流量為
O.I lm3/h ；4、環(huán)境艙內(nèi)氣體組分可以任意比配比，根據(jù)模擬試驗需求選取氧氣、空氣、氮氣以及氬氣等進行定比例混合；環(huán)境艙內(nèi)壓力調(diào)節(jié)范圍500Pa 50000Pa ；5、通過PLC集中控制，實現(xiàn)環(huán)境艙內(nèi)真空度、加熱電極輸出電流的開/閉環(huán)控制，電流調(diào)節(jié)范圍0 5000A ;真空調(diào)節(jié)范圍彡IOOPa6、通過對導電類熱防護材料進行混合氣體壓力載荷和通電熱載荷的獨立加載，基本實現(xiàn)氣動熱載荷的解耦測試，該方法操作簡單，調(diào)節(jié)范圍寬，成本低，可進行熱防護材料氣動熱載荷的原理性研究。試驗測試表明，本發(fā)明可以提供溫度不超過3000°C、壓力O. I 50kPa獨立調(diào)節(jié)的 氣動熱載荷，能夠滿足導電類熱防護材料氣動熱載荷地面模擬試驗的基本要求。
權(quán)利要求
1.熱防護材料氣動熱載荷模擬試驗裝置，包括不銹鋼環(huán)境艙、兩個加熱銅電極、單/雙比色紅外測溫儀、供電子系統(tǒng)、供氣子系統(tǒng)、抽真空子系統(tǒng)、冷卻循環(huán)子系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)，不銹鋼環(huán)境艙由支架固定于地面并與大地絕緣，不銹鋼環(huán)境艙上開有三個觀察窗，其特征在于兩個加熱銅電極和氣體噴嘴安裝于不銹鋼環(huán)境艙內(nèi)，兩個加熱銅電極通過電纜與供電子系統(tǒng)相連，氣體噴嘴位于熱防護材料試樣上方，氣體噴嘴與供氣子系統(tǒng)連接，抽真空子系統(tǒng)調(diào)節(jié)不銹鋼環(huán)境艙內(nèi)壓力，供電子系統(tǒng)與工業(yè)電網(wǎng)連接；加熱銅電極為中空水冷并與冷卻循環(huán)子系統(tǒng)連接進行冷卻，熱防護材料試樣通過銅制夾具固定于兩個加熱銅電極之間，單/雙比色紅外測溫儀透過觀察窗測試熱防護材料試樣表面溫度；單/雙比色紅外測溫儀與PLC控制系統(tǒng)電信號連接，供電子系統(tǒng)、供氣子系統(tǒng)、抽真空子系統(tǒng)、冷卻循環(huán)子系統(tǒng)分別與PLC控制系統(tǒng)電信號連接。
2.如權(quán)利要求I所述的熱防護材料氣動熱載荷模擬試驗裝置，其特征在于所述的兩個加熱銅電極安裝在滑道上，根據(jù)熱防護材料大小調(diào)節(jié)滑道上兩個加熱銅電極間距離，熱防護材料、銅制夾具和電極三者之間緊密配合防止放電。
3.如權(quán)利要求I所述的熱防護材料氣動熱載荷模擬試驗裝置，其特征在于所述的供電子系統(tǒng)包括變壓器、調(diào)壓電機、霍爾互感器、空氣開關、接觸器、電流表和電壓表，工業(yè)電網(wǎng)與空氣開關連接，空氣開關與接觸器連接，接觸器與調(diào)壓電機輸入端連接，調(diào)壓電機輸出端與變壓器連接，變壓器分別與兩個加熱銅電極連接；霍爾互感器在變壓器輸出端，霍爾電流電壓傳感器與電流表連接，電壓表和電流分別獲取電壓、電流信號并傳輸至PLC控制系統(tǒng)，通過開環(huán)手動調(diào)節(jié)和閉環(huán)預設值改變調(diào)壓電機輸入值，實現(xiàn)加熱銅電極輸入電流的線性調(diào)節(jié)。
4.如權(quán)利要求I所述的熱防護材料氣動熱載荷模擬試驗裝置，其特征在于所述的抽真空子系統(tǒng)包括旋片式變頻真空泵、真空電磁壓差閥、抽真空管、電阻真空計，旋片式變頻真空泵與真空管連接，抽真空管與不銹鋼環(huán)境艙連接，抽真空管上安裝有電磁壓差閥，不銹鋼環(huán)境艙安裝有電阻真空計，電阻真空計測試不銹鋼環(huán)境艙內(nèi)的壓力值，將壓力值傳輸給PLC控制系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)與旋片式變頻真空泵電信號連接。
5.如權(quán)利要求I所述的熱防護材料氣動熱載荷模擬試驗裝置，其特征在于所述的供氣子系統(tǒng)包括三套支路供氣單元、總截止閥和氣體壓力表，三套支路供氣單元經(jīng)過混合腔體并聯(lián)后通過管道與總截止閥連接，總截止閥通過管道與總電磁閥連接，總電磁閥通過管道與氣體噴嘴連接，氣體噴嘴上安裝有氣體壓力表，三套供氣單元置于真空艙外的背面，每套供氣單元包括供氣瓶、穩(wěn)壓罐、流量計、針形截止閥、支路電磁閥，氣瓶通過管道分別與穩(wěn)壓罐和流量計連接，流量計通過管道與針形截止閥連接，針形截止閥通過管道與支路電磁閥連接；三個支路電磁閥和總電磁閥分別與PLC控制系統(tǒng)電信號連接。
6.如權(quán)利要求I所述的熱防護材料氣動熱載荷模擬試驗裝置，其特征在于所述的冷卻循環(huán)子系統(tǒng)包括冷卻不銹鋼水箱、水泵和高壓水管；不銹鋼水箱與水泵連接，水泵通過高壓水管與加熱電極的冷卻水接頭連接，水箱上安裝有液位計和測溫熱電偶；水泵、液位計和測溫熱電偶分別與PLC控制系統(tǒng)電信號連接。
7.如權(quán)利要求I所述的熱防護材料氣動熱載荷模擬試驗裝置，其特征在于所述的觀察窗采用不銹鋼法蘭壓住10_厚石英玻璃，并由玻璃膠密封。
全文摘要
一種熱防護材料氣動熱載荷模擬試驗裝置，包括不銹鋼環(huán)境艙、兩個加熱銅電極、單/雙比色紅外測溫儀、供電子系統(tǒng)、供氣子系統(tǒng)、抽真空子系統(tǒng)、冷卻循環(huán)子系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)不銹鋼環(huán)境艙由支架固定于地面并與大地絕緣，不銹鋼環(huán)境艙上開有三個觀察窗，兩個加熱銅電極通過電纜與供電子系統(tǒng)相連，氣體噴嘴位于熱防護材料試樣上方，抽真空子系統(tǒng)調(diào)節(jié)不銹鋼環(huán)境艙內(nèi)壓力，供電子系統(tǒng)與工業(yè)電網(wǎng)連接；加熱銅電極為中空水冷并與冷卻循環(huán)子系統(tǒng)連接進行冷卻，熱防護材料試樣通過銅制夾具固定于兩個加熱銅電極之間，單/雙比色紅外測溫儀與PLC控制系統(tǒng)電信號連接。該裝置操作簡單，調(diào)節(jié)范圍寬，成本低，可進行熱防護材料氣動熱載荷的原理性研究。
文檔編號G01N25/20GK102841111SQ20121029854
公開日2012年12月26日 申請日期2012年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月14日
發(fā)明者孟松鶴, 金華, 周印佳, 易法軍, 許承海 申請人:哈爾濱工業(yè)大學