本發(fā)明涉及無毒空間發(fā)動機內置蓄換熱器的性能實驗技術領域，具體為一種內置蓄換熱器蓄換熱性能實驗設備與方法。

背景技術：

我國自上世紀七十年代以來發(fā)射了兩百多顆人造衛(wèi)星和載人飛船等空間飛行器，其中大部分都采用單組元空間發(fā)動機進行姿態(tài)控制和軌道調整。目前空間單組元發(fā)動機常用的推進劑為肼，這是一種劇毒的物質，航天部門希望采用ADN推進劑加以替代。由于ADN推進劑的啟動溫度較高，需要在發(fā)動機催化劑前端放置一蓄換熱器件，在發(fā)動機啟動前將熱量蓄積其中，發(fā)動機啟動時推進劑首先與蓄換熱器接觸，此時熱量被迅速交換到推進劑中，使推進劑溫度升高，提高了催化反應溫度，使發(fā)動機能夠正常啟動。此外，蓄換熱器件的多孔結構還能起到分散推進劑的作用，避免推進劑與催化劑長期在相同位置發(fā)生反應，避免催化劑的毒化，從而提高催化劑的壽命。蓄換熱器件是無毒空間發(fā)動機研制和延壽的關鍵零部件。

為了獲得良好的效果，蓄換熱器必須具備良好的徐換熱性能。為了驗證蓄換熱器是否滿足設計指標，模擬其在軌工作狀態(tài)，研制出內置蓄換熱器件蓄換熱性能實驗設備并擬定出實驗方案，對蓄換熱器的性能進行考核。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種內置蓄換熱器蓄換熱性能實驗的設備與方法，用于對空間發(fā)動機內置蓄換熱的蓄換熱性能進行考核。

本發(fā)明的技術方案是：

一種內置蓄換熱器蓄換熱性能實驗設備，該設備包括輔助系統(tǒng)、實驗系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測量與采集系統(tǒng)四部分，其中：

輔助系統(tǒng)：包括用于提供所需壓強介質的水泵、泄壓閥、壓力罐、過濾器和壓力變送器，以及用于維持負壓環(huán)境的機械真空泵及干燥器；所述水泵、泄壓閥、壓力罐、過濾器和壓力變送器依次用軟管連接，壓力變送器再連接到實驗系統(tǒng)；所述機械真空泵與干燥器相連接，干燥器再連接到實驗系統(tǒng)；

實驗系統(tǒng)：包括電磁閥、噴注器、密封圈、夾具、加熱器和負壓腔；所述電磁閥與噴注器為一體化結構，噴注器與輔助系統(tǒng)中的壓力變送器相連通后，用于向實驗樣品噴射介質；所述夾具用于固定實驗樣品，實驗樣品夾持于夾具內部；所述實驗樣品為蓄換熱器；加熱器由纏繞于夾具外壁的電熱絲及電熱絲外側的保溫層組成；所述負壓腔由玻璃加工而成頂端開口的筒狀容器，負壓腔的頂端通過密封圈與噴注器密封連接，機械真空泵連接干燥器后經(jīng)負壓腔側壁接入負壓腔；

控制系統(tǒng)：包括直流電源、電壓表、電流表和繼電器，所述直流電源包括電磁閥電源與加熱器電源，所述加熱器電源連接加熱器，電壓表和電流表分別用于測量實驗過程中加熱器回路中的電壓與電流；所述繼電器與電磁閥電源、電磁閥構成回路，用于控制電磁閥的通斷時間；

數(shù)據(jù)測量與采集系統(tǒng)：包括熱電偶、數(shù)據(jù)采集卡和計算機，所述熱電偶為T型熱電偶，安裝在蓄換熱器下部，熱電偶的數(shù)量為3個，距離蓄換熱器底端的距離分別為0mm、5mm和10mm；所述數(shù)據(jù)采集卡為四通道高速數(shù)據(jù)采集卡，采樣率大于2000Hz；所述熱電偶將采集到的溫度信息通過數(shù)據(jù)采集卡輸入到計算機中，所述計算機通過軟件采集和記錄實驗過程中的溫度變化。

所述輔助系統(tǒng)中，水泵為微型高壓水泵，揚程為110米；壓力罐為不銹鋼材質，最大耐壓1.6MPa。

所述控制系統(tǒng)中，電磁閥電源為恒壓，加熱器電源的電壓可調，可調范圍為0～30V。

所述內置蓄換熱器蓄換熱性能實驗裝置應用于無毒空間單組元發(fā)動機內置蓄換熱器件的性能測試中。

利用所述設備進行內置蓄換熱器蓄換熱性能實驗的方法，該方法是將實驗所需壓強的介質泵入壓力罐后，將實驗樣品裝入夾具，然后開啟真空泵，在負壓腔內形成負壓環(huán)境，開啟加熱器，將實驗樣品加熱到指定溫度，最后開啟電磁閥，使介質噴射到實驗樣品上，并用熱電偶記錄介質通過實驗樣品后的溫度，根據(jù)熱電偶溫度的變化來評價樣品的蓄換熱性能。

該方法中，實驗條件：所述介質為蒸餾水，所述負壓環(huán)境是指壓強小于1000Pa；實驗模式：將高壓介質經(jīng)電磁閥和噴注器噴射到被加熱且處于負壓環(huán)境的實驗樣品上；測試項目：介質在負壓條件下通過被加熱的樣品后的溫度。

該方法具體包括如下步驟：

(1)介質的準備：開啟微型高壓水泵，將介質(一般為蒸餾水)泵入壓力罐中，待管路內介質的壓強達到所需值后關閉水泵，壓力罐將為整個管路提供所需壓強；

(2)實驗樣品的安裝：將實驗樣品置于夾具內，并將夾具固定于噴注器下方；

(3)模擬真空環(huán)境：將負壓腔置于噴注器下方，與密封圈接觸，然后開啟機械真空泵持續(xù)抽真空，使整個負壓腔內為負壓環(huán)境，壓強小于1000Pa；

(4)樣品的加熱：開啟加熱器電源對樣品進行加熱，調整電壓，使樣品的溫度維持在所需的溫度；

(5)實驗的進行：開啟電磁閥電源，設置繼電器的通斷參數(shù)，然后打開繼電器，控制電磁閥的通斷，電磁閥打開后會將介質噴射到被加熱的樣品上，進行實驗；

(6)數(shù)據(jù)的采集：繼電器打開前，開啟計算機上軟件的數(shù)據(jù)記錄模式，然后再打開繼電器，進行實驗，此間計算機會記錄實驗過程中熱電偶測得的溫度；

(7)結果分析：根據(jù)實驗過程中各個熱電偶測量到的溫度變化，分析所用蓄換熱器件的蓄換熱性能；實驗中最上方熱電偶測得的是介質和蓄換熱器共同作用下的溫度，其能夠反映出介質在蓄換熱器中的流動狀態(tài)；下方的兩個熱電偶懸空放置，測得的是介質通過蓄換熱器后的溫度，一般來說最下方熱電偶離蓄換熱器更遠，受到熱輻射的影響更小，更能反映介質通過蓄換熱器之后的溫度。

利用上述設備進行無毒空間單組元發(fā)動機的內置蓄換熱器蓄換熱性能實驗的方法，其原理是利用模擬內置蓄換熱器空間工作環(huán)境的實驗設備，考核其蓄換熱性能。

所述蓄換熱器件為圓形片狀結構，是由外側面的合金環(huán)和緊密嵌于合金環(huán)內的泡沫材料組成；所述泡沫材料是由泡沫鎳依次經(jīng)滲鋁和預氧化后獲得，泡沫鎳經(jīng)滲鋁后其中鋁的重量百分含量為12～38％；所述合金環(huán)的壁厚為0.1～1mm，合金環(huán)是由環(huán)狀鎳基高溫合金經(jīng)滲鋁然后預氧化獲得。

所述泡沫材料由相互連通的薄壁棱管形成的三維網(wǎng)狀多孔結構，其孔隙相互連通、分布均勻，孔隙率為50～95％，孔密度為40～100PPI。

所述泡沫鎳和環(huán)狀鎳基高溫合金滲鋁后在表面形成NiAl層，預氧化時鋁會優(yōu)先氧化，在器件表面形成均勻的α-Al₂O₃膜。

所述蓄換熱器件用于航天飛行器姿、軌控無毒空間單組元發(fā)動機熱控設施中。

用于無毒空間單組元發(fā)動機的蓄換熱器件的制備方法，首先將泡沫鎳加工為所需規(guī)格的圓片，置于環(huán)狀鎳基高溫合金內；然后將泡沫鎳圓片與環(huán)狀鎳基高溫合金同時用氣相滲鋁法滲鋁，再經(jīng)預氧化后獲得所述蓄換熱器件。

所述泡沫鎳由聚氨酯泡沫經(jīng)過導電化處理、電鍍和還原燒結制成；根據(jù)無毒空間發(fā)動機的尺寸、蓄換熱性能、流阻性能和力學性能要求，確定所需泡沫鎳的規(guī)格，包括孔密度、體密度、直徑和厚度；其中：所述蓄換熱器件的直徑等于制備時所用環(huán)狀鎳基高溫合金的外徑，制備時選擇的泡沫鎳圓片的直徑為環(huán)狀鎳基高溫合金內徑的92-98％；環(huán)狀鎳基高溫合金和泡沫鎳圓片經(jīng)氣相滲鋁法滲鋁后，泡沫鎳圓片宏觀體積膨脹，再經(jīng)預氧化后，所得蓄換熱器件的泡沫材料與其外側面的合金環(huán)緊密結合。

所述氣相滲鋁法在管式高溫爐中進行，氣相滲鋁過程中：溫度850～1100℃，保溫時間20～60min；滲劑由鋁鎳合金粉和氯化銨混合后并經(jīng)充分研磨而成；滲劑中的鋁鎳合金粉和氯化銨的重量比例為(88～96):(4～12)，鋁鎳合金粉中鋁的重量百分含量為50～60％。

所述氣相滲鋁過程中，將滲劑和樣品分別置于帶蓋剛玉坩堝中，然后將坩堝置于管式爐內；利用機械泵抽真空，去除管式爐及管路內的空氣，再通入流動氬氣，進行加熱。

所述預氧化在馬弗爐中進行，將滲鋁后的樣品置于剛玉坩堝中，然后放入加熱到1100℃的馬弗爐中，氧化1小時后取出，空冷至室溫。

本發(fā)明的有益效果是：

1、內置蓄換熱器件應用于無毒單組元空間發(fā)動機中，由于其工作環(huán)境的特殊性，不能用常規(guī)的檢驗方法對其蓄換熱性能進行判斷評估，為此研制了內置蓄換熱器蓄換熱性能實驗設備并制定了相應的實驗方法，評估其蓄換熱性能。

2、本發(fā)明采用負壓腔設計，使測試過程在負壓環(huán)境下完成，能夠有效模擬空間發(fā)動機所處的真空環(huán)境，與實際工況接近，使結果更為可靠。

3、本發(fā)明采用內置蓄換熱器、外置加熱器的設計，與空間發(fā)動機結構相似，能夠更好的模擬實際工況。

4、本發(fā)明的介質壓強、電磁閥開關時間均可調節(jié)，能夠模擬空間發(fā)動機在不同工作條件下蓄換熱器件的蓄換熱性能。

5、本發(fā)明采用多路熱電偶設計，能夠測量多個位置的溫度變化情況，可對蓄換熱器的蓄換熱性能進行綜合分析，得到更為可靠的結果。

附圖說明

圖1為本發(fā)明蓄換熱器件結構示意圖。

圖2為本發(fā)明內置蓄換熱器蓄換熱性能實驗裝置的設備結構示意圖。

圖3位本發(fā)明實驗系統(tǒng)的結構示意圖。

圖4為實施例1中測得的數(shù)據(jù)圖。

圖5為實施例3中測得的數(shù)據(jù)圖。

圖1-3中：1-泡沫材料，2-合金環(huán)，3-水泵，4-泄壓閥，5-壓力罐，6-過濾器，7-壓力變送器，8-實驗系統(tǒng)，9-繼電器，10-電磁閥電源，11-干燥器，12-機械真空泵，13-電磁閥，14-噴注器，15-保溫層，16-電流表，17-加熱器電源，18-電壓表，19-熱電偶，20-密封圈，21-夾具，22-加熱器，23-實驗樣品，24-負壓腔，25-計算機，26-數(shù)據(jù)采集卡。

圖4-5中：T₁代表最上方熱電偶所測得的溫度，T₂代表中間熱電偶所測得的溫度，T₃代表最下方熱電偶測得的溫度。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。

本發(fā)明設備和方法是針對無毒空間單組元發(fā)動機用蓄換熱器件，蓄換熱器件的結構如圖1所示，其為圓形片狀結構，是由外側面的合金環(huán)2和緊密嵌于合金環(huán)內的泡沫材料1組成；所述泡沫材料是由泡沫鎳依次經(jīng)滲鋁和預氧化后獲得，泡沫鎳經(jīng)滲鋁后其中鋁的重量百分含量為12～38％；所述合金環(huán)的壁厚為0.1-1mm，合金環(huán)是由環(huán)狀鎳基高溫合金經(jīng)滲鋁然后預氧化獲得。所述泡沫材料由相互連通的薄壁棱管形成的三維網(wǎng)狀多孔結構，其孔隙相互連通、分布均勻，孔隙率為50～95％，孔密度為40～100PPI。所述泡沫鎳和環(huán)狀鎳基高溫合金滲鋁后在表面形成NiAl層，預氧化時鋁會優(yōu)先氧化，在器件表面形成均勻的α-Al₂O₃膜。

本發(fā)明無毒空間單組元發(fā)動機用蓄換熱器件的具制備工藝如下：

1、泡沫鎳的準備與處理：

根據(jù)無毒空間單組元發(fā)動機的尺寸，蓄換熱性能、流阻性能和力學性能要求，確定所需泡沫鎳圓片的規(guī)格，包括孔密度、體密度、直徑、厚度等，其中直徑和厚度應略小于所用環(huán)狀鎳基高溫合金的直徑和厚度。選用質量優(yōu)良、孔徑和密度均勻的泡沫鎳，采用數(shù)控線切割機床將其加工為所需形狀。加工完成后將泡沫鎳加入到含金屬洗滌劑的水中煮沸清洗30min，隨后用清水超聲清洗10min，然后分別再用酒精和石油醚超聲清洗10min，最后將樣品在烘箱中烘干，放置在干燥箱中備用。

2、環(huán)狀鎳基高溫合金的準備與處理：

根據(jù)無毒空間單組元發(fā)動機的尺寸，選擇合適外徑和壁厚的優(yōu)質鎳基高溫合金管，采用數(shù)控線切割機床將其加工為所需厚度，隨后用石油醚超聲清洗兩次，每次10min，干燥備用。

3、配置滲鋁劑：

氣相滲鋁所用滲劑由化學純鋁鎳合金粉和分析純的氯化銨混合并充分研磨而成，其質量配比為(88～96)：(4～12)(如88:12或96:4等)，充分研磨混合均勻后在烘箱中烘干，然后放置于干燥箱中備用。

4、氣相滲鋁：

取一大小合適的帶蓋剛玉坩堝，將配置好的滲劑分別置于坩堝的底部和頂部(使用特制容器)，泡沫鎳置于鎳基高溫合金環(huán)內，二者一起放置于坩堝中部由鎳鉻絲編織成的網(wǎng)上，然后蓋好蓋子，將坩堝置于管式爐的均溫區(qū)內。利用機械真空泵抽干管式爐和管路內的空氣，然后通入氬氣，待達到大氣壓后再抽真空，反復多次直至完全清除管式爐和管路內的空氣，隨后持續(xù)通入氬氣，保持爐內為流動的氬氣環(huán)境。以10℃/min的升溫速率升到250℃，保溫30min，去除滲劑中的水分；然后仍以10℃/min的升溫速度升到850～1100℃，保溫20～60min；加熱結束后隨爐冷卻至200℃后關閉氬氣，冷卻至室溫后將樣品取出，稱量并計算滲鋁量。滲鋁后泡沫鎳的宏觀體積將發(fā)生明顯膨脹，并在應力作用下與高溫合金環(huán)內壁結合良好(圖2)。

5、預氧化

將滲鋁后的樣品置于剛玉坩堝中，然后放入加熱到1100℃的馬弗爐中，氧化一小時，隨后取出，空冷至室溫，即可獲得蓄換熱性能和高溫抗氧化性能優(yōu)良，同時具備良好力學性能和抗沖刷性能的蓄換熱器件。

如圖2-3所示，本發(fā)明內置蓄換熱器蓄換熱性能實驗裝置，由以下四部分組成：

(一)輔助系統(tǒng)：包括用于提供所需壓強介質的水泵3、泄壓閥4、壓力罐5、過濾器6和壓力變送器7，以及用于維持負壓環(huán)境的機械真空泵12及干燥器11；所述水泵3、泄壓閥4、壓力罐5、過濾器6和壓力變送器7依次用軟管連接，壓力變送器7再連接到實驗系統(tǒng)，水泵為微型高壓水泵，揚程為110米；壓力罐為不銹鋼材質，最大耐壓1.6MPa；所述機械真空泵12與干燥器11相連接，干燥器11再連接到實驗系統(tǒng)；

(二)實驗系統(tǒng)：包括電磁閥13、噴注器14、密封圈20、夾具21、加熱器22和負壓腔24；所述電磁閥13與噴注器14為一體化結構，噴注器14與輔助系統(tǒng)中的壓力變送器7相連通后，用于向實驗樣品23噴射介質；所述夾具21用于固定實驗樣品23，實驗樣品23夾持于夾具21內部；所述實驗樣品23為蓄換熱器；加熱器22由纏繞于夾具外壁的電熱絲及電熱絲外側的保溫層15組成；所述負壓腔24由玻璃加工而成頂端開口的筒狀容器，負壓腔24的頂端通過密封圈20與噴注器14密封連接，機械真空泵12連接干燥器11后經(jīng)負壓腔側壁接入負壓腔24；

(三)控制系統(tǒng)：包括直流電源、電壓表18、電流表16和繼電器9，所述直流電源包括電磁閥電源10與加熱器電源17，電磁閥電源為恒壓，加熱器電源的電壓可調，可調范圍為0～30V。所述加熱器電源17連接加熱器22，電壓表18和電流表16分別用于測量實驗過程中加熱器回路中的電壓與電流；所述繼電器9與電磁閥電源10、電磁閥13構成回路，用于控制電磁閥的通斷時間；

(四)數(shù)據(jù)測量與采集系統(tǒng)：包括熱電偶19、數(shù)據(jù)采集卡26和計算機25，所述熱電偶為T型熱電偶，安裝在蓄換熱器下部，熱電偶的數(shù)量為3個，距離蓄換熱器底端的距離分別為0mm、5mm和10mm；所述數(shù)據(jù)采集卡為四通道高速數(shù)據(jù)采集卡，采樣率大于2000Hz；所述熱電偶將采集到的溫度信息通過數(shù)據(jù)采集卡輸入到計算機中，所述計算機通過軟件采集和記錄實驗過程中的溫度變化。

實施例1

測試某型內置蓄換熱器在壓強0.6MPa、溫度150℃、50ms工作時長下與蒸餾水換熱的蓄換熱性能，具體實施步驟如下：

開啟微型高壓水泵，將蒸餾水泵入壓力罐中，待管路內介質的壓強達到0.6MPa后關閉水泵，由壓力罐為整個管路提供所需壓強。然后將蓄換熱器件裝夾到夾具中，并將夾具固定于噴注器下方。將負壓腔置于噴注器下方，與密封圈接觸，然后開啟機械真空泵持續(xù)抽真空，使整個負壓腔內壓強小于1000Pa。開啟加熱器電源對樣品進行加熱，調整電壓，使樣品的溫度維持在150℃。開啟電磁閥電源，設置繼電器的閉合時長為50ms，然后打開繼電器，進行實驗，實驗過程中利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄各熱電偶測得的溫度。實驗中測得的數(shù)據(jù)如圖4所示，其中T₁、T₂、T₃分別代表從上至下三個熱電偶所測得的溫度。圖3中T₁持續(xù)下降，說明介質一直在緩慢通過蓄換熱器。此例中，T₃最低溫，也即介質通過蓄換熱器后的溫度為78℃。

實施例2

測試某型內置蓄換熱器在壓強0.6MPa、溫度150℃、50ms工作時長下與蒸餾水換熱的蓄換熱性能，具體實施步驟如下：

開啟微型高壓水泵，將蒸餾水泵入壓力罐中，待管路內介質的壓強達到0.6MPa后關閉水泵，由壓力罐為整個管路提供所需壓強。然后將蓄換熱器件裝夾到夾具中，并將夾具固定于噴注器下方。將負壓腔置于噴注器下方，與密封圈接觸，然后開啟機械真空泵持續(xù)抽真空，使整個負壓腔內壓強小于1000Pa。開啟加熱器電源對樣品進行加熱，調整電壓，使樣品的溫度維持在150℃。開啟電磁閥電源，設置繼電器的閉合時長為50ms，然后打開繼電器，進行實驗，實驗過程中利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄各熱電偶測得的溫度，實驗中測得的數(shù)據(jù)如圖5所示。圖中T₁在2s時開始回升，說明介質迅速通過了蓄換熱器。T₃最低溫，也即介質通過蓄換熱器后的溫度為30℃。