CN102841111A - 热防护材料气动热载荷模拟试验装置 - Google Patents
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Abstract
一种热防护材料气动热载荷模拟试验装置，包括不锈钢环境舱、两个加热铜电极、单/双比色红外测温仪、供电子系统、供气子系统、抽真空子系统、冷却循环子系统和PLC控制系统不锈钢环境舱由支架固定于地面并与大地绝缘，不锈钢环境舱上开有三个观察窗，两个加热铜电极通过电缆与供电子系统相连，气体喷嘴位于热防护材料试样上方，抽真空子系统调节不锈钢环境舱内压力，供电子系统与工业电网连接；加热铜电极为中空水冷并与冷却循环子系统连接进行冷却，热防护材料试样通过铜制夹具固定于两个加热铜电极之间，单/双比色红外测温仪与PLC控制系统电信号连接。该装置操作简单，调节范围宽，成本低，可进行热防护材料气动热载荷的原理性研究。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种地面模拟试验装置，具体地说是一种再现真实服役环境下高温热防护材料气动热载荷模拟试验装置。
背景技术
随着航空航天的高速发展，尤其是高超声速、长时间及可重复使用的需求使得高超声速技术高速发展的同时也面临了一系列亟待解决的技术难题，包括控制、推进、气动、结构、材料及防热等，其中突破热障是发展高超声速飞行器必须首先解决的关键技术问题。在大气层飞行期间，高超声速飞行器与稠密大气相互作用，由于粘性效应和激波强压缩，飞行器的一部分动能转变成为气体的内能，绕流气体的温度急剧升高。典型的高超声速飞行器头部空域的气体温度最高可能达到10000K以上，使得高超声速飞行器处于极其苛刻的气动加热环境，对热防护材料更是提出了严峻的要求，要求材料具有良好的高温性能以适应苛刻的气动热环境。
能够胜任超高温环境下的材料主要集中在高熔点硼化物、碳化物以及氧化物组成的多元复合超高温陶瓷材料体系、难熔金属和抗氧化抗烧蚀改性的C/C复合材料。由于过渡族金属化合物TaC、ZrB2、ZrC、HfB2、HfC等熔点都超过3000℃，具有高熔点、高硬度、导电导热性好、热化学稳定性好等特点，使其作为极端环境下使用的候选材料。
目前表征和评价热防护材料气动热载荷的设备主要为氧乙炔，电弧风洞以及高频等离子风洞等装置，这些地面模拟与评价装置操作繁琐、成本高，无法实现气动载荷和热载荷的解耦分析，难以大规模的进行气动热载荷的原理性试验研究，以及各独立参数的影响权重，因此需要一种操作简单，成本低，能够实现气动和热载荷独立调节控制的实验装置，由于以ZrB2基超高温陶瓷材料为代表的热防护材料具有良好导电性能，因此可采用通电加热的方式获得热载荷，并结合特定组分的气动载荷以再现气动热载荷。
基于此，本发明的目的是针对以ZrB2基超高温陶瓷材料为代表导电类热防护材料。提供给一种参数可独立调节其基本能再现服役环境气动热载荷的试验装置，用以评价热防护材料高温使用性能。
发明内容
本发明的目的是针对以ZrB2基超高温陶瓷材料为代表的导电类热防护材料，提供一种环境压力、气体组分以及表面温度等参数可独立调节且能基本再现服役环境气动热载荷的试验装置，用以评价热防护材料高温使用性能。
本发明的目的是这样实现的：
一种热防护材料气动热载荷模拟试验装置，包括不锈钢环境舱、两个加热铜电极、单/双比色红外测温仪、供电子系统、供气子系统、抽真空子系统、冷却循环子系统和PLC控制系统，不锈钢环境舱由支架固定于地面并与大地绝缘，不锈钢环境舱上开有三个观察窗，两个加热铜电极和气体喷嘴安装于不锈钢环境舱内，两个加热铜电极通过电缆与供电子系统相连，气体喷嘴位于热防护材料试样上方，气体喷嘴与供气子系统连接，抽真空子系统调节不锈钢环境舱内压力，供电子系统与工业电网连接；加热铜电极为中空水冷并与冷却循环子系统连接进行冷却，热防护材料试样通过铜制夹具固定于两个加热铜电极之间，单/双比色红外测温仪透过观察窗测试热防护材料试样表面温度；单/双比色红外测温仪与PLC控制系统电信号连接，供电子系统、供气子系统、抽真空子系统、冷却循环子系统分别与PLC控制系统电信号连接。。
本发明还具有如下特征：
1、所述的两个加热铜电极安装在滑道上，根据热防护材料大小调节滑道上两个加热铜电极间距离，热防护材料、铜制夹具和电极三者之间紧密配合防止放电。
2、所述的供电子系统包括变压器、调压电机、霍尔互感器、空气开关、接触器、电流表和电压表，工业电网与空气开关连接，空气开关与接触器连接，接触器与调压电机输入端连接，调压电机输出端与变压器连接，变压器分别与两个加热铜电极连接；霍尔互感器在变压器输出端，霍尔电流电压传感器与电流表连接，电压表和电流分别获取电压、电流信号并传输至PLC控制系统，通过开环手动调节和闭环预设值改变调压电机输入值，实现加热铜电极输入电流的线性调节。
3、所述的抽真空子系统包括旋片式变频真空泵、真空电磁压差阀、抽真空管、电阻真空计，旋片式变频真空泵与真空管连接，抽真空管与不锈钢环境舱连接，抽真空管上安装有电磁压差阀，不锈钢环境舱安装有电阻真空计，电阻真空计测试不锈钢环境舱内的压力值，将压力值传输给PLC控制系统，PLC控制系统与旋片式变频真空泵电信号连接。
4、所述的供气子系统包括三套支路供气单元、总截止阀和气体压力表，三套支路供气单元经过混合腔体并联后通过管道与总截止阀连接，总截止阀通过管道与总电磁阀连接，总电磁阀通过管道与气体喷嘴连接，气体喷嘴上安装有气体压力表，三套供气单元置于真空舱外的背面，每套供气单元包括供气瓶、稳压罐、流量计、针形截止阀、支路电磁阀，气瓶通过管道分别与稳压罐和流量计连接，流量计通过管道与针形截止阀连接，针形截止阀通过管道与支路电磁阀连接；三个支路电磁阀和总电磁阀分别与PLC控制系统电信号连接。
5、所述的冷却循环子系统包括冷却不锈钢水箱、水泵和高压水管；不锈钢水箱与水泵连接，水泵通过高压水管与加热电极的冷却水接头连接，水箱上安装有液位计和测温热电偶；水泵、液位计和测温热电偶分别与PLC控制系统电信号连接。
6、所述的观察窗采用不锈钢法兰压住10mm厚石英玻璃，并由玻璃胶密封。
本装置通过对导电类热防护材料进行混合气体压力载荷和通电热载荷的独立加载，实现了气动热载荷的解耦测试，该装置操作简单，调节范围宽，成本低，可进行热防护材料气动热载荷的原理性研究。试验测试表明，本发明可以提供温度不超过3000℃、压力0.1～50kPa独立调节的气动热载荷，能够满足导电类热防护材料气动热载荷地面模拟试验的基本要求。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是真空供气及冷却子系统原理图。
图3是试样表面温度历程图。
图4是环境舱压力历程图。
其中1、铜电极，2、不锈钢环境舱，3、热防护材料试样，4、单/双比色红外测温仪，5、气体喷嘴，6、供气子系统，7、抽真空子系统，8、PLC控制系统，9、供电子系统，10、冷却循环子系统，11、不锈钢水箱，12、水泵，13、电阻真空计，14、加热铜电极，15、气体喷嘴，16、气体压力表，17、总电磁阀，18、总截止阀，19、混合腔体，20、支路电磁阀，21、针形截止阀，22、流量计，23、稳压罐，24、气瓶，25、真空电磁压差阀，26、旋片式变频真空泵。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细的描述：
如图1-2所示，一种热防护材料气动热载荷模拟试验装置，包括不锈钢环境舱、两个加热铜电极、单/双比色红外测温仪、供电子系统、供气子系统、抽真空子系统、冷却循环子系统和PLC控制系统，不锈钢环境舱由支架固定于地面并与大地绝缘，不锈钢环境舱上开有三个观察窗，两个加热铜电极和气体喷嘴安装于不锈钢环境舱内，两个加热铜电极通过电缆与供电子系统相连，气体喷嘴位于热防护材料试样上方，气体喷嘴与供气子系统连接，抽真空子系统调节不锈钢环境舱内压力，供电子系统与工业电网连接；加热铜电极为中空水冷并与冷却循环子系统连接进行冷却，热防护材料试样通过铜制夹具固定于两个加热铜电极之间，单/双比色红外测温仪透过观察窗测试热防护材料试样表面温度；单/双比色红外测温仪与PLC控制系统电信号连接，供电子系统、供气子系统、抽真空子系统、冷却循环子系统分别与PLC控制系统电信号连接。
所述的两个加热铜电极安装在滑道上，根据热防护材料大小调节滑道上两个加热铜电极间距离，热防护材料、铜制夹具和电极三者之间紧密配合防止放电。
所述的供电子系统包括变压器、调压电机、霍尔互感器、空气开关、接触器、电流表和电压表，工业电网与空气开关连接，空气开关与接触器连接，接触器与调压电机输入端连接，调压电机输出端与变压器连接，变压器分别与两个加热铜电极连接；霍尔互感器在变压器输出端，霍尔电流电压传感器与电流表连接，电压表和电流分别获取电压、电流信号并传输至PLC控制系统，通过开环手动调节和闭环预设值改变调压电机输入值，实现加热铜电极输入电流的线性调节。
所述的抽真空子系统包括旋片式变频真空泵、真空电磁压差阀、抽真空管、电阻真空计，旋片式变频真空泵与真空管连接，抽真空管与不锈钢环境舱连接，抽真空管上安装有电磁压差阀，不锈钢环境舱安装有电阻真空计，电阻真空计测试不锈钢环境舱内的压力值，将压力值传输给PLC控制系统，PLC控制系统与旋片式变频真空泵电信号连接。
所述的供气子系统包括三套支路供气单元、总截止阀和气体压力表，三套支路供气单元经过混合腔体并联后通过管道与总截止阀连接，总截止阀通过管道与总电磁阀连接，总电磁阀通过管道与气体喷嘴连接，气体喷嘴上安装有气体压力表，三套供气单元置于真空舱外的背面，每套供气单元包括供气瓶、稳压罐、流量计、针形截止阀、支路电磁阀，气瓶通过管道分别与稳压罐和流量计连接，流量计通过管道与针形截止阀连接，针形截止阀通过管道与支路电磁阀连接；三个支路电磁阀和总电磁阀分别与PLC控制系统电信号连接。所述的冷却循环子系统包括冷却不锈钢水箱、水泵和高压水管；不锈钢水箱与水泵连接，水泵通过高压水管与加热电极的冷却水接头连接，水箱上安装有液位计和测温热电偶；水泵、液位计和测温热电偶分别与PLC控制系统电信号连接。所述的观察窗采用不锈钢法兰压住10mm厚石英玻璃，并由玻璃胶密封。
通过调节供气子系统控制进气组分与出口压力；上述装置均置于环境舱2内，通过真空子系统实现环境舱内真空度的动态控制；利用单/双比色测温仪透过石英玻璃窗测试试样表面温度历程，并利用PLC控制子系统实现电流、真空的闭环/开环调节，以及冷却和气动载荷的大小。
本发明的工作流程是：首先根据热防护材料试件结构形状和大小，调节相应铜质夹具的距离实现试样与夹具的紧密配合，防止出现断电和过高的接触热阻；关闭环境舱，预设真空值和输出电流值，开启真空泵，达到预设值后开启供气系统，调节输出压力后开启冷却子系统，接通电源，通过测温仪、电流表和电压表监控试样状态，表面温度达到试样要求后关闭电源，继续开启真空泵、供气子系统以及冷却子系统直至试样冷却。
下面通过具体实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著进步，但本发明的内容不仅仅只局限于下面的实施例：
实施例1.
采用ZrB2-20SiC-10AlN陶瓷基复合材料制作的试验试样，尺寸为3mm×4mm×36mm，采用金刚石研磨膏将试样表面打磨到光洁度低于1μm一下。将打磨后试样装夹于铜质夹具中，喷管至试样距离为5mm，喷嘴中心与试样中心重合，控制调节阀和减压阀，出口压力10kPa，输出电流320A；试样表面温度2000±30℃，升温速率约为300℃/s，加载时间6.67s。
实施例2.
采用ZrB2-20SiC-10AlN陶瓷基复合材料制作的试验试样，尺寸为6mm×8mm×36mm，采用金刚石研磨膏将试样表面打磨到光洁度低于1μm一下。将打磨后试样装夹于铜质夹具中，喷管至试样距离为5mm，喷嘴中心与试样中心重合，控制调节阀和减压阀，出口压力10kPa，输出电流1170A；试样表面温度1800±30℃，升温速率约为200℃/s，加载时间9.2s。
实施例3.
采用ZrB2-20SiCW陶瓷基复合材料制作的试验试样，尺寸为6mm×8mm×36mm，采用金刚石研磨膏将试样表面打磨到光洁度低于1μm一下。将打磨后试样装夹于铜质夹具中，喷管至试样距离为5mm，喷嘴中心与试样中心重合，控制调节阀和减压阀，出口压力40kPa，输出电流1500A；试样表面温度1600±30℃，升温速率约为300℃/s，加载时间5.6s。
本发明具有以下几个主要技术特征：
1、通过霍尔互感器和电压表监测本发明装置电流、电压输出：电流0～5000A；电压0～10V；
2、针对不同材质和结构的热防护材料，单/双比色红外测温仪测试温度范围250～3000℃；
3、喷管出口压力0.1～50kPa，可实现单/多路单独或混合输出，三路进气流量为：0.1～1m3/h；
4、环境舱内气体组分可以任意比配比，根据模拟试验需求选取氧气、空气、氮气以及氩气等进行定比例混合；环境舱内压力调节范围：500Pa～50000Pa；
5、通过PLC集中控制，实现环境舱内真空度、加热电极输出电流的开/闭环控制，电流调节范围：0～5000A；真空调节范围：≥100Pa
6、通过对导电类热防护材料进行混合气体压力载荷和通电热载荷的独立加载，基本实现气动热载荷的解耦测试，该方法操作简单，调节范围宽，成本低，可进行热防护材料气动热载荷的原理性研究。
试验测试表明，本发明可以提供温度不超过3000℃、压力0.1～50kPa独立调节的气动热载荷，能够满足导电类热防护材料气动热载荷地面模拟试验的基本要求。
Claims (7)
1.热防护材料气动热载荷模拟试验装置，包括不锈钢环境舱、两个加热铜电极、单/双比色红外测温仪、供电子系统、供气子系统、抽真空子系统、冷却循环子系统和PLC控制系统，不锈钢环境舱由支架固定于地面并与大地绝缘，不锈钢环境舱上开有三个观察窗，其特征在于：两个加热铜电极和气体喷嘴安装于不锈钢环境舱内，两个加热铜电极通过电缆与供电子系统相连，气体喷嘴位于热防护材料试样上方，气体喷嘴与供气子系统连接，抽真空子系统调节不锈钢环境舱内压力，供电子系统与工业电网连接；加热铜电极为中空水冷并与冷却循环子系统连接进行冷却，热防护材料试样通过铜制夹具固定于两个加热铜电极之间，单/双比色红外测温仪透过观察窗测试热防护材料试样表面温度；单/双比色红外测温仪与PLC控制系统电信号连接，供电子系统、供气子系统、抽真空子系统、冷却循环子系统分别与PLC控制系统电信号连接。
2.如权利要求1所述的热防护材料气动热载荷模拟试验装置，其特征在于：所述的两个加热铜电极安装在滑道上，根据热防护材料大小调节滑道上两个加热铜电极间距离，热防护材料、铜制夹具和电极三者之间紧密配合防止放电。
3.如权利要求1所述的热防护材料气动热载荷模拟试验装置，其特征在于：所述的供电子系统包括变压器、调压电机、霍尔互感器、空气开关、接触器、电流表和电压表，工业电网与空气开关连接，空气开关与接触器连接，接触器与调压电机输入端连接，调压电机输出端与变压器连接，变压器分别与两个加热铜电极连接；霍尔互感器在变压器输出端，霍尔电流电压传感器与电流表连接，电压表和电流分别获取电压、电流信号并传输至PLC控制系统，通过开环手动调节和闭环预设值改变调压电机输入值，实现加热铜电极输入电流的线性调节。
4.如权利要求1所述的热防护材料气动热载荷模拟试验装置，其特征在于：所述的抽真空子系统包括旋片式变频真空泵、真空电磁压差阀、抽真空管、电阻真空计，旋片式变频真空泵与真空管连接，抽真空管与不锈钢环境舱连接，抽真空管上安装有电磁压差阀，不锈钢环境舱安装有电阻真空计，电阻真空计测试不锈钢环境舱内的压力值，将压力值传输给PLC控制系统，PLC控制系统与旋片式变频真空泵电信号连接。
5.如权利要求1所述的热防护材料气动热载荷模拟试验装置，其特征在于：所述的供气子系统包括三套支路供气单元、总截止阀和气体压力表，三套支路供气单元经过混合腔体并联后通过管道与总截止阀连接，总截止阀通过管道与总电磁阀连接，总电磁阀通过管道与气体喷嘴连接，气体喷嘴上安装有气体压力表，三套供气单元置于真空舱外的背面，每套供气单元包括供气瓶、稳压罐、流量计、针形截止阀、支路电磁阀，气瓶通过管道分别与稳压罐和流量计连接，流量计通过管道与针形截止阀连接，针形截止阀通过管道与支路电磁阀连接；三个支路电磁阀和总电磁阀分别与PLC控制系统电信号连接。
6.如权利要求1所述的热防护材料气动热载荷模拟试验装置，其特征在于：所述的冷却循环子系统包括冷却不锈钢水箱、水泵和高压水管；不锈钢水箱与水泵连接，水泵通过高压水管与加热电极的冷却水接头连接，水箱上安装有液位计和测温热电偶；水泵、液位计和测温热电偶分别与PLC控制系统电信号连接。
7.如权利要求1所述的热防护材料气动热载荷模拟试验装置，其特征在于：所述的观察窗采用不锈钢法兰压住10mm厚石英玻璃，并由玻璃胶密封。
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