CN103344777B - 热防护材料高温低压离解氧环境试验装置 - Google Patents
热防护材料高温低压离解氧环境试验装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种热防护材料高温低压离解氧环境试验装置，包括射频电源、匹配箱、抽气路、离解氧环境发生子系统、激光加热子系统和压力、冷却及控制辅助子系统，射频电源输出至匹配箱内的平板线圈，经平板线圈对由进气法兰进入环境舱的工作气体放电，形成离解氧环境，试样置于水冷托架上，可实现压力、温度、离解度独立调节的高温低压离解氧环境试验装置，模拟不同状态高超声速飞行器的离解氧环境，以研究超高温热防护材料离解氧环境下的氧化行为。本发明具有温度、压力、离解度等参数可调、操作简单、成本低，可靠性高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种热防护材料高温低压离解氧环境试验装置。
背景技术
高超声速飞行器与以往再入飞行器不同，以跨大气层飞行器、滑翔飞行器、跳跃式导弹、高超声速巡航导弹为代表的新一代飞行器将在40km至80km高度范围内长时间飞行，高焓高热流的极端服役环境使飞行器头部形成强烈的激波，空气将被激波加热到非常高的温度，导致空气分子的振动激发、解离、甚至电离，使得高超声速飞行器周围气流处于等离子环境，并导致机体表面材料发生复杂的物理、化学反应。化学非平衡流场状态、高温气体效应等气动物理效应使得超高声速飞行器防热材料与服役环境之间存在复杂的耦合作用。在这种等离子环境中，离解氧的活性和氧化能力明显高于分子氧，因此高温热防护材料在离解氧环境下的氧化作用至今还不是很清楚。现阶段，对该领域的研究手段还比较单一，仅为飞行试验和地面模拟试验两种手段，然而飞行试验的高成本和低可靠性严重制约着大量研究的开展，基于地面风洞模拟的试验存在运行成本高、状态参数不能独立变化、可调范围小、需流场重构干扰因素多等问题，要开展大规模的热防护材料离解氧环境下材料响应的研究存在较大难度。
基于此，需要根据环境特征和材料响应的物理本质，建立新型实验室级别的热防护材料离解氧环境试验装置，用于研究离解氧环境下热防护材料的响应、氧化特征及过程。
发明内容
基于以上需求，本发明的目的在于提供一种热防护材料高温低压离解氧环境试验装置，用于研究材料在高温、低压、离解氧环境下的物理、化学及力学等性能的响应。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种热防护材料高温低压离解氧环境试验装置，包括光学平台(15)、环境舱(21)、射频电源(1)、匹配箱(5)、制冷机(14)、激光器加热器(17)，环境舱(21)置于光学平台(15)上，射频电源(1)输出至匹配箱(2)内的平板线圈(4)，经平板线圈(4)对由进气法兰(2)进入环境舱(21)的工作气体放电，形成离解氧环境，试样(9)置于水冷托架(10)上，水冷托架(10)置于水冷支架(11)上，水冷支架(11)置于真空Z轴位移台(18)内，真空Z轴位移台(18)置于环境舱(21)内，环境舱(21)顶端开有高透石英窗口(3)，环境舱(21)底部开有加热窗口(22)，环境舱(21)侧下方开有取样窗，环境舱(21)侧面开有观察窗口(7)；光学平台(15)内装有激光调整镜头(24)和激光调整支架(25)，激光调整镜头(24)安装在激光调整支架(25)上，激光器加热器(17)依次连接光纤(20)和激光调整镜头(24)，激光调整镜头(24)发射激光通过加热窗口(22)投射到试样(9)的背壁，通过观察窗口(7)观察试样加热情况，并利用悬挂于环境舱(21)轴线上方的双比色测温仪(6)透过高透石英窗口(3)监控试样(9)表面的温度变化情况；环境舱(21)内的气体通过抽真空装置排出，第一路冷却循环水管包括冷却水进水管(8)和冷却水回水管(13)，冷却水进水管(8)依次与匹配箱(5)、射频电源(1)和环境舱(21)连接，由冷却水回水管(13)进入制冷机(14)，水冷托架(10)和水冷支架(11)由第二路冷却循环水管(16)接入制冷机(14)，激光调整镜头(24)由第三路冷却循环水管(19)接入制冷机(14)，激光加热器(17)由制冷机(14)直接冷却，本装置由计算机控制。
本发明还具有如下技术特征：
2、所述的进气法兰(2)、蝶形阀和混合腔依次连接，混合腔分别与3个质量流量计连接，每个质量流量计连接有一个气瓶，气瓶上安装有气体截止阀和减压阀。
3、通过计算机控制电磁阀以调节环境舱内真空度，采用电阻规、电离规实时监控环境舱。
4、所述的抽真空装置由两路组成，一路是由环境舱(21)的真空法兰(23)连接插板阀，然后经过分子泵，再连接真空泵；另外一路是用来低真空下抽气使用的，由环境舱(21)的真空法兰(23)连接针阀，针阀连接真空泵，通过针阀控制出气量的大小。
本发明的有益效果有：
本发明具有温度、压力、离解度等参数可调、、操作简单、成本低，可靠性高的优点。本装置是一种可实现压力、温度、离解度独立调节的高温低压离解氧环境试验装置，模拟不同状态高超声速飞行器的离解氧环境，以研究超高温热防护材料离解氧环境下的氧化行为。
附图说明
图1为本发明结构原理示意图；
图2为本发明进气气路控制连接示意图；
图3为抽真空系统的连接示意图；
其中1.射频电源，2.进气法兰，3.高透石英窗口，4.平板线圈，5.匹配箱，6.双比色测温仪，7.观察窗，8.冷却水进水管，9.试样，10.水冷托架，11.水冷支架，12.取样窗，13.冷却水回水管，14.制冷机，15.光学平台，16.冷却循环水管，17.加热激光器，18.真空Z轴，19.冷却循环水管，20.光纤，21.环境舱，22.加热窗口，23.真空法兰，24.激光调整镜头，25.激光调整支架，26.真空电磁阀，27.真空泵。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明：
实施例1
一种热防护材料高温低压离解氧环境试验装置，包括光学平台15、环境舱21、射频电源1、匹配箱5、制冷机14、激光器加热器17，其特征在于：环境舱21置于光学平台15上，射频电源1输出至匹配箱2内的平板线圈4，经平板线圈4对由进气法兰2进入环境舱21的工作气体放电，形成离解氧环境，试样9置于水冷托架10上，水冷托架10置于水冷支架11上，水冷支架11置于真空Z轴位移台18内，真空Z轴位移台18置于环境舱21内，环境舱21顶端开有高透石英窗口3，环境舱21底部开有加热窗口22，环境舱21侧下方开有取样窗，环境舱21侧面开有观察窗口7；光学平台15内装有激光调整镜头24和激光调整支架25，激光调整镜头24安装在激光调整支架25上，激光器加热器17依次连接光纤20和激光调整镜头24，激光调整镜头24发射激光通过加热窗口22投射到试样9的背壁，通过观察窗口7观察试样加热情况，并利用悬挂于环境舱21轴线上方的双比色测温仪6透过高透石英窗口3监控试样9表面的温度变化情况；环境舱21内的气体通过抽真空装置排出，第一路冷却循环水管包括冷却水进水管8和冷却水回水管13，冷却水进水管8依次与匹配箱5、射频电源1和环境舱21连接，由冷却水回水管13进入制冷机14，水冷托架10和水冷支架11由第二路冷却循环水管16接入制冷机14，激光调整镜头24由第三路冷却循环水管19接入制冷机14，激光加热器17由制冷机14直接冷却，本装置由计算机控制。本发明的目的在于模拟高温热防护材料在高超声速服役条件下的高温、低压、离解氧氧化环境，通过各参数的解耦和独立调节，研究热防护材料在离解氧氧化环境下的响应和演化过程。
实施例2
1.离解氧环境发生子系统包括射频电源、匹配箱及环境舱，环境舱采用不锈钢焊接而成，内设置倒流槽通冷却循环水，上方装配高透石英窗口，侧方进气口与3个质量流量计、流量计控制面板、气体管道、气体截止阀、截止阀、减压阀及气瓶相连，侧下方开有取样窗，底部抽气孔与真空阀门、电磁阀、真空波纹管以及真空泵相连，通过计算机控制阀门与电磁阀以调节环境舱内真空度，采用电阻规、电离规实时监控；
2.激光加热子系统包括大功率激光加热器、激光能量耦合进入光纤经调整镜头照射至试样背面，调整镜头由激光调整支架固定于环境舱底部，试样表面温度采用双比色测温仪进行监控，测温仪与台架处于同一轴线上，调整镜头与试样对中，通过旋转调整镜头控制输出光斑直径；
3.压力、冷却及控制辅助子系统包括分子泵、分子泵电源、机械泵、波纹管、插板阀以及针阀、制冷机、冷却循环管道、控制模块及计算机，射频电源、环境舱、试样托架和调整镜头均与制冷机相连，各部分子系统具由计算机集中控制。
4.抽气路由两路组成，一路是由真空室连接插板阀，然后经过分子泵，再连接机械泵，构成了高真空的抽气系统。另外一路是用来低真空下抽气使用的，气路连接：由真空室直接连接机械泵，中间通过针阀控制出气量的大小。分子泵主要是在气压较低时使用。
具以下几个主要技术特征：
1.射频电源额定功率3500W，连续可调，正反向功率LCD显示，信号频率13.56MHz；环境舱上部高透石英窗口尺寸Φ300mm，近红外透过率＞95％；
2.进气系统由3个质量流量计，量程分别为50、50、250sccm；
3.观察窗尺寸300mm×100mm，由耐高温石英玻璃、硅胶密封圈、不锈钢盖板组成，耐温≤500℃；
4.环境舱内压力10-3～103pa；真空Z轴电动步机精度0.1mm，可移动距离不小于40cm，耐温不高于400℃；
5.加热窗口采用耐高温高透石英窗口，耐温高达1200℃；
6.加热功率1500W，输出980nm单波长激光，加热区域Φ10～30mm；
7.双比色测温仪测温范围550～3000℃；
8.制冷机内冷却水温15～25℃；
试验测试表明，本发明可提供高达2500℃、10-3Pa，高氧气离解度的试验环境，能够满足热防护材料在高温低压离解氧环境下的响应及演化研究。
实施例3
本实施例能够对热防护材料进行离解氧氧化行为测试，首先将试样9置于水冷托架10上通过控制真空Z轴18调整水冷支架11的高度以确定试样9在环境舱21的位置，关闭取样窗12；
开启冷却循环子系统：检查四路冷却循环水管的连接情况，第一路通过冷却水进水管8进入匹配箱5、流经射频电源1、环境舱21，由冷却水回水管13进入制冷机14；第二路通过冷却循环水管16连接冷却托架10和冷却支架11，用于托架的冷却防止不锈钢托架烧坏；第三路通过冷却循环水管19连接激光调整镜头24防止因高能量输出而过热；第四路直接与加热激光器17相连，用于激光器17内部的冷却；检查完毕后开启制冷机14确保循环水畅通。
开启真空及供气子系统：关闭进气法兰2和进气孔，开启真空法兰23、真空电磁阀26，启动真空泵27，利用电阻规实时监控环境舱21内压力，待压力降至10Pa以下后关闭机械泵开启分子泵，利用电离规实时监控环境舱内的压力，待压力稳定后开启进气法兰，调节电子流量计控制进气量以满足试验要求。
待进气抽气达到动态平衡后，开启射频电源1预热，启动加热激光器17，通过光纤20、激光调整镜头24和加热窗口22将激光能量输出至试样背面，逐步增加输出功率并通过双比色测温仪6监控试样表面温度，直至试样表面温度满足试验要求，待试样达到热平衡后，开启射频电源1输出功率，逐渐增加输出功率并调节匹配箱5以控制平板线圈4放电程度，待环境舱21稳定后开始试验。
试验结束后，依次关闭加热激光器17、射频电源1、加热激光器17和进气法兰2，试样9在高真空度环境舱21内随炉冷却后，关闭真空法兰23、真空电磁26阀和真空泵27，开启进气孔，调整真空Z轴18将水冷托10架降至取样窗口12，打开取样窗口12取出试样9后关闭制冷机14，结束试验。
采用ZrB2-20SiC-10C超高温陶瓷材料进行离解氧氧化行为试验，试件尺寸：直径为20mm，厚度为2mm。采用金刚石研磨膏将样件表面打磨到光洁度低于1μm以下。将试件固定于水冷托架上，环境舱内压达到40Pa后进行连续加热试件温度达到1200℃后开启射频电源在环境舱内形成离解氧环境，试验30min后结束试验。试验后对试样进行SEM、XRD等材料分析，以进一步表征材料氧化演化行为。
Claims (4)
1.一种热防护材料高温低压离解氧环境试验装置，包括光学平台(15)、环境舱(21)、射频电源(1)、匹配箱(5)、制冷机(14)和激光器加热器(17)，其特征在于：环境舱(21)置于光学平台(15)上，射频电源(1)输出至匹配箱(2)内的平板线圈(4)，经平板线圈(4)对由进气法兰(2)进入环境舱(21)的工作气体放电，形成离解氧环境，试样(9)置于水冷托架(10)上，水冷托架(10)置于水冷支架(11)上，水冷支架(11)置于真空Z轴位移台(18)内，真空Z轴位移台(18)置于环境舱(21)内，环境舱(21)顶端开有高透石英窗口(3)，环境舱(21)底部开有加热窗口(22)，环境舱(21)侧下方开有取样窗，环境舱(21)侧面开有观察窗口(7)；光学平台(15)内装有激光调整镜头(24)和激光调整支架(25)，激光调整镜头(24)安装在激光调整支架(25)上，激光器加热器(17)依次连接光纤(20)和激光调整镜头(24)，激光调整镜头(24)发射激光通过加热窗口(22)投射到试样(9)的背壁，通过观察窗口(7)观察试样加热情况，并利用悬挂于环境舱(21)轴线上方的双比色测温仪(6)透过高透石英窗口(3)监控试样(9)表面的温度变化情况；环境舱(21)内的气体通过抽真空装置排出，第一路冷却循环水管包括冷却水进水管(8)和冷却水回水管(13)，冷却水进水管(8)依次与匹配箱(5)、射频电源(1)和环境舱(21)连接，由冷却水回水管(13)进入制冷机(14)，水冷托架(10)和水冷支架(11)由第二路冷却循环水管(16)接入制冷机(14)，激光调整镜头(24)由第三路冷却循环水管(19)接入制冷机(14)，激光加热器(17)由制冷机(14)直接冷却，本装置由计算机控制。
2.根据权利要求1所述的一种热防护材料高温低压离解氧环境试验装置，其特征在于：所述的进气法兰(2)、蝶形阀和混合腔依次连接，混合腔分别与3个质量流量计连接，每个质量流量计连接有一个气瓶，气瓶上安装有气体截止阀和减压阀。
3.根据权利要求1所述的一种热防护材料高温低压离解氧环境试验装置，其特征在于：通过计算机控制电磁阀以调节环境舱内真空度，采用电阻规、电离规实时监控环境舱。
4.根据权利要求1所述的一种热防护材料高温低压离解氧环境试验装置，其特征在于：所述的抽真空装置由两路组成，一路是由环境舱(21)的真空法兰(23)连接插板阀，然后经过分子泵，再连接真空泵；另外一路是用来低真空下抽气使用的，由环境舱(21)的真空法兰(23)连接针阀，针阀连接真空泵，通过针阀控制出气量的大小。
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Families Citing this family (11)
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