CN109935154B - 一种同位素热源发射场火灾模拟试验方法 - Google Patents

一种同位素热源发射场火灾模拟试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种同位素热源发射场火灾模拟试验方法，包括：(1)将连续的轨道加热过程分解成数段台阶状加热过程；(2)根据每一台阶所对应的火灾模拟温度时变参数进行设备调试以确定设备运行参数；(3)根据步骤(2)中的设备参数模拟试验模型所处的高温流场以进行模拟试验。本发明的有益效果如下：本发明采用的电弧加热自由射流技术与轨道模拟技术的技术成熟，容易实现发射场火灾要求的技术指标要求；众多型号的电弧加热射流平台，稍加改造就能满足火灾模拟试验需要，这对构建火灾模拟试验系统可节省大量费用；电弧风洞试验系统运行费用也相当经济，比液氧煤油发动机技术模拟发射场火灾(一次运行费用要2200万元)要低得多。

Description

一种同位素热源发射场火灾模拟试验方法
技术领域
本发明涉及核化工领域，具体一种同位素热源发射场火灾模拟试验方法。
背景技术
为了保证发射场火灾意外情况发生时航天器携带的同位素热源不发生放射性同位素泄漏，需要对研制的热源进行火灾模拟考核。目前世界上主要是美俄两国在航天器上应用放射性同位素热源，俄罗斯通过研制新型混合物提高烧蚀温度(～2900K)方法进行火灾模拟试验；美国则采用固体燃料直接烧蚀的方法进行火灾模拟高温试验，燃烧最高温度为～2350K，持续烧蚀10.5min。可见美俄国两国的发射场火灾模拟试验都没有达到技术指标要求的3600K，他们的火灾模拟试验都是欠考核的，存在安全隐患。
鉴于美、俄发射场火灾模拟试验的高温不达标，不能真实客观地反映热源热防护层在发射场火灾严苛条件下的防热能力，他们的模拟试验都是欠考核的，如果发生发射场火灾存在放射性同位素泄漏风险。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种同位素热源发射场火灾模拟试验方法，至少提供了一种新的模拟实验方法，其烧蚀场温度、热流密度及烧蚀时间等均能与发射场火灾过程相匹配。
本发明的技术方案拟采用的电弧加热自由射流技术通过电加热气流方法能够获得上万度高温场，而轨道模拟技术通过调节输入电弧加热器的电源功率和气体流量能够迅速调节热流的温度时变性，因此结合电弧加热与轨道模拟技术应能很好满足发射场火灾模拟要求。
本发明的技术方案如下：
一种同位素热源发射场火灾模拟试验方法，包括:
(1)将连续的轨道加热过程分解成数段台阶状加热过程；
(2)根据每一台阶所对应的火灾模拟温度时变参数进行设备调试以确定设备运行参数；
(3)根据步骤(2)中的设备运行参数模拟试验模型所处的高温流场以进行模拟试验。
进一步地，上述的同位素热源发射场火灾模拟试验方法，步骤(2)中，所述火灾模拟温度时变参数还涉及气体流量、气流总温、压力、冷壁热流密度和模型当地气流速度。
进一步地，上述的同位素热源发射场火灾模拟试验方法，步骤(2)中，调试设备至满足火灾模拟温度时变参数时所述设备所对应的参数即为设备运行参数。
进一步地，上述的同位素热源发射场火灾模拟试验方法，所述设备运行参数包括电功率、气体流量、高压水流量和时间长度。
进一步地，上述的同位素热源发射场火灾模拟试验方法，步骤(3)中还包括验证步骤：
试验时，验证每一台阶试验状态的加热时间长度、稳压混合室压力和调试时的对应参数间误差是否满足要求。
进一步地，上述的同位素热源发射场火灾模拟试验方法，所述气体流量的测量方法为：测量出气体在喷嘴前的总压与总温，利用下列公式计算出气体流量：
Figure GDA0003173426000000031
式中：G-气体流量，单位：kg/s；
P01-喷嘴前气流总压，单位：Pa；
A1 *-声速喷嘴喉道截面积，单位：m2；
Cd-流量系数；
T01-声速喷嘴前气流总温，单位：K。
进一步地，上述的同位素热源发射场火灾模拟试验方法，所述气流总温的测量方法为：对于气流总温小于1800K的来流条件，采用B型热电偶制作的总温探针在混合稳压室直接测量得到；对于气流总温大于1800K的来流条件，利用下述公式计算气流总焓，然后根据气流总焓得到对应的气流总温；
Figure GDA0003173426000000032
式中H0-气流总焓，单位：kJ/kg；
P0-混合稳压室压力，单位：Pa；
A*-喉道面积，单位：m2；
G-气体流量，单位：kg/s；
Cd-流量系数。
进一步地，上述的同位素热源发射场火灾模拟试验方法，所述压力包括混合稳压室压力和模型当地压力；测量混合稳压室压力通过设置在所述混合稳压室内的绝对压力传感器直接测量；测量模型当地压力时在压力测试模型表面布置压力测孔，通过所述压力测孔内置的绝对压力传感器测得。
进一步地，上述的同位素热源发射场火灾模拟试验方法，所述冷壁热流密度根据表达式测得：
Figure GDA0003173426000000041
式中：qecw-冷壁热流密度，单位：kW/m2；
cp-铜的比热容，单位：kJ/(kg·K)；
m-塞块的质量，单位：kg；
A-塞块的受热面积，单位：m2；
dT/dt-塞块单位时间温升，单位：K/s。
进一步地，上述的同位素热源发射场火灾模拟试验方法，所述模型当地气流速度根据表达式计算：
Figure GDA0003173426000000042
式中u-喷管出口处气流速度，单位：m/s；
ρ-喷管出口处气流密度，单位：kg/m3；
A1-试验喷管出口面积，单位：m2；
G-气体流量，单位：kg/s；
Cd1-试验喷管流量系数；
其中，所述喷管出口处气流速度即为模型当地气流速度。
进一步地，上述的同位素热源发射场火灾模拟试验方法，模拟试验模型所处的高温流场时，气体经过电弧加热后流经混合稳压室时与常温空气掺混，在消除气流脉动对流场影响的同时调变气流总温，最后由亚声速喷管输出所需的高温流场。
进一步地，上述的同位素热源发射场火灾模拟试验方法，所述试验模型放置于笼状高压水冷的模型支架上；所述支架只在来流方向开口；所述试验模型下方设置有隔热层。
本发明的有益效果如下：
本发明采用的电弧加热自由射流技术与轨道模拟技术的技术成熟，容易实现发射场火灾要求的技术指标要求；众多型号的电弧加热射流平台，稍加改造就能满足火灾模拟试验需要，这对构建火灾模拟试验系统可节省大量费用；电弧风洞试验系统运行费用也相当经济，比液氧煤油发动机技术模拟发射场火灾(一次运行费用要2200万元)要低得多。
附图说明
图1为本发明的同位素热源发射场火灾模拟试验方法的流程图。
图2为试验模型放置的一个实施例的结构示意图。
图3为本发明的轨道模拟技术应用的一个实例的示意图。
上述附图中，1、电弧加热器；2、混合稳压室；3、亚声速喷管；4、水冷支架；5、隔热层；6、试验模型。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明提供的同位素热源发射场火灾模拟试验方法，包括:
S001、将连续的轨道加热过程分解成数段台阶状加热过程(具体实例请参考图3)；
S002、根据每一台阶所对应的火灾模拟温度时变参数进行设备调试以确定设备运行参数；
S003、根据步骤S002中的设备运行参数模拟试验模型所处的高温流场以进行模拟试验。
S002中，所述火灾模拟温度时变参数包括气体流量、气流总温、压力、冷壁热流密度和模型当地气流速度。调试设备至满足火灾模拟温度时变参数时所述设备所对应的参数即为设备运行参数。所述设备运行参数包括电功率、气体流量、高压水流量和时间长度。
模拟试验模型所处的高温流场时，气体经过电弧加热后流经混合稳压室时与常温空气掺混，在消除气流脉动对流场影响的同时调变气流总温，最后由亚声速喷管输出所需的高温流场。
S003中还包括验证步骤：
试验时，验证每一台阶试验状态的加热时间长度、稳压混合室压力和调试时的对应参数间误差是否满足要求。
本发明的一个实例的具体实施过程如下：
一、电弧加热试验平台建设
根据火灾模拟温度技术指标，选定电弧加热试验平台；根据热源尺寸确定亚声速喷管出口口径(不低于热源长度)，对选定的电弧加热平台作必要改进。
电弧加热试验平台包括管式电弧加热器1、一次喉道、轨道模拟系统、混合稳压室2、亚声速喷管3以及配套的水、气、电及测试系统。
二、试验模型支架建设
为了保证试验模型在试验过程中始终处于热流包裹状态，试验模型放置于笼状高压水冷的模型支架中，参见图2，水冷支架4只在来流方向开口，其它方向由水冷不锈钢管围成栅栏状，试验模型6下面放有隔热层5(如高硅氧板等)，防止热源模型与水冷管接触带走热量。
三、电弧加热射流平台调试
首先将火灾模拟温度时变参数转换为轨道模拟加热的多个台阶，对每一台阶进行参数调试。调试主要参数包括气体流量、气流总温、混合室压力、模型当地压力和模型当地迎风面上的冷壁热流密度等。
1、气体流量
采用声速流量法来测量气体流量，在加热器的进气管道中安装上一个声速喷嘴，测量出气体在声速喷嘴前的总压与总温(储气罐压力和温度)，利用公式(1)计算出气体流量。
Figure GDA0003173426000000071
式中：G-气体流量，单位：kg/s；
P01-喷嘴前气流总压，单位：Pa；
A1 *-声速喷嘴喉道截面积，单位：m2；
Cd-流量系数；
T01-声速喷嘴前气流总温，单位：K。
2、气流总温
气流总温是火灾模拟试验提出的主要参数。对于气流总温小于1800K的来流条件，可以采用B型热电偶制作的总温探针在混合稳压室直接测量得到。对于气流总温大于1800K的来流条件，采用平衡声速流量法计算气流总焓，然后利用查《高温气体函数表》得到对应的气流总温。
Figure GDA0003173426000000081
式中H0-气流总焓，单位：kJ/kg；
P0-混合稳压室压力，单位：Pa；
A*-喉道面积，单位：m2；
G-气体流量，单位：kg/s；
Cd-流量系数。
3、压力
需要测量的压力主要包括混合稳压室压力和模型当地压力。混合稳压室压力利用绝对压力传感器直接测量；模型当地压力采用在压力测试模型表面布置压力测孔，内置绝对压力传感器测得。
4、冷壁热流密度
采用瞬态塞式量热计测量模型当地迎风面上的冷壁热流密度。将量热计安装在热流测量装置中，根据传热学非稳态导热原理，热流密度的表达式为：
Figure GDA0003173426000000082
式中：qecw-冷壁热流密度，单位：kW/m2；
cp-铜的比热容，单位：kJ/(kg·K)；
m-塞块的质量，单位：kg；
A-塞块的受热面积，单位：m2；
dT/dt-塞块单位时间温升，单位：K/s。
5、模型当地气流速度
模型当地气流速度采用喷管出口处的气流速度近似估算，假定二者基本相当。利用流体力学的质量守恒定律，在喷管出口处的空气流量与通过声速喷嘴进入试验设备的空气流量相等，得到喷管出口处气流速度的关系式：
Figure GDA0003173426000000091
式中u-喷管出口处气流速度，单位：m/s；
ρ-喷管出口处气流密度，单位：kg/m3；
A1-试验喷管出口面积，单位：m2；
G-气体流量，单位：kg/s；
Cd1-试验喷管流量系数。
每一状态调试都需测量上述几个参数，将调试好的每一状态对应的相关参数(电功率、气体流量、高压水及时间长度等)编译可执行成软件构成轨道模拟程序。
由于正式模拟考核时不能在试验模型上加装相关传感器，因此有些参数无法直接测量。混合室压力是加热设备高压水、气和电相互作用后得到一个综合参数，在调试和考核阶段都能够直接测量，因此选择混合室压力作为正式考核时的比对验证参数。
调试后，得到对应于每一状态的加热时间长度、热流总温、稳压室压力三个参数，另外还有其它如模型当地压力、模型当地迎风面上热流密度、模型当地气流速度等参数。
试验时，比较每一试验状态的加热时间长度、稳压混合室压力和调试时的对应参数间误差是否满足要求。
以下为采用本发明提供的方法进行试验的实例的数据：
表1为将热源火灾模拟要求技术指标转换为轨道模拟加热台阶的数据：
表1
Figure GDA0003173426000000101
试验状态调试结果如表2和表3。表2是按表1调试的温度时变性结果，及对应温度下混合室的压力，温度误差均<5％，表3的测量数据作为对流场参数认识的参考。调试结果经确认后即可进行模型考核试验。
表2
Figure GDA0003173426000000102
表3
Figure GDA0003173426000000103
4W热源为例，试验与调试时混合室压力对比数据如表4所示，各状态的混合室压力最大误差均小于5％，满足技术指标要求，并且试验过程中试验模型一直都处于热流包裹中，4W热源火灾模拟试验成功。
表4
Figure GDA0003173426000000111
表5
Figure GDA0003173426000000112
120W热源试验与调试时各状态下混合室压力对比情况如表5所示，各状态的混合室压力最大误差均小于5％，满足技术指标要求，并且试验过程中试验模型始终都处于热流包裹中，120W热源火灾模拟试验成功。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种同位素热源发射场火灾模拟试验方法，其特征在于，包括:
(1)将连续的轨道加热过程分解成数段台阶状加热过程；
(2)根据每一台阶所对应的火灾模拟温度时变参数进行设备调试以确定设备运行参数；
(3)根据步骤(2)中的设备运行参数模拟试验模型所处的高温流场以进行模拟试验；
步骤(2)中，所述火灾模拟温度时变参数还涉及气体流量、气流总温、压力、冷壁热流密度和模型当地气流速度；
模拟试验模型所处的高温流场时，气体经过电弧加热后流经混合稳压室时与常温空气掺混，在消除气流脉动对流场影响的同时调变气流总温，最后由亚声速喷管输出所需的高温流场；
所述气流总温的测量方法为：对于气流总温小于1800K的来流条件，采用B型热电偶制作的总温探针在混合稳压室直接测量得到；对于气流总温大于1800K的来流条件，利用下述公式计算气流总焓，然后根据气流总焓得到对应的气流总温；
Figure FDA0003173425990000011
式中H0—气流总焓，单位：kJ/kg；
P0—混合稳压室压力，单位：Pa；
A*—喉道面积，单位：m2；
G—气体流量，单位：kg/s；
Cd—流量系数；
所述气体流量的测量方法为：测量出气体在喷嘴前的总压与总温，利用下列公式计算出气体流量：
Figure FDA0003173425990000021
式中：G—气体流量，单位：kg/s；
P01—喷嘴前气流总压，单位：Pa；
A1 *—声速喷嘴喉道截面积，单位：m2；
Cd—流量系数；
T01—声速喷嘴前气流总温，单位：K；
所述冷壁热流密度根据表达式测得：
Figure FDA0003173425990000022
式中：qecw—冷壁热流密度，单位：kW/m2；
cp—铜的比热容，单位：kJ/(kg·K)；
m—塞块的质量，单位：kg；
A—塞块的受热面积，单位：m2；
dT/dt—塞块单位时间温升，单位：K/s；
所述模型当地气流速度根据表达式计算：
Figure FDA0003173425990000023
式中u—喷管出口处气流速度，单位：m/s；
ρ—喷管出口处气流密度，单位：kg/m3；
A1—试验喷管出口面积，单位：m2；
G—气体流量，单位：kg/s；
Cd1—试验喷管流量系数；
其中，所述喷管出口处气流速度即为模型当地气流速度。
2.如权利要求1所述的同位素热源发射场火灾模拟试验方法，其特征在于：步骤(2)中，调试设备至满足火灾模拟温度时变参数时所述设备所对应的参数即为设备运行参数。
3.如权利要求2所述的同位素热源发射场火灾模拟试验方法，其特征在于：所述设备运行参数包括电功率、气体流量、高压水流量和时间长度。
4.如权利要求1所述的同位素热源发射场火灾模拟试验方法，其特征在于：步骤(3)中还包括验证步骤：
试验时，验证每一台阶试验状态的加热时间长度、稳压混合室压力和调试时的对应参数间误差是否满足要求。
5.如权利要求1所述的同位素热源发射场火灾模拟试验方法，其特征在于：所述压力包括混合稳压室压力和模型当地压力；测量混合稳压室压力通过设置在所述混合稳压室内的绝对压力传感器直接测量；测量模型当地压力时在压力测试模型表面布置压力测孔，通过所述压力测孔内置的绝对压力传感器测得。
6.如权利要求1-5任一所述的同位素热源发射场火灾模拟试验方法，其特征在于：所述试验模型放置于笼状高压水冷的模型支架上；所述支架只在来流方向开口；所述试验模型下方设置有隔热层。
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