CN112378776B - 热防护材料热-力-氧-激光多场耦合地面测试系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热防护材料热‑力‑氧‑激光多场耦合地面测试系统及方法，该系统包括：复杂气氛反应腔、感应加热子系统、力学加载子系统、多组分供气子系统、真空抽气子系统、大功率激光加载子系统、材料响应测试子系统、水冷子系统和集成控制子系统，本发明采用复杂气氛反应腔、多组分供气子系统及真空抽气子系统为被测样品提供可调节的环境气氛，通过感应加热子系统对被测样品加载高温，通过力学加载子系统对被测样本加载单轴拉应力，通过大功率激光加载子系统提供高能的激光照射被测样品，并利用材料响应测试子系统监测被测样品的表面、背面温度，被测样品表面形貌变化和应力数据，能够实现热防护材料热‑力‑氧‑激光多场耦合的地面模拟测试。

Description

热防护材料热-力-氧-激光多场耦合地面测试系统
技术领域
本发明涉及多场耦合地面模拟测试技术领域，尤其涉及一种热防护材料热-力-氧-激光多场耦合地面模拟测试系统及方法。
背景技术
高超声速飞行器是指飞行速度大于马赫数5以上的飞行器，近年来，一些国家的高超声速飞行器已陆续试飞成功，成为空天攻防对抗中的潜在威胁。高超声速飞行器的出现，大幅度提高了对防御系统预警能力、目标精确探测难度、对抗拦截的机动过载，以及对拦截弹高精度制导控制的要求，对传统的防空体系造成极大挑战。高能激光因其反应迅速、火力转移快、拦截率高，且配置灵活的优势，有望成为未来拦截高超声速飞行器最有力的手段。
对于高超声速飞行器而言，高速飞行时主要面临气动热、气动力以及复杂气氛的恶劣环境，作为最外保护层的热防护材料将遭受到高温、氧化和力联合加载的多物理场载荷。如果此时再受到高能激光的拦截打击，将面临热-力-氧-激光多场耦合作用。为了研制可抗激光打击的新一代高超声速飞行器，需要热防护材料通过这种热-力-氧-激光多场耦合载荷的考核，在筛选飞行器热防护材料、设计结构时，都需要在这种耦合实验条件下对材料、结构的响应特征进行测试，从而获得材料性能衰退、失效的准确结果。因此，不管是研究飞行器抗激光打击能力，还是研制适用于抗激光武器拦截的新型热防护材料，在地面开展模拟真实环境的热-力-氧-激光多场耦合载荷测试是前提和基础。
目前，现有技术中尚没有一种能够实现热(温度场)、力(力场)、氧(环境场)、激光(激光场)多载荷同时加载，且各载荷独立调节和控制的模拟系统，这里涉及到高温加载、应力加载、激光传输以及真空、密封、绝缘等诸多物理场的干涉和矛盾，常规的测试装置难以满足要求。
发明内容
本发明的目的是针对高超声速飞行器遭受高能激光打击时面临的高温、复杂气氛、激光打击以及气动力联合加载，提供一种能够在地面模拟这种热-力-氧-激光打击多场耦合加载的测试系统及方法，以实现获取热防护材料在遭受到这种多场耦合加载时的温度、力学特性响应，为表征材料性能衰减提供测试平台和关键数据，同时也为抗激光打击的热防护材料提供评价与考核平台。
为了实现上述目的，本发明提供了一种热防护材料热-力-氧-激光多场耦合地面测试系统，包括：
复杂气氛反应腔、感应加热子系统、力学加载子系统、多组分供气子系统、真空抽气子系统、大功率激光加载子系统、材料响应测试子系统、水冷子系统和集成控制子系统；
所述复杂气氛反应腔包括反应腔体和样品台，所述反应腔体为中空圆柱结构，且设有带观察窗的取样舱门，所述样品台开设有沿所述反应腔体的中轴线方向的纵向观测通孔，所述样品台水平设置于所述反应腔体内部；
所述感应加热子系统包括感应加热装置、加热体和感应线圈，所述感应加热装置设于所述反应腔体外部，所述加热体设于所述样品台上，且中心开设有纵向的通孔，所述感应线圈套设于所述加热体，且所述感应线圈的两个开放端均穿过设于所述反应腔体侧壁的绝缘真空法兰，与所述感应加热装置连接；
所述力学加载子系统包括万能力学试验机、两个高温合金夹头和两个位移杆，两个所述高温合金夹头水平间隔设置，分别用于夹持承载在所述加热体上的被测样品相对的两端，其中一个所述高温合金夹头通过一个所述位移杆水平连接所述万能力学试验机的试验机定横梁，另一个所述高温合金夹头通过另一个所述位移杆水平连接所述万能力学试验机的试验机移动横梁，并能够跟随所述试验机移动横梁移动；所述位移杆通过密封水冷法兰穿设在所述反应腔体的侧壁上，所述密封水冷法兰与所述万能力学试验机之间通过真空波纹管连接，所述真空波纹管套设在所述位移杆外侧；
所述多组分供气子系统包括供气装置和环形进气管道，所述供气装置设于所述反应腔体外部，包括至少一路气瓶，通过设于所述反应腔体侧壁的进气电磁阀连接所述环形进气管道，所述环形进气管道设于所述反应腔体内部，位于所述样品台上方，且中轴线与所述反应腔体的中轴线重合，所述环形进气管道开设有多个气孔，用于向所述反应腔体内部供气；
所述真空抽气子系统包括分子泵，所述分子泵通过设于所述反应腔体侧壁的抽气法兰与所述反应腔体内部连通，用于调节所述反应腔体内部气氛；
所述大功率激光加载子系统包括半导体激光器、高功率传输光纤和激光准直镜头，所述半导体激光器的输出端通过所述高功率传输光纤连接至所述激光准直镜头，所述激光准直镜头设于所述反应腔体顶部外侧，且出射光轴与所述反应腔体的中轴线重合，所述激光准直镜头出射的准直激光穿过设于所述反应腔体顶部的红外增透膜石英窗，垂直入射被测样品；
所述材料响应测试子系统包括第一红外测温仪、第二红外测温仪、高速运动分析仪、DIC全场应变测量仪和应变片，
所述第一红外测温仪的测温波段与所述半导体激光器输出激光的波段不同，所述第一红外测温仪设于所述反应腔体顶部外侧，且入射光轴与所述反应腔体的中轴线偏差角度为4～6°，所述第一红外测温仪用于透过设在所述反应腔体顶部的第一红外测温窗口，测量被测样品朝向准直激光一侧的表面温度，所述第一红外测温窗口位于红外增透膜石英窗一侧，
所述第二红外测温仪设于所述反应腔体底部外侧，且入射光轴与所述反应腔体的中轴线重合，所述第二红外测温仪用于透过设在所述反应腔体底部的第二红外测温窗口，测量被测样品远离准直激光一侧的背面温度，
所述高速运动分析仪位于所述激光准直镜头一侧，用于透过设在所述反应腔体顶部的表面形貌监测窗口，观测被测样品的表面形貌变化；
所述DIC全场应变测量仪设于所述反应腔体外部，用于透过设置在所述取样舱门上的观察窗，获取非接触式DIC应变测试数据；所述应变片粘贴于被测样品表面，用于获取接触式应变测试数据；
所述水冷子系统包括多条循环水冷管道，所述水冷子系统用于通过所述循环水冷管道对所述反应腔体、所述样品台、所述感应线圈、所述半导体激光器、所述激光准直镜头、所述红外增透膜石英窗、所述第一红外测温窗口、所述第二红外测温窗口、所述表面形貌监测窗口进行水冷降温；
所述集成控制子系统与所述复杂气氛反应腔、所述感应加热子系统、所述力学加载子系统、所述多组分供气子系统、所述真空抽气子系统、所述大功率激光加载子系统、所述材料响应测试子系统以及所述水冷子系统均信号连接，用于采集数据，生成相应的控制指令并发送。
优选地，所述样品台通过移动平台设于所述反应腔体内部，所述移动平台能够沿所述反应腔体的中轴线方向移动；所述水冷子系统用于通过所述循环水冷管道对所述移动平台进行水冷降温。
优选地，所述加热体的最大直径不超过200mm，所述感应加热装置最大功率120kW。
优选地，所述供气装置至少包括氮气、氧气两路气瓶，均通过所述进气电磁阀连接所述环形进气管道。
优选地，所述环形进气管道的直径与所述所述反应腔体相匹配，所述环形进气管道均匀开设有多个气孔，各所述气孔直径为0.01mm。
优选地，所述半导体激光器输出的激光波长为1064nm，最大功率10kW，经激光准直镜头后输出平顶激光，光斑均匀性>90％；所述第一红外测温仪的测温波段波长大于1.1μm。
优选地，所述分子泵通过波纹管、抽气管道连接所述抽气法兰，所述波纹管与所述抽气管道通过旁通阀连接，所述抽气管道上还设有放气阀。
优选地，所述红外增透膜石英窗采用与所述半导体激光器输出激光相匹配的石英基体，所述石英基体内、外两侧均镀有红外增透膜，对所述半导体激光器输出激光的透过率超过99.9％。
优选地，所述高速运动分析仪的入射光轴与所述反应腔体的中轴线偏差角度为4～6°。
本发明还提供了一种热防护材料热-力-氧-激光多场耦合地面测试方法，采用上述任一项所述的热防护材料热-力-氧-激光多场耦合地面测试系统实现，包括如下步骤：
S1、制作被测样品，并将所述应变片粘贴于被测样品表面；
S2、打开所述取样舱门，将被测样品置于加热体上，将加热体置于所述样品台上并套入感应线圈内，以两个所述高温合金夹头分别夹紧被测样品的两端，关闭所述取样舱门；
S3、开启材料响应测试子系统，调整高速运动分析仪、第一红外测温仪和DIC全场应变测量仪的位置，确保能够采集到被测样品的表面形貌、表面中心温度和非接触式DIC应变测试数据；
S4、开启真空抽气子系统及多组分供气子系统，通过集成控制子系统调节抽气速率和进气量，至反应腔体内压力和气体组成达到测试条件；
S5、开启水冷子系统，对系统进行水冷保护，待冷却水循环稳定后，开启感应加热子系统，在感应线圈内形成感生电流，实现对被测样品的加热；
S6、利用第一红外测温仪、第二红外测温仪实时测量被测样品表面、背面温度，待被测样品达到设定温度且热平衡后，开启大功率激光加载子系统，通过集成控制子系统调节激光的输出功率和打击时间，对被测样品表面进行激光打击；
S7、开启所述万能力学试验机，通过集成控制子系统调节试验机移动横梁的位置，带动所述位移杆对被测样品加载单轴拉力；
S8、通过材料响应测试子系统采集被测样品表面、背面温度，表面相貌变化，以及非接触式DIC应变测试数据和接触式应变测试数据。
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种热防护材料热-力-氧-激光多场耦合地面测试系统及方法，本发明采用复杂气氛反应腔、多组分供气子系统及真空抽气子系统为(采用热防护材料制成的)被测样品提供低压环境，并可根据需要调节环境气氛(即气体分子组成成分)，通过感应加热子系统以感生电流的方式对复杂气氛反应腔内的被测样品加载高温，通过力学加载子系统对被测样本加载单轴拉应力，通过大功率激光加载子系统提供高能激光照射被测样品，并利用材料响应测试子系统监测被测样品表面、背面温度，被测样品表面形貌变化，以及应力数据，同时，采用水冷子系统降温保护系统中易过热的部件，通过集成控制子系统完成统一调控。本发明能够实现对被测样品同时加载热、力、氧、激光载荷，克服了多物理场耦合之间的干扰与矛盾，通过温度、环境压力以及激光功率、打击时间的解耦和独立调节，可研究候选热防护材料及其他高温材料在高温、低压、激光打击以及拉应力联合加载条件下的热响应、表面形貌变化，以及应力数据，能够用于测试在高温、激光打击以及受力的情况下，材料的力学性能、强度衰减，以及何种因素导致力学性能衰减等，填补了现有技术的空白。一方面可实现热防护材料高速飞行器遭受激光打击的热-力-氧-激光多物理场耦合地面模拟测试，为热防护材料抗激光打击提供评价与考核平台；另一方面可以通过各载荷的解耦和组合，分析热防护材料损伤、退化的关键控制因素，为研制新型耐高温、抗激光打击热防护材料提供原理性实验平台。
附图说明
图1是本发明实施例中一种热防护材料热-力-氧-激光多场耦合地面测试系统原理图；
图2是本发明实施例中一种热防护材料热-力-氧-激光多场耦合地面测试系统结构示意图；
图3(a)是本发明实施例中一种被测样品的正视图；
图3(b)是图3(a)中被测样品的左视图。
图中：1：万能力学试验机；2：试验机定横梁；3：反应腔体；4：高速运动分析仪；5.激光准直镜头；6：第一红外测温仪；7：多组分供气子系统；8.试验机移动横梁；9：36针真空航插；10：取样舱门；11：第一高温合金夹头；12：应变片；13：被测样品；14：第二高温合金夹头；15：位移杆；16：感应加热装置；17：感应线圈；18：加热体；19：样品台；20：移动平台；21：真空抽气子系统；22：第二红外测温窗口；23：第二红外测温仪；24：密封水冷法兰；25：真空波纹管。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，本发明提供了一种热防护材料热-力-氧-激光多场耦合地面测试系统，包括：复杂气氛反应腔、感应加热子系统、力学加载子系统、多组分供气子系统7、真空抽气子系统21、大功率激光加载子系统、材料响应测试子系统、水冷子系统和集成控制子系统。具体地，其中：
复杂气氛反应腔包括反应腔体3和样品台19，反应腔体3为中空圆柱结构，其中轴线与地面垂直。反应腔体3优选采用不锈钢材料焊接而成，内、外层之间构成夹层区域，用于通入冷却循环水。优选地，反应腔体3内部可提供的压力范围为10-2～105Pa。
如图2所示，反应腔体3上设有带观察窗的取样舱门10，取样舱门10用于放置由热防护材料制成的被测样品13，观察窗可用于使用者观察反应腔体3内部状况，优选地，观察窗可采用耐高温石英玻璃、无氧铜垫片、不锈钢盖板组成，更优选地，观察窗的近红外透过率大于99.99％。
样品台19开设有沿反应腔体3的中轴线方向的纵向观测通孔，样品台19水平设置于反应腔体3内部，用于承载加热体18和被测样品13。样品台19同样进行水冷降温保护，优选地，样品台19可承受3000℃加载。
感应加热子系统包括感应加热装置16、加热体18和感应线圈17，感应加热装置16设于反应腔体3外部，加热体18设于样品台19上，且中心开设有纵向的通孔，放置时，纵向的通孔与样品台19的纵向观测通孔对齐，以便第二红外测温仪23能够从反应腔体3底部透过样品台19和加热体18准确地测量被测样品13远离激光一侧的背面温度。感应线圈17套设于加热体18，且感应线圈17的两个开放端均穿过设于反应腔体3侧壁的绝缘真空法兰，与反应腔体3外部的感应加热装置16连接。感应线圈17用于形成感生电流，加热加热体18，被测样品13承载于加热体18上，通过加热体18升温，实现对被测样品13的加热。感应加热子系统的具体工况，如升温速率、温度设定等，由集成控制子系统进行控制。
力学加载子系统包括万能力学试验机1、两个高温合金夹头和两个位移杆15，两个高温合金夹头，如图2所示，即第一高温合金夹头11和第二高温合金夹头14，水平间隔设置，分别用于夹持承载在加热体18上的被测样品13相对的两端，其中一个高温合金夹头(第一高温合金夹头11)通过一个位移杆15水平连接万能力学试验机1的试验机定横梁2，另一个高温合金夹头(第二高温合金夹头14)通过另一个位移杆15水平连接万能力学试验机1的试验机移动横梁8，并能够跟随试验机移动横梁8移动。如图2所示，两个位移杆15分别通过两个密封水冷法兰25穿设在反应腔体3的侧壁上，位移杆15用于连接反应腔体3内部的高温合金夹头与反应腔体3外部的万能力学试验机1，密封水冷法兰25与水冷子系统连通，用于实现密封及水冷保护。密封水冷法兰25与万能力学试验机1之间还设有真空波纹管25，即，万能力学试验机1的试验机定横梁2、试验机移动横梁8分别通过真空波纹管25连接对应的密封水冷法兰25，真空波纹管25套设在位移杆15外侧，用于实现真空动密封，确保两个高温合金夹头、位移杆均处于密封环境内。力学加载子系统用于对被测样品13施加单轴拉应力，由集成控制子系统进行控制。优选地，万能力学试验机1的最大试验力10kN，力测量方位0.2％～100％FS，相对误差±0.1％。
多组分供气子系统7包括供气装置和环形进气管道(图2中未示出)，供气装置设于反应腔体3外部，包括至少一路气瓶，不同气瓶用于提供测试所需的不同空气成分，可根据实际需要选择不同成分气体。多组分供气子系统7通过设于反应腔体3侧壁的进气电磁阀连接环形进气管道，环形进气管道设于反应腔体3内部，位于样品台19上方，且中轴线与反应腔体3的中轴线重合，环形进气管道开设有多个气孔，用于向反应腔体3内部供气；多组分供气子系统7的具体工况由集成控制子系统进行控制，进气电磁阀连接集成控制子系统，由集成控制子系统调控供气状况。
真空抽气子系统21包括分子泵，分子泵通过设于反应腔体3侧壁的抽气法兰与反应腔体3内部连通，用于调节反应腔体3内部气氛。优选地，可采用电阻规、电离规监测反应腔体3内部气压(真空度)，利用电阻规、电离规测量真空度为现有技术，在此不再进一步赘述。优选地，多组分供气子系统7、真空抽气子系统21受控于集成控制子系统，实现反应腔体内部的压力范围10-2～105Pa可调，精度0.5％。
大功率激光加载子系统包括半导体激光器、高功率传输光纤和激光准直镜头5，半导体激光器的输出端通过高功率传输光纤连接至激光准直镜头5，用于提供高能(高功率)的激光，半导体激光器的输出端通过激光能量耦合接头将激光耦合进入到高功率传输光纤，高功率传输光纤的输出端通过激光能量耦合接头与激光准直镜头5连接，减少激光能量损耗。激光准直镜头5设于反应腔体3顶部外侧，可采用三维固定架固定。激光准直镜头5出射光轴与反应腔体3的中轴线重合，激光准直镜头5出射的准直激光穿过设于反应腔体3顶部的红外增透膜石英窗，垂直入射被测样品13，实现加载高能激光。
材料响应测试子系统包括第一红外测温仪6、第二红外测温仪23、高速运动分析仪4、DIC全场应变测量仪和应变片12，第一红外测温仪6的测温波段与半导体激光器输出激光的波段不同，以免激光准直镜头5出射的准直激光在反应腔体3内发生反射，进而入射至第一红外测温仪6，干扰测温结果。
第一红外测温仪6设于反应腔体3顶部外侧，且入射光轴与反应腔体3的中轴线偏差角度为4～6°，第一红外测温仪6用于透过设在反应腔体3顶部的第一红外测温窗口，测量被测样品13朝向准直激光一侧的表面温度，第一红外测温窗口位于红外增透膜石英窗一侧。
第二红外测温仪23设于反应腔体3底部外侧，且入射光轴与反应腔体3的中轴线重合，第二红外测温仪23用于透过设在反应腔体3底部的第二红外测温窗口22(以及样品台19的纵向观测通孔和加热体18中心的通孔)，测量被测样品13远离准直激光一侧的背面温度。通过测量被测样品的背面温度，感应加热装置、材料响应测试子系统形成闭环，由集成控制子系统统一控制，实现目标温度、恒定加热速率的加热控制。通过测量被测样品的表面温度，可测试被测样品在不同环境下，加载不同高能激光后的升温情况。第一红外测温仪、第二红外测温仪的测温范围优选为500～3000℃。
高速运动分析仪4位于激光准直镜头5一侧，用于透过设在反应腔体3顶部的表面形貌监测窗口，观测被测样品13的表面形貌变化。表面形貌监测窗口位于红外增透膜石英窗的一侧，高速运动分析仪4的入射光轴与反应腔体3的中轴线偏差角度优选为4～6°。优选地，高速运动分析仪4采集被测样品13的表面形貌变化的表面形貌帧频不低于5×106帧/s。
DIC全场应变测量仪设于反应腔体3的外部，用于透过设置在取样舱门10上的观察窗，获取非接触式DIC应变测试数据，非接触式DIC应变测试为现有技术，在此不再赘述。应变片12粘贴于被测样品13表面，用于获取接触式应变测试数据。优选地，应变片12通过设于反应腔体3侧壁的36针真空航插9输出反应腔体3内部信号采集。
需要说明的是，上述内容中的方位词“上”、“下”、“顶”、“底”是指相对于地面的方位。
水冷子系统包括多条循环水冷管道，由于水冷子系统与多个子系统存在连接关系，且较为复杂，图2未示出水冷子系统的各循环水冷管道。水冷子系统用于通过循环水冷管道对反应腔体3、样品台19、感应线圈17、半导体激光器、激光准直镜头5、红外增透膜石英窗、第一红外测温窗口、第二红外测温窗口22、表面形貌监测窗口进行水冷降温，保护各个易升温的部件。优选地，感应线圈17为中空结构，即感应线圈17内设有循环水冷管道，避免感应线圈17温度过高。
集成控制子系统与复杂气氛反应腔、感应加热子系统、力学加载子系统、多组分供气子系统7、真空抽气子系统21、大功率激光加载子系统、材料响应测试子系统以及水冷子系统均信号连接，用于采集数据，生成相应的控制指令并发送，实现对该系统的整体控制。集成控制子系统能够实现对加载温度、加载拉应力、位移速率、真空度、氧浓度、激光输出功率、加载区域、独立/联合加载时间，以及冷却循环水温、时间的集成控制，同时能够实时采集第一红外测温仪6、第二红外测温仪23的温度数据、高速运动分析仪、被测样品13表面接触式应变测试数据、非接触式DIC应变测试数据。
使用时，反应腔体3、样品台19、感应线圈17以及各子系统均采用蒸馏水进行水冷保护，各子系统由集成控制子系统统一控制，可实现压力、温度、气体组分、加载应力，以及高能激光打击功率和时间独立调节的激光打击模拟，针对抗激光拦截高超声速飞行器的重大需求，克服多物理场耦合的技术难点，提供能够模拟高能激光打击高超声速飞行器的热-力-氧-激光多场耦合地面测试系统。
优选地，为方便装入被测样品13、调节加热体18位置，样品台19通过移动平台20设于反应腔体3内部，移动平台20能够沿反应腔体3的中轴线方向(也即Z方向)移动。进一步地，移动平台20可移动距离优选不小于30cm，用于驱动移动平台20移动的真空Z轴电动步机精度优选为0.1mm。
优选地，加热体18的最大直径不超过200mm，可承受的温度上限不少于2500℃，可承受的持续加热时间不少于120min，感应加热装置16最大功率120kW。更优选地，通过优化匹配感应加热装置16的工作频率、功率，以及感应线圈17直径、匝数，可保证样品加热迅速、均匀，升温速率不小于100℃/s。进一步地，感应线圈17直径范围优选为10～200mm，感应线圈17的匝数优选为2～5圈。
优选地，供气装置至少包括氮气、氧气两路气瓶，均通过进气电磁阀连接环形进气管道，为反应腔体3内提供氮气、氧气，以实现氧气、氮气、空气任意比混合。进一步地，各气瓶与进气电磁阀之间还设有减压阀、截止阀、不锈钢进气管道、质量流量计、流量计控制面板。具体如何实现通过气瓶向密封的反应腔体3内部供气可采用现有技术，在此不再进一步赘述。
为实现向反应腔体3内均匀进气，环形进气管道的直径与反应腔体3相匹配，优选地，环形进气管道上均匀开设有多个气孔，各气孔直径为0.01mm。
优选地，半导体激光器输出的激光波长为1064nm，最大功率10kW，经激光准直镜头5后输出平顶激光，光斑均匀性>90％；第一红外测温仪6的测温波段波长大于1.1μm。进一步地，根据被测样品13配置不同的激光准直镜头5，可提供Φ10mm-Φ200mm的圆形光斑或者200mm×200mm×200mm以内的平顶矩形光斑。
优选地，真空子系统中，分子泵通过波纹管、抽气管道连接反应腔体3侧壁的抽气法兰，波纹管与抽气管道通过旁通阀连接，旁通阀可用于调节抽气速度，抽气管道上还设有放气阀，可用于在结束测试后向反应腔体3内部放气。
考虑到输入反应腔体3的激光功率较大，为最大限度地减少激光输入的损耗，防止红外增透膜石英窗吸收过多激光能量而加热破裂，需要最大限度地减少红外增透膜石英窗的反射和吸收，尽可能保证激光透过红外增透膜石英窗，优选地，用于透过准直激光的红外增透膜石英窗，采用与半导体激光器输出激光相匹配的石英基体，例如可采用Ф50mm×5mm的JGSⅠ石英作为石英基体。为进一步提升透过率，石英基体内、外两侧均镀有红外增透膜，对半导体激光器输出激光的透过率超过99.9％。
本发明还提供了一种热防护材料热-力-氧-激光多场耦合地面测试方法，该方法采用如上述任一实施方式所述的热防护材料热-力-氧-激光多场耦合地面测试系统实现，包括如下步骤：
S1、制作被测样品13，并将应变片12粘贴于被测样品13表面。
S2、打开取样舱门10，将被测样品13置于加热体18上，将加热体18置于样品台19上并套入感应线圈17内，以两个高温合金夹头分别夹紧被测样品13的两端，关闭取样舱门10。
若样品台19通过移动平台20设于反应腔体3内部，则可通过移动平台20调整被测样品与感应线圈的相对位置，确保加热体18套入感应线圈17内。调整试验机移动横梁8的位置，通过第一高温合金夹头11、第二高温合金夹头14将被测样品13夹紧，以便后续对被测样品13施加拉应力。
S3、开启材料响应测试子系统，调整高速运动分析仪4、第一红外测温仪6和DIC全场应变测量仪的位置，确保能够采集到被测样品13的表面形貌、表面中心温度和非接触式DIC应变测试数据。
由于准直激光占据了被测样品13正上方的位置，高速运动分析仪4、第一红外测温仪6的位置只能相对偏斜，因此在使用前，应对高速运动分析仪4和第一红外测温仪6的位置进行调整，确保能够采集到被测样品的表面形貌和被测样品表面中心温度，以提高材料响应测试子系统的测试精度。DIC全场应变测量仪需通过观察窗测量应力数据，在以高温合金夹头夹紧被测样品13后，也需要对DIC全场应变测量仪进行调整。
S4、开启真空抽气子系统21及多组分供气子系统7，通过集成控制子系统调节抽气速率和进气量，至反应腔体3内压力和气体组成达到测试条件。
开启真空抽气子系统21，包括关闭放气阀，开启分子泵，反应腔体3内部的气体经抽气法兰、抽气管道、旁通阀、波纹管、分子泵排到室外；开启多组分供气子系统7，氧气瓶和氮气瓶中两路气体经过减压阀、截止阀、不锈钢进气管道、质量流量计、流量计控制面板混合后通过进气电磁阀、进气管道均匀进入反应腔体3。利用电阻硅、电离规实时监控腔体内的压力，通过集成控制子系统调节电子流量计控制进气量和抽气速率，以满足进气量和腔体内压力达到试验条件。若多组分供气子系统包括多路气瓶，利用集成控制子系统可单独调节各路气瓶流量，为反应腔体内部提供不同气氛。
需要说明的是，在此步骤S4之前应对反应腔体进行气密性检查，确保反应腔体的内部环境不受外界环境的干扰，气密性检查为常规技术手段，在此不再赘述。
S5、开启水冷子系统，对系统进行水冷保护，待冷却水循环稳定后，开启感应加热子系统，在感应线圈17内形成感生电流，实现对被测样品13的加热。
此步骤中，感应线圈17加热加热体18，加热体18加热被测样品13。
S6、利用第一红外测温仪6、第二红外测温仪23实时测量被测样品13表面、背面温度，待被测样品13达到设定温度且热平衡后，开启大功率激光加载子系统，通过集成控制子系统调节激光的输出功率和打击时间，对被测样品13表面进行激光打击。
S7、开启万能力学试验机1，通过集成控制子系统调节试验机移动横梁8的位置，带动位移杆15对被测样品13加载单轴拉力。
通过集成控制子系统设置加载速率，万能力学试验机1通过位移杆15对被测样品13实施单轴拉力，进而实现对被测样品13热-力-氧-激光联合加载。
S8、通过材料响应测试子系统采集被测样品13表面、背面温度，表面相貌变化，以及非接触式DIC应变测试数据和接触式应变测试数据。
优选地，在拉断被测样品13后，通过集成控制子系统依次关闭半导体激光器、感应加热装置、进气电磁阀及多组分供气子系统；待被测样品的温度冷却至室温后，关闭分子泵，取出被测样品，关闭水冷子系统，结束测试。
在一个具体的实施方式中，本发明选用典型C/C防热材料进行混合气氛高温、低压模拟环境下高能激光打击毁伤试验，被测样品的具体尺寸如图3(a)和图3(b)所示，单位为mm，试验参数和结果如下表1所示：
表1测试参数和结果
Figure BDA0002770167820000161
测试表明，本发明可提供高达2500℃、10-3Pa～105Pa、多种气氛、10kN力载荷和10kW激光长时间多场模拟载荷，并且各载荷可任意组合、独立参数控制。
综上所述，现有技术尚未有一种能够实现热、力、氧、激光载荷同时加载，且各载荷独立调节和控制的模拟测试系统及方法，这里涉及到高温加载、应力加载、激光传输以及真空、密封、绝缘等诸多物理场的干涉和矛盾。本发明针对抗激光拦截高超声速飞行器的重大需求，克服多物理场耦合的技术难点，提供了一种能够模拟高能激光武器打击高超声速飞行器的热-力-氧-激光多场耦合测试系统及方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种热防护材料热-力-氧-激光多场耦合地面测试系统，其特征在于，包括：
复杂气氛反应腔、感应加热子系统、力学加载子系统、多组分供气子系统、真空抽气子系统、大功率激光加载子系统、材料响应测试子系统、水冷子系统和集成控制子系统；
所述复杂气氛反应腔包括反应腔体和样品台，所述反应腔体为中空圆柱结构，且设有带观察窗的取样舱门，所述样品台开设有沿所述反应腔体的中轴线方向的纵向观测通孔，所述样品台水平设置于所述反应腔体内部；
所述感应加热子系统包括感应加热装置、加热体和感应线圈，所述感应加热装置设于所述反应腔体外部，所述加热体设于所述样品台上，且中心开设有纵向的通孔，所述感应线圈套设于所述加热体，且所述感应线圈的两个开放端均穿过设于所述反应腔体侧壁的绝缘真空法兰，与所述感应加热装置连接；
所述力学加载子系统包括万能力学试验机、两个高温合金夹头和两个位移杆，两个所述高温合金夹头水平间隔设置，分别用于夹持承载在所述加热体上的被测样品相对的两端，其中一个所述高温合金夹头通过一个所述位移杆水平连接所述万能力学试验机的试验机定横梁，另一个所述高温合金夹头通过另一个所述位移杆水平连接所述万能力学试验机的试验机移动横梁，并能够跟随所述试验机移动横梁移动；所述位移杆通过密封水冷法兰穿设在所述反应腔体的侧壁上，所述密封水冷法兰与所述万能力学试验机之间通过真空波纹管连接，所述真空波纹管套设在所述位移杆外侧；
所述多组分供气子系统包括供气装置和环形进气管道，所述供气装置设于所述反应腔体外部，包括至少一路气瓶，通过设于所述反应腔体侧壁的进气电磁阀连接所述环形进气管道，所述环形进气管道设于所述反应腔体内部，位于所述样品台上方，且中轴线与所述反应腔体的中轴线重合，所述环形进气管道开设有多个气孔，用于向所述反应腔体内部供气；
所述真空抽气子系统包括分子泵，所述分子泵通过设于所述反应腔体侧壁的抽气法兰与所述反应腔体内部连通，用于调节所述反应腔体内部气氛；
所述大功率激光加载子系统包括半导体激光器、高功率传输光纤和激光准直镜头，所述半导体激光器的输出端通过所述高功率传输光纤连接至所述激光准直镜头，所述激光准直镜头设于所述反应腔体顶部外侧，且出射光轴与所述反应腔体的中轴线重合，所述激光准直镜头出射的准直激光穿过设于所述反应腔体顶部的红外增透膜石英窗，垂直入射被测样品；
所述材料响应测试子系统包括第一红外测温仪、第二红外测温仪、高速运动分析仪、DIC全场应变测量仪和应变片，
所述第一红外测温仪的测温波段与所述半导体激光器输出激光的波段不同，所述第一红外测温仪设于所述反应腔体顶部外侧，且入射光轴与所述反应腔体的中轴线偏差角度为4～6°，所述第一红外测温仪用于透过设在所述反应腔体顶部的第一红外测温窗口，测量被测样品朝向准直激光一侧的表面温度，所述第一红外测温窗口位于红外增透膜石英窗一侧，所述红外增透膜石英窗采用与所述半导体激光器输出激光相匹配的石英基体，所述石英基体内、外两侧均镀有红外增透膜，对所述半导体激光器输出激光的透过率超过99.9％；
所述第二红外测温仪设于所述反应腔体底部外侧，且入射光轴与所述反应腔体的中轴线重合，所述第二红外测温仪用于透过设在所述反应腔体底部的第二红外测温窗口，测量被测样品远离准直激光一侧的背面温度，
所述高速运动分析仪位于所述激光准直镜头一侧，用于透过设在所述反应腔体顶部的表面形貌监测窗口，观测被测样品的表面形貌变化，所述高速运动分析仪的入射光轴与所述反应腔体的中轴线偏差角度为4～6°；
所述DIC全场应变测量仪设于所述反应腔体外部，用于透过设置在所述取样舱门上的观察窗，获取非接触式DIC应变测试数据；所述应变片粘贴于被测样品表面，用于获取接触式应变测试数据；
所述水冷子系统包括多条循环水冷管道，所述水冷子系统用于通过所述循环水冷管道对所述反应腔体、所述样品台、所述感应线圈、所述半导体激光器、所述激光准直镜头、所述红外增透膜石英窗、所述第一红外测温窗口、所述第二红外测温窗口、所述表面形貌监测窗口进行水冷降温；
所述集成控制子系统与所述复杂气氛反应腔、所述感应加热子系统、所述力学加载子系统、所述多组分供气子系统、所述真空抽气子系统、所述大功率激光加载子系统、所述材料响应测试子系统以及所述水冷子系统均信号连接，用于采集数据，生成相应的控制指令并发送。
2.根据权利要求1所述的热防护材料热-力-氧-激光多场耦合地面测试系统，其特征在于：
所述样品台通过移动平台设于所述反应腔体内部，所述移动平台能够沿所述反应腔体的中轴线方向移动；所述水冷子系统用于通过所述循环水冷管道对所述移动平台进行水冷降温。
3.根据权利要求1所述的热防护材料热-力-氧-激光多场耦合地面测试系统，其特征在于：
所述加热体的最大直径不超过200mm，所述感应加热装置最大功率120kW。
4.根据权利要求1所述的热防护材料热-力-氧-激光多场耦合地面测试系统，其特征在于：
所述供气装置至少包括氮气、氧气两路气瓶，均通过所述进气电磁阀连接所述环形进气管道。
5.根据权利要求1所述的热防护材料热-力-氧-激光多场耦合地面测试系统，其特征在于：
所述环形进气管道的直径与所述反应腔体相匹配，所述环形进气管道均匀开设有多个气孔，各所述气孔直径为0.01mm。
6.根据权利要求1所述的热防护材料热-力-氧-激光多场耦合地面测试系统，其特征在于：
所述半导体激光器输出的激光波长为1064nm，最大功率10kW，经激光准直镜头后输出平顶激光，光斑均匀性>90％；所述第一红外测温仪的测温波段波长大于1.1μm。
7.根据权利要求1所述的热防护材料热-力-氧-激光多场耦合地面测试系统，其特征在于：
所述分子泵通过波纹管、抽气管道连接所述抽气法兰，所述波纹管与所述抽气管道通过旁通阀连接，所述抽气管道上还设有放气阀。
8.一种热防护材料热-力-氧-激光多场耦合地面测试方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任一项所述的热防护材料热-力-氧-激光多场耦合地面测试系统实现，包括如下步骤：
S1、制作被测样品，并将所述应变片粘贴于被测样品表面；
S2、打开所述取样舱门，将被测样品置于加热体上，将加热体置于所述样品台上并套入感应线圈内，以两个所述高温合金夹头分别夹紧被测样品的两端，关闭所述取样舱门；
S3、开启材料响应测试子系统，调整高速运动分析仪、第一红外测温仪和DIC全场应变测量仪的位置，确保能够采集到被测样品的表面形貌、表面中心温度和非接触式DIC应变测试数据；
S4、开启真空抽气子系统及多组分供气子系统，通过集成控制子系统调节抽气速率和进气量，至反应腔体内压力和气体组成达到测试条件；
S5、开启水冷子系统，对系统进行水冷保护，待冷却水循环稳定后，开启感应加热子系统，在感应线圈内形成感生电流，实现对被测样品的加热；
S6、利用第一红外测温仪、第二红外测温仪实时测量被测样品表面、背面温度，待被测样品达到设定温度且热平衡后，开启大功率激光加载子系统，通过集成控制子系统调节激光的输出功率和打击时间，对被测样品表面进行激光打击；
S7、开启所述万能力学试验机，通过集成控制子系统调节试验机移动横梁的位置，带动所述位移杆对被测样品加载单轴拉力；
S8、通过材料响应测试子系统采集被测样品表面、背面温度，表面相貌变化，以及非接触式DIC应变测试数据和接触式应变测试数据。
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