CN112378777B - 高温低压环境下激光毁伤地面模拟测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高温低压环境下激光毁伤地面模拟测试系统及方法，该系统包括：高温激光毁伤反应腔、高功率中频感应加热器、多组分供气子系统、真空子系统、高功率光纤耦合激光控制子系统、材料响应测试子系统、水冷子系统和集成控制子系统，本发明采用高温激光毁伤反应腔、多组分供气子系统及真空子系统为被测样品提供低压环境，并可调节环境气氛，通过高功率中频感应加热器以感生电流的方式对高温激光毁伤反应腔内的被测样品加载高温，通过高功率光纤耦合激光控制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，拍摄被测样品表面毁伤程度，能够地面模拟高温低压环境下高能激光打击毁伤热防护材料。

Description

高温低压环境下激光毁伤地面模拟测试系统及方法

技术领域

本发明涉及地面模拟测试技术领域，尤其涉及一种高温低压环境下激光毁伤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，经过六十余年的发展，高超声速飞行器已经形成了高超声速巡航、再入滑翔以及天地往返三个主要发展方向，各型号成功进行了多次飞行试验。由于高超声速的飞行能力，高超声速飞行器的出现对于现有防空体系提出了巨大的挑战。现有防空反导体系是基于飞机及弹道导弹等传统武器系统建立的，对于高超声速目标，虽然可以进行预警，但火控系统无法对其进行有效的跟踪与制导，防空导弹的机动性等性能也无法满足拦截高超声速目标的需要，现有防空反导体系效能面临清零的危险。为应对高超声速飞行器的威胁，需要发展新型防御系统。激光系统具有反应迅速、火力转移快、拦截率高、效费比高等特点，具有对抗高超声速飞行器的潜力，有望成为未来反高超声速飞行器防空体系的关键环节。

高超声速飞行器在大气层中飞行时，其动能由于强烈的激波压缩和粘性耗散而大量地转化为热能，使得周围流场温度达到几千甚至是上万度，此时，作为保证飞行器气动外形和飞行走廊的热防护材料将面临复杂气氛、低压和高温的恶劣环境。一旦热防护材料出现烧蚀、损坏，将直接导致飞行任务失败。因此，利用高能激光打击高超声速飞行器，实际上就是打击飞行器最外层的热防护材料，使其破坏、毁伤，导致热防护失效，进而成功拦截高超声速飞行器。而若想实现这一目的，首先需要开展相应的地面模拟实验，模拟测试飞行器热防护材料在复杂气氛、高温、低压环境下遭受激光打击的行为。遗憾的是，目前为止，还没有一种能够模拟高超声速飞行时，飞行器表面热防护材料在高温(温度1000～2500℃以上)、低压环境(10～10000Pa)下遭受到高能激光打击的试验装置，无法实现对飞行条件下热防护材料激光打击毁伤的表征与评价。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够对高温、低压下热防护材料进行高能激光打击毁伤的地面模拟试验系统及方法，通过同时对防热材料施加高温、低压、高能激光载荷，形成热/低氧分压/激光耦合加载，进而实现高速飞行时热防护材料遭受到高能激光打击的地面模拟。

为了实现上述目的，本发明提供了一种高温低压环境下激光毁伤地面模拟测试系统，包括：

高温激光毁伤反应腔、高功率中频感应加热器、多组分供气子系统、真空子系统、高功率光纤耦合激光控制子系统、材料响应测试子系统、水冷子系统和集成控制子系统；

所述高温激光毁伤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，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，用于承载被测样品；

所述高功率中频感应加热器包括感应加热装置和感应线圈，所述感应加热装置设于所述反应腔体外部，所述感应线圈设于所述样品台上方，并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，用于形成感生电流，实现对被测样品的加热；

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；

所述真空子系统包括机械泵和压力传感器，所述机械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，用于提供低压环境，所述压力传感器用于监测气压；

所述高功率光纤耦合激光控制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，垂直入射所述样品台承载的被测样品；

所述材料响应测试子系统包括第一红外测温仪、第二红外测温仪和高速相机，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以及所述样品台的纵向观测通孔，测量被测样品远离准直激光一侧的背面温度，

所述高速相机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，观测被测样品朝向准直激光一侧的表面形貌，且设有组合滤光片，相当于在高速相机镜头前加上一组滤光片；

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高温激光毁伤反应腔、所述高功率中频感应加热器、所述多组分供气子系统、所述真空子系统、所述高功率光纤耦合激光控制子系统、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。

优选地，所述感应线圈的直径范围为10～200mm。

优选地，所述供气装置包括氮气、氧气以及氩气三路气瓶，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1080nm，功率密度高达3×10⁷w/m²，经过激光准直镜头后可实现≮60min连续平顶激光输出，直径10～30mm可调，光斑均匀性>95％；所述第一红外测温仪的测温波段波长大于1.1μm。

优选地，所述机械泵通过波纹管、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，所述高速相机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高温低压环境下激光毁伤地面模拟测试方法，该方法采用如上述任一项所述的高温低压环境下激光毁伤地面模拟测试系统实现，具体包括如下步骤：

S1、制作被测样品，并对被测样品的表面进行打磨；

S2、将被测样品置于所述样品台上，并套入感应线圈内，或将被测样品置于高导热石墨加热体上，将高导热石墨加热体置于所述样品台上，并套入感应线圈内；

S3、开启材料响应测试子系统，调整高速相机、第一红外测温仪的位置，确保能够采集到被测样品的表面形貌和表面中心温度；

S4、开启真空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，开启高功率中频感应加热器，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，开启高功率光纤耦合激光控制子系统，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、通过材料响应测试子系统采集被测样品表面、背面温度及表面相貌。

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种高温低压环境下激光毁伤地面模拟测试系统及方法，本发明采用高温激光毁伤反应腔、多组分供气子系统及真空子系统为(采用热防护材料及其他耐高温材料制成的)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)，通过高功率中频感应加热器以感生电流的方式对高温激光毁伤反应腔内的被测样品加载高温，通过高功率光纤耦合激光控制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，拍摄被测样品表面毁伤程度，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高温、低压环境与高能激光，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、激光打击联合加载条件下的热响应、演化及表面毁伤情况，填补了现有技术的空白。

附图说明

图1是本发明实施例中一种高温低压环境下激光毁伤地面模拟测试系统分布示意图；

图2是本发明实施例中一种高温低压环境下激光毁伤地面模拟测试系统结构示意图；

图3(a)至图3(d)示出了C/C材料被高能激光打击后表面宏观形貌，其中，图3(a)是300W激光打击后C/C材料表面宏观形貌图，图3(b)是530W激光打击后C/C材料表面宏观形貌图，图3(c)是980W激光打击后C/C材料表面宏观形貌图，图3(d)是1420W激光打击后C/C材料表面宏观形貌图；

图4示出了不同打击功率下C/C材料质量损失；

图5示出了UHTC材料在800W激光打击时表面和背面温度历程；

图6示出了UHTC材料在1150W激光打击时表面和背面温度历程；

图7(a)和图7(b)示出了UHTC材料被高能激光打击后表面宏观形貌，其中，图7(a)是800W激光打击后UHTC材料表面宏观形貌图，图7(b)是1150W激光打击后UHTC材料表面宏观形貌图；

图8示出了SiCN材料在60W激光打击时表面和背面温度历程；

图9示出了SiCN材料在72W激光打击时表面和背面温度历程；

图10(a)和图10(b)示出了SiCN材料被高能激光打击后表面宏观形貌，其中，图10(a)是60W激光打击后SiCN材料表面宏观形貌图，图10(b)是72W激光打击后SiCN材料表面宏观形貌图；

图11(a)和图11(b)示出了SiCN材料高能激光打击后表面微观形貌，其中，图11(a)是60W激光打击后SiCN材料表面微观形貌图，图11(b)是72W激光打击后SiCN材料表面微观形貌图。

图中：1：供气装置；2：进气电磁阀；3：环形进气管道；4：表面形貌监测窗口；5：高速相机；6：激光准直镜头；7：红外增透膜石英窗；8：第一红外测温窗口；9：第一红外测温仪；10：观察窗；11：反应腔体；12：旁通阀；13：抽气管道；14：放气阀；15：抽气法兰；16：波纹管；17：机械泵；18：移动平台；19：样品台；20：被测样品；21：高导热石墨加热体；22：感应线圈；23：绝缘真空法兰；24：第二红外测温窗口；25：第二红外测温仪；26：感应加热装置；27：半导体激光器；28：高功率传输光纤；29：真空航插；30：压力传感器连接法兰。

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，本发明实施例提供的一种高温低压环境下激光毁伤地面模拟测试系统，包括：高温激光毁伤反应腔、高功率中频感应加热器、多组分供气子系统、真空子系统、高功率光纤耦合激光控制子系统、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：

如图2所示，高温激光毁伤反应腔包括反应腔体11和样品台19。反应腔体11为中空圆柱结构，其中轴线与地面垂直。反应腔体11优选采用不锈钢材料焊接而成。反应腔体11内、外层之间构成的夹层区域布设有冷却水流道，冷却水流道与水冷子系统连接，用于通入冷却循环水。冷却水流道用于保护反应腔体11不出现过热，具体分布情况可根据实际受热情况进行设置，在易受热的位置布设更密集。优选地，反应腔体11内部可提供的压力范围为10^-3～10⁵Pa。反应腔体11上还设有观察窗10与法兰。观察窗10可用于使用者观察反应腔体11内部状况，优选地，观察窗10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10的近红外透过率大于99.99％，且设置观察窗10的法兰采用水冷保护。法兰用于与系统中其他部件进行连接，进一步地，法兰包括进气法兰、真空绝缘法兰23、真空法兰等，其中进气法兰用于装配进气电磁阀2，以便向反应腔体11内部通入气体，真空绝缘法兰23用于装配感应线圈22，保证真空密封的同时，确保感应线圈22与反应腔体11绝缘，真空法兰用于装配真空航插29，真空航插29用于将反应腔体11内部的信号线导出到外部。反应腔体11(及法兰)通入的冷却循环水由集成控制子系统进行控制。

样品台19开设有纵向观测通孔，纵向观测通孔沿反应腔体11的中轴线方向设置。且样品台19水平设置于反应腔体11内部，样品台19上方用于承载被测样品20，样品台19的承载平面与反应腔体11的中轴线垂直。

高功率中频感应加热器包括感应加热装置26和感应线圈22，采用高功率中频感应加热，能够实现均匀、快速加热被测样品20。如图2所示，感应加热装置26设于反应腔体11外部，感应线圈22设于样品台19上方，并穿过设于反应腔体11侧壁的绝缘真空法兰23与感应加热装置26连接，感应线圈22用于形成感生电流，实现对被测样品20的加热。优选地，感应线圈22的中轴线与反应腔体11的中轴线重合，以便实现快速、均匀的加热，提高加热效率。更优选地，通过优化匹配感应加热装置26的工作频率、功率，以及感应线圈22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22直径范围优选为10～200mm，感应线圈22的匝数优选为2～5圈，感应加热装置26功率优选为120kW。高功率中频感应加热器的具体工况由集成控制子系统进行控制。

多组分供气子系统包括供气装置1和环形进气管道3，供气装置1设于反应腔体11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。供气装置1通过设于反应腔体11侧壁的进气电磁阀2连接环形进气管道3，环形进气管道3设于反应腔体11内部，靠近反应腔体11的顶部，位于样品台19上方，且环形进气管道3中轴线与反应腔体11的中轴线重合，环形进气管道3开设有多个气孔，用于向反应腔体11的内部均匀供气。多组分供气子系统的具体工况由集成控制子系统进行控制，进气电磁阀2连接集成控制子系统，由集成控制子系统调控供气状况。

真空子系统包括机械泵17和压力传感器，机械泵17通过设于反应腔体11侧壁的抽气法兰15与反应腔体11内部连通，用于提供低压环境。如图2所示，用于连接机械泵17的抽气法兰15，优选靠近反应腔体11的底部，位于样品台19下侧，以确保样品台19附近的气体环境能够达到测试所需要的低压与气体浓度。压力传感器用于监测反应腔体11内部气压。压力传感器、机械泵17连接集成控制子系统。优选地，可采用电阻规、电离规监测反应腔体11内部气压，电阻规、电离规通过三通接口与设在反应腔体11侧壁上的压力传感器连接法兰30相连，测量反应腔体11内部真空度，低于10^-1Pa电离规工作，高于10^-1Pa电阻规工作，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。

高功率光纤耦合激光控制子系统包括半导体激光器27、高功率传输光纤28和激光准直镜头6。半导体激光器27的输出端通过高功率传输光纤28连接至激光准直镜头6，用于提供高能(高功率)的激光，半导体激光器27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28，高功率传输光纤28的输出端通过激光能量耦合接头与激光准直镜头6连接，减少激光能量损耗。激光准直镜头6设于反应腔体11顶部的外侧，可采用三维固定架固定。激光准直镜头6的出射光轴与反应腔体11的中轴线重合。激光准直镜头6出射的准直激光穿过设于反应腔体11顶部的红外增透膜石英窗7，垂直入射样品台19承载的被测样品20。红外增透膜石英窗7可视为一种特殊的观察窗，用于高能激光的输入。由于激光准直镜头6出射的激光为准直激光(平顶激光)，近似为平行光，与打击距离无关，可用于实现对不同激光打击距离的模拟。

材料响应测试子系统包括第一红外测温仪9、第二红外测温仪25和高速相机5，第一红外测温仪9的测温波段与半导体激光器27输出激光的波段不同，以免激光准直镜头6出射的准直激光在反应腔体11内发生反射，进而入射至第一红外测温仪9，干扰测温结果。

如图2所示，第一红外测温仪9设于反应腔体11顶部外侧，且第一红外测温仪9的入射光轴与反应腔体11的中轴线偏差角度为4～6°，第一红外测温仪9用于透过设在反应腔体11顶部的第一红外测温窗口8，测量样品台19承载的被测样品20朝向准直激光一侧的表面温度，第一红外测温窗口8位于红外增透膜石英窗7的一侧。

第二红外测温仪25设于反应腔体11底部外侧，且入射光轴与反应腔体11的中轴线重合，第二红外测温仪25用于透过设在反应腔体11底部的第二红外测温窗口24以及样品台19开设的纵向观测通孔，测量样品台19承载的被测样品20远离准直激光一侧的背面温度。

第一红外测温窗口8、第二红外测温窗口24可视为特殊的观察窗，用于通过红外测温法，测量被测样品20的表面温度、背面温度。通过测量被测样品20的背面温度，高功率中频感应加热器、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20的表面温度，可测试被测样品20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9、第二红外测温仪25的测温范围优选为20～3000℃。

高速相机5设于反应腔体11顶部的外侧，位于激光准直镜头6的一侧，用于透过设在反应腔体11顶部的表面形貌监测窗口4，观测(拍摄)样品台19上的被测样品20朝向准直激光一侧的表面形貌，且设有组合滤光片，相当于在高速相机镜头前加上一组滤光片。表面形貌监测窗口4位于红外增透膜石英窗7一侧，高速相机5的入射光轴与反应腔体11的中轴线偏差角度优选为4～6°。表面形貌监测窗口4可视为一种特殊的观察窗，用于供高速相机5拍摄被测样品20在不同环境下，加载不同高能激光后的表面形貌。

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1和图2中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11、样品台19、感应线圈22、半导体激光器27、激光准直镜头6、红外增透膜石英窗7、第一红外测温窗口8、第二红外测温窗口24、表面形貌监测窗口4进行水冷降温，保护各个易升温的部件。优选地，感应线圈22为中空结构，即感应线圈22内设有循环水冷管道，避免感应线圈22温度过高。

集成控制子系统与高温激光毁伤反应腔、高功率中频感应加热器、多组分供气子系统、真空子系统、高功率光纤耦合激光控制子系统、材料响应测试子系统以及水冷子系统均信号连接，用于采集各子系统的数据，例如采集反应腔体11内的压力、被测样品20的表面和背面温度等，进而生成相应的控制指令并发送，例如控制高功率中频感应加热器的加热功率、多组分供气子系统的供气量等，实现对该系统的整体控制。

使用时，反应腔体11、样品台19、感应线圈22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，以及高能激光打击功率和时间独立调节的激光打击模拟，模拟被测样品20所用热防护材料在不同飞行状态的高温、低压环境，以研究热防护材料在飞行环境面临高能激光打击的响应、演化以及毁伤行为等。

优选地，为方便装入被测样品20，样品台19通过移动平台18设于反应腔体11内部，移动平台18能够沿反应腔体11的中轴线方向移动。进一步地，移动平台18可移动距离优选不小于40cm，用于驱动移动平台18移动的真空Z轴电动步机精度优选为0.1mm。

优选地，感应线圈22套设于样品台19承载的被测样品20外侧，或套设于被测样品20与样品台19之间的高导热石墨加热体21外侧，高导热石墨加热体21中心开设有纵向的通孔，通孔直径优选不小于10mm。使用时，被测样品20(即热防护材料及其他耐高温材料)置于高导热石墨加热体21上方，通过热传导实现被测样品20的高温加载。若被测样品20的材料导电，可不需要高导热石墨加热体21，直接将感应线圈22套在被测样品20上，通过感应加热实现对被测样品20的高温加载。若使用高导热石墨加热体21，则高导热石墨加热体21中心的通孔应与样品台19的纵向观测通孔对准，以便第二红外测温仪25能够从反应腔体11的底部准确地测量被测样品20的背面温度。

优选地，供气装置1包括氮气、氧气以及氩气三路气瓶，均通过进气电磁阀2连接环形进气管道3，为反应腔体11内提供氮气、氧气以及氩气三种气体成分。进一步地，各气瓶与进气电磁阀2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，供气装置1包括氮气、氧气以及氩气三路气瓶，则每路气瓶均有对应的质量流量计，3个质量流量计量程分别优选为100、100、250sccm。具体如何实现通过气瓶向密封的反应腔体11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11内均匀进气，环形进气管道3的直径与反应腔体11相匹配，优选地，环形进气管道3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27输出的激光波长为1080nm，第一红外测温仪9的测温波段波长大于1.1μm。进一步地，激光的加热功率上限为1800W，激光功率密度3×10⁷w/m²，经激光准直镜头6后，以≮60min连续平顶激光输出1080nm激光光束，激光准直镜头6优选为变焦镜头，通过调节激光准直镜头6输出的光束的直径，在感应线圈22上方形成的加热区域Φ10～30mm可调，光斑均匀性>95％。

优选地，真空子系统中，机械泵17通过波纹管16、抽气管道13连接反应腔体11侧壁的抽气法兰15，波纹管16与抽气管道13通过旁通阀12连接，旁通阀12可用于调节抽气速度，抽气管道13上还设有放气阀14，可用于在结束测试后向反应腔体11内部放气。

考虑到输入反应腔体11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7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7的反射和吸收，尽可能保证激光透过红外增透膜石英窗7，优选地，用于透过准直激光的红外增透膜石英窗7，采用与半导体激光器27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27输出激光的透过率超过99.9％。

本发明还提供了一种高温低压环境下激光毁伤地面模拟测试方法，该方法采用如上述任一实施方式的高温低压环境下激光毁伤地面模拟测试系统实现，包括如下步骤：

S1、制作被测样品20，并对被测样品20的表面进行打磨。

为便于测试，被测样品20优选加工为直径10～30mm，厚度2～6mm的圆片。优选地，可采用金刚石研磨膏将被测样品20表面打磨到光洁度低于1μm。

S2、将被测样品20置于样品台19上，并套入感应线圈22内，或将被测样品20置于高导热石墨加热体21上，将高导热石墨加热体21置于样品台19上，并套入感应线圈22内。

此步骤旨在放置被测样品20并调整其与感应线圈22的相对位置。高导热石墨加热体21用于均匀加热被测样品20，若被测样品20为导电类材料，则无需高导热石墨加热体21，可直接对被测样品20进行感应加热。

若样品台19设于移动平台18，则可通过移动平台18调整被测样品20与感应线圈22的相对位置。

S3、开启材料响应测试子系统，调整高速相机5、第一红外测温仪9的位置，确保高速相机5能够采集到被测样品20的表面形貌，第一红外测温仪9能够采集到被测样品20的表面中心温度。

由于准直激光占据了被测样品20正上方的位置，高速相机5、第一红外测温仪9的位置只能相对偏斜，因此在使用前，应对高速相机5、第一红外测温仪9的位置进行调整，以提高材料响应测试子系统的测试精度。

S4、开启真空子系统及多组分供气子系统，通过集成控制子系统调节真空子系统的抽气速率和多组分供气子系统的进气量，至反应腔体11内压力和气体组成达到测试条件。

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11内部提供不同气氛。通过压力传感器，集成控制子系统实时监控反应腔体11内部气压，实现反应腔体11内压力的独立控制。

需要说明的是，在此步骤S4之前应对反应腔体11进行气密性检查，确保反应腔体11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，开启高功率中频感应加热器，在感应线圈22内形成感生电流，实现对被测样品20的加热。

S6、利用第一红外测温仪9、第二红外测温仪25实时测量被测样品20表面、背面温度，待被测样品20达到设定温度且热平衡后，开启高功率光纤耦合激光控制子系统，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20表面进行激光打击。

S7、通过材料响应测试子系统采集被测样品20表面、背面温度及表面相貌。

优选地，在完成测试后，通过集成控制子系统依次关闭半导体激光器27、感应加热装置26、进气电磁阀2及多组分供气子系统；待被测样品20的温度冷却至室温后，关闭机械泵17，取出被测样品20，关闭水冷子系统，结束试验。

本发明能够对导电类热防护材料进行高温、低压氧化气氛下激光打击毁伤模拟测试。对于导电类的热防护材料制作的被测样品，步骤S2中，可将被测样品直接置于样品台上，通过移动平台调整被测样品的位置，使被测样品置于感应线圈内，步骤S5中利用感应线圈形成感生电流，实现对被测样品的直接加热。

在一个具体的实施方式中，本发明选用现有技术中典型的C/C材料进行混合气氛高温、低压模拟环境下的高能激光打击毁伤测试，步骤S1中制作的被测样品尺寸：直径为10mm，厚度为3mm，采用金刚石研磨膏将被测样品表面打磨到光洁度1μm以下。测试条件如下表1所示：

表1 C/C材料测试条件

步骤S4中，关闭放气阀，开启机械泵，反应腔体的气体经抽气法兰、抽气管道、旁通阀、波纹管、机械泵排到外部；开启多组分供气子系统，氧气对应气瓶和氮气对应气瓶的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，通过进气电磁阀进入环形进气管道，由环形进气管道均匀进入反应腔体，同时，利用电阻规、电离规实时监控反应腔体内的压力，通过集成控制子系统调节质量流量计控制进气量，以及机械泵抽气速率，至进气量和反应腔体内压力达到测试条件。

由于C/C材料导电性好，热导率高且具有优良的抗热冲击性能，所以被测样品升温速率极快且表面和背面温度基本一致。激光打击毁伤后材料表面宏观形貌如图3(a)至图3(d)所示，被测样品中的C氧化生成气体，发生质量损失，如图4所示。

本发明能够对陶瓷类热防护材料进行高温、低压氧化气氛下激光打击毁伤模拟测试。在一个具体的实施方式中，本发明选用现有技术中典型的UHTC材料(超高温陶瓷防热材料)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，被测样品尺寸：直径为12mm，厚度为3mm。测试条件如下表2所示：

表2 UHTC材料测试条件

采用两个UHTC材料制成的被测样品(UHTC-1、UHTC-2)分别进行了不同激光功率及打击时间的测试，由于UHTC材料导电性好，热导率低，被测样品的表面温度和背面温度存在一定的差异，第一红外测温仪和第二红外测温仪采集到两个被测样品(UHTC-1、UHTC-2)温度响应分别如图5、图6所示，激光打击毁伤后材料表面宏观形貌分别如图7(a)、图7(b)所示，由于材料发生氧化且打击时间较短，质量基本无变化。

本发明能够对高温传感类热防护材料进行高温、低压氧化气氛下激光打击毁伤模拟测试。考虑到这一类热防护材料通常不具有导电性，步骤S2可将被测样品置于高导热石墨加热体上，高导热石墨加热体置于样品台上，通过移动平台调整被测样品的位置，使高导热石墨加热体置于感应线圈内，步骤S5中利用感应线圈形成感生电流，实现对高导热石墨加热体的加热，随后高导热石墨加热体通过热传导实现对被测样品的加热。在一个具体的实施方式中，本发明选用现有技术中典型的SiCN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，被测样品尺寸：直径为12mm，厚度为3mm。测试条件如下表3所示：

表3 SiCN材料测试条件

采用两个SiCN材料制成的被测样品(SiCN-1、SiCN-2)分别进行了不同激光功率的测试，两个被测样品(SiCN-1、SiCN-2)的温度响应分别如图8、图9所示，激光打击毁伤后材料表面宏观形貌分别如图10(a)、图10(b)所示，微观形貌如图11(a)、图11(b)所示。两组被测样品(SiCN-1、SiCN-2)打击前后质量变化不大。

综上所述，现有技术无法在地面模拟高超声速飞行时，飞行器表面热防护材料在高温低压环境下遭受到高能激光打击的试验，主要问题是难以实现对热防护材料同时加载高温、低压环境与高能激光，多物理场耦合将导致高温加载方式、真空密封、光学传输等多方面干涉与矛盾，技术上难度较大。本发明针对这一问题，从诸多加热方式和激光传输方式中筛选出合适的联合加载模式，克服了多物理场耦合的技术难点，提供了一种能够对高温、低压环境下热防护材料进行高能激光打击毁伤的地面模拟测试系统及方法。本发明可模拟高超声速飞行器在遭到高能激光打击时，最外层热防护材料面临的高温、低压、激光联合加载，且温度、压力、气体组分和激光参数独立可调节，不仅可以对热防护材料抗激光打击能力进行表征与评价，还可作为防御高能激光打击的新型热防护材料的机理性实验平台，为构建新的防空体系、开发新型热防护材料提供技术支持。

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)

1.一种高温低压环境下激光毁伤地面模拟测试系统，其特征在于，包括：

高温激光毁伤反应腔、高功率中频感应加热器、多组分供气子系统、真空子系统、高功率光纤耦合激光控制子系统、材料响应测试子系统、水冷子系统和集成控制子系统；

所述高温激光毁伤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，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，用于承载被测样品；

所述高功率中频感应加热器包括感应加热装置和感应线圈，所述感应加热装置设于所述反应腔体外部，所述感应线圈设于所述样品台上方，并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，用于形成感生电流，实现对被测样品的加热；

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；

所述真空子系统包括机械泵和压力传感器，所述机械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，用于提供低压环境，所述压力传感器用于监测气压；

所述高功率光纤耦合激光控制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，垂直入射所述样品台承载的被测样品；

所述材料响应测试子系统包括第一红外测温仪、第二红外测温仪和高速相机，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以及所述样品台的纵向观测通孔，测量被测样品远离准直激光一侧的背面温度，

所述高速相机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，观测被测样品朝向准直激光一侧的表面形貌，所述高速相机镜头前设有滤光片，且所述高速相机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高温激光毁伤反应腔、所述高功率中频感应加热器、所述多组分供气子系统、所述真空子系统、所述高功率光纤耦合激光控制子系统、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所述的高温低压环境下激光毁伤地面模拟测试系统，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。

3.根据权利要求1所述的高温低压环境下激光毁伤地面模拟测试系统，其特征在于：

所述感应线圈的直径范围为10～200mm。

4.根据权利要求1所述的高温低压环境下激光毁伤地面模拟测试系统，其特征在于：

所述供气装置包括氮气、氧气以及氩气三路气瓶，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所述的高温低压环境下激光毁伤地面模拟测试系统，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所述的高温低压环境下激光毁伤地面模拟测试系统，其特征在于：

所述半导体激光器输出的激光波长为1080nm，功率密度3×10⁷w/m²，经激光准直镜头后，以

连续平顶激光输出，光束的直径10～30mm可调，光斑均匀性>95％；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所述的高温低压环境下激光毁伤地面模拟测试系统，其特征在于：

所述机械泵通过波纹管、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。

8.一种高温低压环境下激光毁伤地面模拟测试方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任一项所述的高温低压环境下激光毁伤地面模拟测试系统实现，包括如下步骤：

S1、制作被测样品，并对被测样品的表面进行打磨；

S2、将被测样品置于所述样品台上，并套入感应线圈内，或将被测样品置于高导热石墨加热体上，将高导热石墨加热体置于所述样品台上，并套入感应线圈内；

S3、开启材料响应测试子系统，调整高速相机、第一红外测温仪的位置，确保能够采集到被测样品的表面形貌和表面中心温度；

S4、开启真空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，开启高功率中频感应加热器，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，开启高功率光纤耦合激光控制子系统，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、通过材料响应测试子系统采集被测样品表面、背面温度及表面相貌。

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